石拱桥涵常见病害及维修加固方法

吕世勋 郭自远 康学伟 王静霞

【摘要】石拱桥涵在使用过程中，随着使用年限的增加，其结构性能逐渐退化，出现各种损伤，为保证其安全性，就需要经常进行维修来满足其使用功能并延长其使用寿命。针对既有桥涵的损伤、缺陷及使用情况，维修改造处理方案的主要目的是提高桥涵的耐久性、安全性和使用性，防护石料继续风化、腐蚀，提高桥涵的承载能力以及对己存在缺陷的治理。

【关键词】桥涵；病害；治理

Common Diseases and Repairing Methods of Stone Arch Bridge

Lv Shi-xun 1，Guo Zi-yuan2，Kang Xue-wei2，Wang Jing-xia3，Liu Yan-dong4

（1.Xingtai City Highway Engineering Management OfficeXingtaiHebei054000 ；

2.Chengde City Transportation BureauChengdeHebei067000 ；

3.Hebei Province Expressway Command and Dispatching CenterShijiazhuangHebei050000 ；

4.Xingtai City Highway Survey and Design OfficeXingtaiHebei054000）

【Abstract】Stone arch bridge in the use of the process， with the increase in the useful life of its structural properties gradually degenerate， there are a variety of damage， in order to ensure its safety， you need to regularly repair to meet its use and extend its service life. The main purpose of the maintenance and renovation treatment plan is to improve the durability， safety and usability of the bridge and culvert， to prevent the weathering and corrosion of the stone， to improve the bearing capacity of the bridge and the existing defects. Governance.

【Key words】Bridge and culverts；Disease

对于受损桥涵的治理，包括维修和加固两大部分。由于桥涵缺陷和损伤程度、原因不同，桥涵的治理也不同。一般情况下，维修的目的是提高结构的耐久性或改善结构的工作性能，加固的目的则主要是恢复或提高结构的安全性和可靠性。

1. 石拱桥涵常见病害分析

1.1石拱桥涵具有就地取材、施工简单、不需要大型设备等特点，在20世纪50年代至80年代得到大量推广使用。由于当时设计荷载较小，随着车辆荷载的增大，大多数石拱桥涵处于超负荷状态，并且石拱桥涵自重大，拱圈受力后产生较大白水平推力，对地基和墩台承载力要求高，由于设计和施工的不足，因而出现病害情况较多，需要维修加固，提高其承载能力。

1.2由于施工出现问题引起石拱桥涵承载能力不足而发生事故，原因有如下几种：

（1）拱架强度或刚度不足；

（2）拱圈加载不均衡；

（3）拱上构造加载不均衡；

（4）卸架不均衡；

（5）砌石拱圈施工质量问题，比如灰缝不饱满、砂浆强度太低、石料木号太低、砌石未错缝等；

（6）过早卸架，未等拱上建筑完成而裸拱卸载。

1.3主拱圈横向开裂原因分析。

主拱圈裂缝是石拱桥涵最常见的病害。主拱圈开裂严重影响到桥梁的安全，主要有主拱圈横向开裂与纵向开裂。主拱圈横向开裂多发生在拱顶下部或拱脚上部，有时甚至会开裂至拱壁其主要原因分析如下：

（1）主拱圈厚度太薄或材料强度不够。石拱桥涵主拱圈的内力分析表明，主顶正弯矩最大，拱脚负弯矩最大，拱顶、拱脚为设计控制截面，若截面抗多小于设计荷载内力，将造成拱顶下部或拱脚上部开裂。

（2）基础沉陷，墩台移动。石拱桥涵多数按无铰拱设计，为超静定结构。基础沉陷或墩台位移引起的主拱圈附加应力非常大。

（3）拱圈受力不对称。主要发生在坡桥与弯桥上。有些坡桥坡度较大，而主拱圈设置采用平置，造成拱上建筑不对称，使拱圈受力不对称。车辆在弯桥上转弯时产生向心力，造成拱圈弯道外侧开裂。

（4）设计时拱轴系数选择不当或施工造成拱圈变形，使荷载压力线与拱轴中心线偏离太大而开裂。

（5）施工质量差。如砂浆不饱满、砌筑工艺不规范等。

主拱圈横向开裂病害对原结构的影响：如果主拱圈出现横向裂缝后发展到拱厚的一定深度，开裂面的抗弯惯性矩将大大降低，相当于形成铰，改变了原结构体系，同时内力也将发生变化，结构的稳定性降低。如果出现多条横向裂缝，形成三铰以上时，将导致结构失稳破坏。

1.4主拱圈纵向开裂原因分析。

主拱圈的纵向开裂原因分析如下：

（1）主拱圈縱向裂隙主要由施工引起，拱圈多采用分环砌筑，如在施工时未注意环与环交错搭接，则会在拱圈下部腹石上发生纵向裂缝；

（2）拱上侧土压力的作用；

（3）结构本身的特殊受力因素，如弯桥受离心力作用，斜桥的钝角与锐角部分受弯受扭相差较大；

（4）拱上侧墙与桥台侧墙连为一体，在较大的侧土压力作用下，桥台发生侧向受力变形。

主拱圈纵向开裂病害对原结构的影响：结构本身的横向抗力差；外界的一种或几种不利的横向力过大，当超过拱圈横向抵抗强度则导致纵向开裂破坏。拱圈产生纵向裂缝后，结构的整体性被破坏。裂缝两侧拱圈的受力、变形不均匀，局部部位的内力将增大。由于裂缝使横向受力性能减弱，在横向力增大的情况下，裂缝将继续发展，降低拱桥的承载能力。

1.5腹拱圈开裂。

腹拱圈开裂最严重且普遍，是石拱桥涵最主要的病害。主要原因有以下几个方面：

（1）如果腹拱太坦，就会产生较大的腹拱推力，导致施工质量较差，易产生裂缝从而不能满足设计要求。

（2）铰缝处理不当。石砌腹拱圈的铰石应选择石质坚硬且无裂纹的石料，一对铰石的接触面应较一般拱石多加修凿以增大实际接触面积，如果施工中未达到要求，会造成铰石破坏而开裂。

（3）拱与拱上建筑的联合作用显著影响拱上建筑的内力，拱上建筑刚度越大，影响就越大。考虑拱上建筑与拱共同工作所计算的内力与分开计算的结果可能迥然不同，如构造处理不妥而按分开计算设计，则拱上建筑可能严重开裂甚至破坏。

（4）腹拱的开裂造成桥面破坏，加上养护不到位，引起桥面渗水，进一步加剧了腹拱圈的开裂。

1.6桥面破损。

桥面破损影响行车安全，放大了行车的动力效应，轻则使行车轻微颠簸，重则产生跳车。且车辆经过跳车处时，会引起腹拱严重振动，增加构件的疲劳，势必缩短桥梁的使用寿命。引起石拱桥涵桥面破损的主要原因：

（1）实腹式拱桥多采用柔性填料（砂砾或碎石），柔性填料在车辆荷载作用下的不均匀压缩变形或台后排水处理不当，造成填料积水，填料强度降低，引起路面破坏。

（2）空腹式拱桥由于腹拱铰的存在，为适应变形的需要，侧墙与桥面结构需相应设置伸缩缝或变形缝，由于缝的存在，构造上又不进行改善，易引起桥面从变形缝处开始破坏。

（3）桥面伸缩缝设置构造过于简单，不能满足桥面变形的需要，造成桥面破坏。

1.7防水层破坏或失效。

防水层破坏或失效，使拱圈漏水，影响结构安全，缩短了桥梁的使用寿命。影响防水层破坏或失效的主要原因：

实腹式拱桥多采用胶泥或三合土做防水层，在施工现场纯粘土很难找到，施工时就用一般亚粘土代替，防水效果不佳：胶泥和三合土的水固比难把握，特别是在填料夯实过程中，三合土易软化而失效。

空腹式拱桥多采用沥青，容易破坏或开裂。如桥面有渗水，胶泥或油毛毡防水层，油毛毡容易老化，特别是变形缝处很难保证沥青麻絮密实。

1.8桥墩台基础破坏。

（1）主要由地基引起墩台不均匀沉降、倾斜、滑移和上部结构的不对称荷载引起桥墩水平推力平衡失效造成。墩台基础破坏与上部结构破坏是相互的，下部破坏引起上部拱圈开裂，进而又加剧了桥墩台的破坏。

（2）石拱桥涵的病害还不止这些，导致原因也各种各样。总体上看，产生这些病害的原因可以归结为内因和外因。内因主要是指石材品质差、设计不合理、施工质量不过关等。外因主要是基础的位移、外荷载过大或其他自然因素。石拱桥涵的病害有的可能会影响桥梁的安全，有的可能只是影响桥梁的使用性能。因此在对石拱桥涵的病害进行详尽的调查分析后，可根据危害程度区分不同情况进行处理，对那些危及交通安全的病害要及时处理，必要时对桥梁进行技术改造。

2. 石拱桥涵的维修

2.1石拱桥涵的维修工作主要是修理拱圈和拱上结构砌体的个别损伤部分，如裂缝、局部变形等，恢复损伤结构的整体作用。修理拱桥个别损伤常用的方法有下列几种：

（1）修理防水层。

为防止渗漏，砖、石拱桥涵均应做防水层。如发现没有防水层或防水层损坏失效时，应挖开拱上填料重做或重做桥面加铺黑色路面，防止桥面渗漏。

（2）保护面层不受风化。

砖、石拱桥涵要注意灰缝的保养，如有脱落应及时修补，如砖、石有风化剥落，可喷刷一层1～3cm的10号以上的水泥砂浆，喷浆应分2～3层喷注，每隔1～2日喷一层。必要时，可加布一层钢丝网，以增加喷涂层的强度。

（3）石拱桥涵的裂缝处治。

应先找出造成裂缝的原因，对症下药。如果拱圈裂缝是因为墩台位移或沉陷引起的，先处理墩台位移或沉陷问题，再对拱圈裂缝进行封闭处理即可。

2.2如果拱圈裂缝是因为拱圈承载力不够造成的，则除了对拱圈裂缝封闭处理外，还要进行补强处理。拱圈裂缝的封闭处理方法如下：

（1）砂浆填缝：操作时，将缝隙清理并冲洗干净，根据裂缝宽度不同分别用勾缝刀、抹子、刮刀等工具将砂浆填灌裂缝并将表面抹平，所用砂浆通常采用1：2.5或1：3水泥砂浆，但不得低于砌筑砂浆强度。这种处理方法可在美观、耐久性等方面起到一定作用，但在砌体整体性、强度提高等方面所起的作用不大。

（2）环氧砂浆或环氧浆液填缝：先在裂缝处凿一V形槽，宽约1～2cm深约1～3cm，槽面应尽量平整。用水冲洗干净并烘干，在缝四周先涂一层环氧浆液，如裂缝较深，在垂直方向也可静力灌浆或注射灌浆，环氧浆液可灌入0.25mm的细缝中。最后嵌入环氧砂浆，用刮刀使平面低于原圬工面1cm左右。待环氧砂浆硬化后，用水泥砂浆将裂缝填满并敷面，以使裂缝处外观与其余部位一致，更加美观。环氧砂浆养护期间应禁止车辆通行，不宜受潮、受震。

（3）采用进口化学粘结剂封闭微裂缝：目前用得比較广泛的处理微裂缝的方式是采用进口化学材料灌浆，如瑞士的“喜利得”化学粘结剂，采用封闭注射灌浆法，操作非常简便，且粘结强度相当高。

3. 石拱桥涵的加固

3.1桥涵加固技术路线。

对有损伤的桥涵进行的加固较新建结构更为复杂，它不仅要受到己有结构的种种限制，还由于结构损伤和缺陷的存在以及约束条件的变化等，使得结构的处理更为困难，而且桥涵设计的各种参数（如材料强度、荷载状况等）的取值取决于现场的调查等。因此，在确定桥涵的加固方案时，应周密考虑，严格遵循有关的工作程序和原则，选用的方法不仅要安全可靠，而且还要经济合理。

3.1.1进行桥涵加固的基本原则是：

（1）一般应以不更改结构形式为原则，避免不必要的构件拆除和更换。

（2）应考虑投资少，功效快，不影响交通，技术上可行，有较好的耐久性等方面的要求。

（3）应对结构现有材料性能进行检测，通过实测评定材料的实际强度等级。

（4）需考虑加固所处空间、结构损伤程度、修补后的耐久年限等。

（5）应考虑恢复后建筑物的总体效应和重新分布的受力状态。

3.1.2桥涵结构加固的工作程序为：

桥涵检定→确定加固方案→施工图设计→施工组织设计→施工→工程验收。

对桥涵结构加固方案的选择十分重要，方案的优劣不仅影响资金的投入，而且将影响桥涵加固的质量。合理的加固方案应该达到加固效果好，对使用性能影响小，技术可靠，施工简便和经济合理。

3.2桥涵加固内容。

桥涵加固的主要内容：对发生病害而不能满足运输要求的桥涵设备进行整治、加固和改善，目的是恢复原有桥涵建筑物的整体使用效能和延长使用年限；提高原有桥涵结构物的荷载等级和通行能力。

桥涵加固工作的主要内容有，对旧桥上部构件进行加固；对旧桥下部构件进行加固；拓宽桥涵的行车道或人行道；升高桥涵上部构造的高度；更换桥涵行车道路面或引桥路面的结构等等。

桥涵的加固工作，应充分利用原有的部分，凡能加固的，则不宜改建。

3.3石拱桥涵加固的常用方法。

3.3.1为提高旧桥的承载能力和通行能力，必须对旧桥采取各种加固措施。根据桥涵病害检测分析和鉴定评估结果，桥涵结构加固设计分为：承载力加固（强度加固）、使用功能加固（刚度加固）、耐久性加固和抗震加固四种情况。

3.3.2承载力加固是确保结构安全工作的基础，是桥涵改造加固设计的核心内容，其内容包括正截面抗弯承载力加固和斜截面抗剪承载力加固两部分。

3.3.3使用功能加固是确保桥涵正常工作的需要，主要是对活载变形或振动过大的构件，加大截面尺寸，增加截面刚度，以满足结构使用功能要求。

3.3.4耐久性加固是指对结构损伤部位进行修复和补强，以阻止结构损伤部分的性能继续恶化，消除损伤隐患，提高结构的可靠性，提高结构的使用功能，延长结构的使用寿命。

3.3.5抗震加固是对遭受地震破坏的结构进行修复、增强结构的延性和整体工作性能、提高结构的抗震能力。

3.3.6目前拱桥的改造加固方法，丰富多彩，不一而足，新的加固方法不断涌现，但归根结底，主要还是增大拱圈截面，增强拱肋、拱波之间的联系，加强横向联系，减轻拱上建筑的重量等几种基本方法及其衍生。其加固原理如下：

σ=N/A±M/W0≤[σ]（3-1）

σ=M/W0≤[σ]（3-2）

3.3.7根据上述力学公式（3-1）或（3-2），目前加固主要通过改变σ，[σ]的方法达到目的。如增大截面法，通过增大A_0，I0或W0减小截面应力σ，粘贴加固法则是靠增大[σ]来提高材料的容許承载应力。套箍法原理上也属于增大截面面积法。这些方法可以因地制宜配合使用。

参考文献

[1]李炎，徐海，胡旭铭，25米跨石拱桥涵加固改造实例[J].浙江交通科技.2005.3： 23～25.

[2]杨汉文，刘刚新.公路砖石拱桥涵加固原理及实效分析[J].交通科技.2005.5：

[3]王振领，林拥军，钱永久.新老混凝土结合面抗剪性能试验研究[J].西南交通大学学报.2005.10： 600～604.

[4]陈文光.东莞万江大桥旧桥拱圈加固工程施工[J].广东交通科技.2002.12：

[基金项目]河北省教育厅科技项目（Z2017037）.

[文章编号]1619-2737（2017）05-17-903