前言
拱結(jié)構(gòu)因其主要承受壓力，能使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，因而可以利用抗拉性能差而抗壓性能較好的圬工材料來建造拱橋。拱橋因以其具有就地取材、節(jié)省鋼材和水泥、構(gòu)造簡(jiǎn)單、利于普及、承載潛力大、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，而成為我國(guó)西部地區(qū)公路的常用橋型。但是，在我國(guó)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中的大量上世紀(jì)七、八十年代修建的拱橋，因?yàn)楦鞣N原因，該類橋梁均出現(xiàn)了不同程度的病害，事故拱橋（如下表1統(tǒng)計(jì)）及技術(shù)狀況等級(jí)為四、五類的拱橋數(shù)量則更多，其使用和運(yùn)營(yíng)狀況不容樂觀。
表1 近年來我國(guó)拱橋垮塌事故統(tǒng)計(jì)
注：以上數(shù)據(jù)不含5.12汶川地震損毀橋梁
可見，通過科學(xué)合理的措施，恢復(fù)或提高西部地區(qū)尤其是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)數(shù)量眾多的拱橋的承載能力及通行能力，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，滿足現(xiàn)代化交通運(yùn)輸和西部大開發(fā)的需要，是非常迫切和具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。
圖1 近年來我國(guó)部分拱橋垮塌事故圖片
實(shí)踐證明，針對(duì)病害橋梁，在橋梁運(yùn)營(yíng)管理中，實(shí)施詳實(shí)的橋梁檢測(cè)，認(rèn)真分析橋梁病害產(chǎn)生的原因，科學(xué)制定加固方案，并根據(jù)設(shè)計(jì)目的和材料特性采用合理的施工方案加以實(shí)施，能最終達(dá)到維修橋梁病害及避免安全事故發(fā)生的目的。
一、西部地區(qū)拱橋常見病害及原因分析
西部地區(qū)，高速公路路網(wǎng)密度較低，國(guó)省干線上的大量拱橋，承擔(dān)著繁重的運(yùn)營(yíng)壓力。因此在長(zhǎng)期高負(fù)荷的運(yùn)營(yíng)過程中，由該類橋梁在多種環(huán)境因素、材料劣化、荷載（恒載或活載）變異等因素的反復(fù)作用下，不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種各樣的病害，具體分析如下。
1.1、西部地區(qū)拱橋常見病害概述
調(diào)研歸納西部地區(qū)多座運(yùn)營(yíng)中的拱橋，其各種常見的結(jié)構(gòu)性病害主要表現(xiàn)為以下三類：
1、拱頂下沉、拱軸線變形、拱圈承載能力下降；
2、主拱圈開裂；
3、拱上建筑損壞。
1.2、常見病害產(chǎn)生的原因分析概述
引起拱橋各種病害的原因很多，本文針對(duì)西部環(huán)境及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，并匯總常見原因，主要有以下幾方面：
1、超限超載車輛長(zhǎng)期作用于老舊拱橋；
2、拱腳或墩臺(tái)不均勻位移引起拱圈或橫向聯(lián)系破壞；
3、材料強(qiáng)度不足，引起拱肋或拱圈承載能力不足；
4、橫向聯(lián)系不足，引起拱橋失穩(wěn)；
5、沖刷造成拱橋基礎(chǔ)破壞；
6、風(fēng)化、有害氣體侵蝕等造成拱橋耐久性損傷；
7、橋面及拱上填料排水不暢造成拱上建筑損壞。
二、拱橋加固的常用方法探討
根據(jù)以上原因分析，結(jié)構(gòu)西部地區(qū)實(shí)際情況，通過在工程實(shí)踐中的總結(jié)，西部地區(qū)拱橋加固應(yīng)本著以下原則實(shí)施：
A、設(shè)計(jì)科學(xué)合理，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；
B、盡量不增加結(jié)構(gòu)自重，不對(duì)拱圈等主要承重構(gòu)件造成損傷；
C、加固后橋梁能滿足運(yùn)營(yíng)荷載的使用要求，并有一定的安全儲(chǔ)備；
D、施工簡(jiǎn)便、快捷，加固施工過程對(duì)交通影響減至最小；
E、加固后橋梁耐久性強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)方便。
鑒于以上原則，當(dāng)拱橋承載能力、穩(wěn)定性、整體性、耐久性不足時(shí)，可選擇以下方式，對(duì)西部廣大國(guó)省干線上的在役拱橋進(jìn)行加固。
2.1、增大拱圈截面加固
增大截面加固法是采用同種材料——鋼筋混凝土，來增大原混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積和配筋，以達(dá)到提高構(gòu)件的截面承載力、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性的目的，也可用來修補(bǔ)裂縫等?？蛇m用于桁架拱、剛架拱以及雙曲拱橋的加固。在增大截面之前首先應(yīng)對(duì)原拱肋進(jìn)行缺陷修補(bǔ)以及結(jié)合面鑿毛，露出粗骨料，然后在拱肋植入鋼筋，并架設(shè)縱橫向受力主筋，再澆筑外包混凝土并養(yǎng)生。
針對(duì)西部老舊的石拱橋，應(yīng)用較多的是鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈技術(shù)對(duì)主拱圈進(jìn)行加固，提高原橋的受力整體性和承載力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體耐久性能。采用套拱加固法加固圬工拱橋，既可采用整體截面，也可采用肋式截面。其顯著的作用是有效地加厚了原拱圈截面和增強(qiáng)了原拱圈的橫向聯(lián)系，既增強(qiáng)了主拱圈的承載能力，又有效地封閉和處理了原主拱圈的縱、橫向裂縫等病害，同時(shí)也防止其進(jìn)一步風(fēng)化。
針對(duì)圬工拱橋，還可采用錨噴混凝土加固拱圈。利用錨入原主拱圈內(nèi)的錨桿掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，再施噴加入適量速凝劑的混凝土至結(jié)構(gòu)面層，直至形成復(fù)合主拱圈，并與原主拱圈共同協(xié)調(diào)變形，分擔(dān)部分活載，從而達(dá)到提高橋梁承載力的目的。
2.2、粘貼高強(qiáng)材料加固
粘貼高強(qiáng)材料加固，主要指粘貼鋼板或粘貼纖維復(fù)合材料加固拱圈或拱上建筑。
粘貼鋼板主要采取在拱肋混凝土表面用錨栓和灌漿材料粘貼鋼板，用錨固螺桿將鋼板與主梁混凝土固定來達(dá)到局部加固的目的。粘貼鋼板加固技術(shù)具有施工控制性好，工藝成熟，材料易購(gòu)，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，比較適合實(shí)際工程的應(yīng)用。
粘貼FRP片材法與鋼板粘貼加強(qiáng)法基本原理是一致的，均是將其增強(qiáng)材料粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使之與結(jié)構(gòu)形成整體，用以代替需增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，提高梁的承載能力，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。
2.3、外包鋼板內(nèi)注自密實(shí)混凝土加固
自密實(shí)混凝土即自流平混凝土，是在低水膠比下，能不經(jīng)振搗靠自身的重力作用自流平自密實(shí)并充滿模板和包裹鋼筋，在施工中對(duì)模板體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了更高的高求，因此常與牢固性、密封性更好的鋼模板配合使用，形成“鋼板混凝土結(jié)構(gòu)”。其工藝在于：拱肋表面清理、鑿毛后在原結(jié)構(gòu)表面植筋并布置受力鋼筋，安裝鋼模板并焊接，后澆筑自密實(shí)混凝土。此種方法多用于T梁等梁肋補(bǔ)強(qiáng)加固，目前拱橋結(jié)構(gòu)也經(jīng)常采用這種方法。
2.4、增加橫向聯(lián)系加固
肋式拱橋或雙曲拱橋中橫系梁或橫隔板具有增強(qiáng)肋拱橫向整體穩(wěn)定行的作用，還可以起到橫向分布荷載的作用，要求具有足夠的剛度及強(qiáng)度。但是經(jīng)過長(zhǎng)期的荷載反作用，往往橫向聯(lián)系構(gòu)造會(huì)先于主拱肋出現(xiàn)各類病害，尤其是早年修建的雙曲拱橋，其橫向聯(lián)系的剛度更加薄弱。此時(shí)即使主拱肋還未產(chǎn)生較為嚴(yán)重的病害，結(jié)構(gòu)也會(huì)因橫向整體性變差而造成整體承載能力的下降。因此必須采用有效措施對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系進(jìn)行增加補(bǔ)強(qiáng)，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力模式。一般采用增大原橫系梁或新增橫隔板兩種方式，該方法已成為該類橋梁補(bǔ)強(qiáng)加固的重要技術(shù)措施之一，可與其他加固方式共同實(shí)施。
橫系梁的主筋盡可能通長(zhǎng)設(shè)置，當(dāng)在底面加大拱肋截面時(shí)，可使橫系梁的底面與拱肋同高，能方便布置通長(zhǎng)鋼筋可靠連接，以保證整體性。
2.5、拱上填料換填加固
很多已建成多年的拱橋，特別是圬工拱橋，通常采用的拱上填料厚度較大，對(duì)于這類拱橋的計(jì)算分析中，恒載往往占有很大的比例，主拱圈大部分承載能力需用于承擔(dān)恒載自重。隨著車輛荷載的不算增加，極易超過橋梁的承載能力范圍，造成主拱圈的開裂，發(fā)展成為病險(xiǎn)橋梁。拱上填料換填為輕質(zhì)材料，不僅可以通過調(diào)整拱上恒載的方式來調(diào)整壓力線，使主拱圈的壓力線與拱軸線盡可能的接近，減小拱內(nèi)彎矩內(nèi)力，當(dāng)橋梁承受活載的能力下降以及橋梁基礎(chǔ)承載能力受到限制，不能滿足加固拱圈和提高活載所增加的承載能力要求時(shí)，還可采用減輕拱上建筑自重的方法對(duì)拱橋進(jìn)行改造，降低對(duì)下部結(jié)構(gòu)的要求，同時(shí)，也可減輕主拱圈的負(fù)擔(dān)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。
2.6、調(diào)整拱軸線加固
由于拱的受力與拱軸線的變化很大，對(duì)于拱圈變形過大的拱橋，實(shí)際拱軸線往往與壓力線偏差較大，而產(chǎn)生各種不同病害。這種情況下，若單獨(dú)采用截面補(bǔ)強(qiáng)、缺陷修補(bǔ)、局部加強(qiáng)等方式進(jìn)行加固，已不能有效的改善拱圈的受力狀況。于是需要對(duì)拱軸線和壓力線進(jìn)行調(diào)整，使其盡量吻合，改善拱圈的受力狀態(tài)，才能切實(shí)從根本上解決拱橋病害現(xiàn)狀，切實(shí)起到改造加固的作用。特別需要注意的是，拱圈的受力是與拱上恒載的分布和拱軸線形狀有著密切的關(guān)系，如果需要調(diào)整拱上填料厚度或者加強(qiáng)橋面來調(diào)整拱軸線時(shí)，必須對(duì)拱圈的受力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，確定合理的方案，不可盲目增加自重。
2.7、鋼管混凝土拱橋管內(nèi)壓漿加固
鋼管混凝土的組合最大的特性就是鋼管和混凝土的套箍效應(yīng)，當(dāng)鋼管混凝土拱肋中發(fā)現(xiàn)有多處或大面積的不密實(shí)情況時(shí)，鋼管與核心混凝土之間會(huì)發(fā)生內(nèi)力重分布，從而大大降低該構(gòu)件的承壓能力以及穩(wěn)定性，為結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營(yíng)埋下了安全隱患。對(duì)于此類病害即可采用管內(nèi)壓漿的方式對(duì)拱肋進(jìn)行加固，恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力。
修補(bǔ)空洞一般采用聚合物混凝土，修補(bǔ)脫空縫隙則采用壓力注漿的方法，常用改性環(huán)氧膠粘劑。為了灌注混凝土，應(yīng)在鋼管上鉆孔，若孔徑較大，可用鋼板補(bǔ)焊，焊接時(shí)應(yīng)減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷。孔徑較小時(shí)用灌注膠液抹平即可。
2.8、更換吊桿加固
當(dāng)拱橋主體結(jié)構(gòu)尚好，但是其部分主要受力構(gòu)件諸如吊桿或系桿等均會(huì)因?yàn)槠诤奢d或其他原因而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的病害，局部構(gòu)件承載能力已不能滿足正常運(yùn)營(yíng)要求時(shí)，可采用更換或者增強(qiáng)這些構(gòu)件的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。
吊桿及系桿更換適用于中、下承式拱橋。吊桿在解除和張拉過程中，橋梁各部分的應(yīng)力有一個(gè)逐步變化的過程，一般采用分級(jí)張拉使荷載轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，如不分級(jí)張拉，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。吊桿多采用成品索，吊桿更換多以橋面高程控制變形。
2.9、改變結(jié)構(gòu)體系加固
在許可條件下可采用調(diào)整拱上自重的分布，改善拱圈受力，達(dá)到加固的目的，即改變拱橋結(jié)構(gòu)體系的方法。目前常將空腹式雙曲拱橋的拱式腹拱及拱頂實(shí)腹段等拱上建筑拆除后，重建為連續(xù)板式拱式建筑，從而達(dá)到減輕恒載、調(diào)整主拱圈受力狀態(tài)，以及改善橋梁荷載橫向分布性能，提高橋梁承載能力之目的。此加固方法應(yīng)謹(jǐn)慎實(shí)施。
三
、工程實(shí)例
3.1、某石拱橋加固
3.1.1、橋梁概況
某石拱橋系1孔16m的漿砌片石拱橋，運(yùn)營(yíng)多年，養(yǎng)護(hù)中已發(fā)現(xiàn)部分病害，且因臨近一級(jí)路改建，需通過密集的施工重車，亟待加固補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)報(bào)告，該橋主要結(jié)構(gòu)病害主要為拱圈斜縱向貫穿開裂。裂縫寬10～15mm，延伸至基礎(chǔ)；且拱圈有多條橫向裂縫，所有裂縫嚴(yán)重滲水。
圖2 1-16m漿砌片石拱橋橋梁概貌
3.1.2、主要加固方法
1、拱圈加固：
針對(duì)該橋拱圈斜縱向開裂這一主要病害，制定了套背拱圈的加固方案。
?。?）開V型槽，壓力灌漿，修補(bǔ)裂縫，提高拱圈整體性。
（2）套拱加固法：在原有橋墩臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造后，在原主拱圈腹面下增設(shè)一層新拱圈，緊貼原拱圈底面，澆注新拱圈，共同承擔(dān)上部荷載。為保證混凝土質(zhì)量，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)采用自密實(shí)免震搗混凝土，具體方法如下圖。
2、基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)：采用基礎(chǔ)壓漿的方式對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
圖3 套拱加固法示意圖
3.1.3、加固效果評(píng)價(jià)
該橋目前已通過竣工驗(yàn)收，加固后的該拱橋在重載施工車輛的密集通行情況下，未發(fā)現(xiàn)新增機(jī)構(gòu)病害，加固后運(yùn)營(yíng)狀況良好。
3.2、某雙曲拱橋加固
3.2.1、橋梁概況
某雙曲拱橋建成時(shí)間為1973年，公路等級(jí)三級(jí)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-15級(jí)、掛—80。橋梁全長(zhǎng)86m，橋下凈空30m，跨徑組成1×60米。橋面寬8.7米，兩側(cè)護(hù)欄各寬0.5米，采用瀝青混凝土橋面鋪裝。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)。
拱圈拱頂處拱肋出現(xiàn)橫向裂縫，縫寬0.3mm，拱波滲水，腹拱拱圈有滲水、裂縫等現(xiàn)象。造成該橋病害的主要原因：
1、早期橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)較低， 只為汽-l5級(jí)。不能承受目前較多的大噸位車輛通行。
2、由拱肋、拱波、拱板先后組合成的主拱圈整體性差，剛度較弱。
3.2.2、主要加固方法
由于該雙曲拱橋滲水病害較為嚴(yán)重，且在滲水作用下，原結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋可能已經(jīng)銹蝕，結(jié)構(gòu)的受力斷面在很大程度上得到了削弱。故對(duì)削弱的主拱圈應(yīng)采用在拱肋外包混凝土并新增橫隔板的方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)驗(yàn)算分析，確定本橋加固方案為在原拱肋側(cè)面及底面各增加10cm和20cm厚混凝土，同時(shí)新增設(shè)15道橫系梁。使得該橋加固后拱肋截面寬70cm，高90cm。
3.2.3、加固效果評(píng)價(jià)
采取加大截面加固雙曲拱橋，其施工工期相對(duì)較短，且僅需要短時(shí)間阻斷交通，對(duì)社會(huì)效益影響較小，加固后，該雙曲拱橋橋跨結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較大的剛度和強(qiáng)度，符合目前結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，其承載能力和工作性達(dá)到了整治加固的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，目前運(yùn)營(yíng)良好。
圖4 加固后橋梁概貌
3.3、某鋼管混凝土拱橋加固
3.3.1、橋梁概況
某拱橋?yàn)?×120m中承式鋼管混凝土拱橋，橋梁總寬為13.1m，行車道凈寬為9m。其主拱圈采用啞鈴型斷面，總高度為2.1m，上、下弦管采用Φ820×12mmA3鋼板卷制，腹板采用16Mn鋼板，每孔橋面以上共設(shè)有5道“一”字形橫撐，橋面以下設(shè)“K”型風(fēng)構(gòu)，鋼管規(guī)格均為Φ630×8mm。吊桿由110Φ5mm高強(qiáng)碳素鋼絲組成，并采用玻璃絲布和鋼絲網(wǎng)水泥漿進(jìn)行雙層防護(hù)。其橋面系為簡(jiǎn)支體系，主要由吊桿橫梁和行車道T梁組成。該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)，掛車-100。
2002年11月，通過對(duì)該橋的檢查與檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋主要存在以下病害：
1、橋面下?lián)陷^為嚴(yán)重，最大撓度達(dá)27cm,撓跨比達(dá)1/444，結(jié)構(gòu)屬不良狀態(tài)；
2、上、下游主拱圈同時(shí)向上游方向發(fā)生側(cè)偏，最大側(cè)向偏移達(dá)13cm，約為跨度的1/1000，已超過質(zhì)檢評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的允許值；
3、吊桿采用鋼絲網(wǎng)護(hù)套，其水密性及氣密性均難以保證，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，其護(hù)套已多處開裂或破損，內(nèi)部鋼絲銹蝕較為嚴(yán)重；
4、主拱圈鋼管內(nèi)多處存在不密實(shí)區(qū)域，部分程度上降低了橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力；
5、吊桿橫梁存在較多的豎向裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.3mm，橫梁端部吊桿區(qū)的箍筋在施工過程中被截?cái)啵瑖?yán)重降低了橫梁的抗剪能力。
3.3.2、主要加固方法
1、鋼管混凝土拱肋
由于拱肋管內(nèi)混凝土不密實(shí)，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力及安全系數(shù)，因此對(duì)拱肋鋼管采取了壓漿的處理措施。為了達(dá)到較好的壓漿效果，壓漿材料采用環(huán)氧樹脂漿液，壓漿前采用人工敲擊的方法確定出不密實(shí)區(qū)域的范圍并用粉筆現(xiàn)場(chǎng)予以標(biāo)記，然后根據(jù)不密實(shí)區(qū)域范圍的大小開設(shè)一定數(shù)量的壓漿孔。壓漿時(shí)由低處向高處壓注，壓漿壓力為0.2MPa左右。
2、吊桿
原橋吊桿加固后更換為某低應(yīng)力防腐新索體，采用全防水設(shè)計(jì)及鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，涂油并外包裹兩層PE護(hù)套；橫梁端為張拉端，拱肋端為固定端，采用鐓頭錨錨固。
3、橋面結(jié)構(gòu)
主橋橋面系為簡(jiǎn)支體系，吊橫梁，縱置行車道T梁，T梁高度50厘米。對(duì)橫梁采取了粘貼鋼板及加大吊桿附近截面的方法進(jìn)行加固。為了避免結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的進(jìn)一步銹蝕和裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，首先對(duì)橫梁的裂縫進(jìn)行了灌漿封閉處理，然后再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。
4、橫系梁及風(fēng)構(gòu)
考慮到該橋拱肋存在較大的同方向側(cè)偏，且其抗推覆穩(wěn)定系數(shù)較低，同時(shí)，原有的“一”字形橫撐只與腹板進(jìn)行了焊接連接，抗形變能力較弱。本次加固對(duì)鋼管拱肋增設(shè)了K型支撐，以加強(qiáng)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，即在原有“一”字形橫撐的基礎(chǔ)上增加斜45度風(fēng)構(gòu)，新增風(fēng)構(gòu)的鋼管型號(hào)為Φ500×8mm，分別與原有拱肋的上、下弦鋼管相連。
3.3.3、加固效果評(píng)價(jià)
本橋通過實(shí)施以上有針對(duì)性的加固，其通行能力和行車條件都得到大幅提高。加固完成至今已運(yùn)營(yíng)近五年，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。
四、結(jié)語(yǔ)
近十年來，我國(guó)西部地區(qū)公路交通事業(yè)發(fā)展迅猛，隨著數(shù)量眾多的拱橋使用年限的增長(zhǎng)，在今后一段時(shí)期，拱橋加固任務(wù)將十分繁重。本文介紹的方法能指導(dǎo)一般拱橋常見病害的維修加固。工程實(shí)踐中，如何實(shí)地分析拱橋病害及其產(chǎn)生的原因，綜合采用具有針對(duì)性的各種合理加固措施，恢復(fù)拱橋的承載能力和使用性能，仍需廣大工程技術(shù)人員進(jìn)一步總結(jié)研究。
