加固技术在中小跨径石拱桥中的应用方法研究

郝景宏

恩施州交通规划设计有限公司，湖北恩施 445000

近年来，国省道干线和农村公路上的石拱桥不同程度出现了病害，主要是因为原设计荷载等级偏低，重交通不断地发展。这些桥梁存在较大的安全隐患，而石拱桥加固技术，应运而生。本文首先分析了这类石拱桥病害产生的机理，综述了石拱桥加固的常见方法，以“增大截面”套拱加固法为典型，阐述了加固过程中的技术要点。

1 病害成因机理及主要整治措施

石拱桥主要是圬工结构，其强度、刚度与稳定性主要受砌缝影响。石拱桥的病害，与砌缝息息相关。各类石拱桥的主要病害有[1-2]：砌体砂浆脱落严重、渗水析白；砌石破损；主拱拱腹渗水、泛碱等。

病害成因机理为：石拱圈、桥台砌体砂浆脱落严重、渗水析白。该类型病害是石拱桥的通病，主要原因是由于建设条件（如资金、修建工艺等）的限制，采用的砂浆强度较低且砌缝砂浆不饱满，经过几十年的风雨侵蚀、活载震动，导致砌缝砂浆逐渐掉落。又因拱腔填料土质较差，缺乏防、排水措施，桥面雨水渗入拱腔内，沿拱体砌缝渗漏，在拱底形成渗水、结晶析白的现象。

砌石破损：修建年代较长，石料长时间暴露在潮湿的空气中或者石料被风化。

主拱拱腹渗水、泛碱：桥面防排水系统失效，雨天桥面经常积水，桥面铺装层加铺未设计桥面排水系统，或排水孔堵塞，雨水从桥面破损处渗入填料，然后从主拱圈排出。

设计中应“对症下药”，一般主要整治措施为：

（1）封闭或压力灌注全桥裂缝；

（2）M10砂浆修复主拱圈灰缝脱落、砌石破损，并对全桥砌体进行压浆处治；

（3）封闭主拱、腹拱裂缝，增大截面法加固主拱圈和桥台前墙；

（4）凿除桥面铺装，防撞栏杆；

（5）拆除拱上侧墙并挖除填料，用C20混凝土进行浇筑；

（6）凿除桥台上部混凝土和填料，用C20混凝土浇筑拆除部分桥台侧墙，并回填碎石；

（7）完善桥面排水系统，修建检修梯道。

2 石拱桥加固方法概述

石拱桥主要加固方法有[3-4]：（1）“套拱加固”增大截面法，即在原有主拱圈拱腹下部或上部增设新拱圈加固法。此法可以通过浇筑钢筋砼或喷射砼实现。（2）改变体系加固法。（3）粘贴钢板加固法。（4）通过改善原主拱圈受力状况，使内力重分配来减小控制截面弯矩的“释能法”等。中小跨径石拱桥采用套拱加固居多，加固效果比较显著。

3 套拱加固技术要点

3.1 套拱前的准备

搭设支架，凿除拱圈腹面、桥台前墙及桥墩表面的剥落、松散、风化表层，并清洗孔洞及表面，应保证纵缝处压浆浆体已经终凝，浇筑套拱混凝土前应充分湿润原拱圈及桥台前墙腹面。

主要技术要点有：第一，支架实施预压，浇筑混凝土时逐步卸载以消除支架变形的影响。由于拱顶空间有限，建议采用反挂沙袋预压。总预压量可取为混凝土重量的1.1倍；第二，拱顶段预留压浆孔，待浇筑混凝土强度达到70%以上时，再高压注入水泥胶浆。第三，套拱前，宜封闭桥面交通，然后利用人工将原拱圈砌石表面松散的砌体凿除，凿除过程中不能损伤原主拱圈结构，最后再利用高压水将砌石表面冲洗干净。

3.2 砌缝修补处理

按照公路桥梁加固施工技术规范相关规定及要求，对破损、脱落砌缝采用M10砂浆进行修补，要求修补后内部密实，表面平整；所用M10砂浆应具有较低的膨胀系数、收缩率和放热温度，并且还应具有较高的粘结力、硬度及抗冲击性能，M10砂浆的配合比根据试验确定，其性能必须满足规范要求；修补区域如处于潮湿状态，应采取措施使修补位置保持干燥，或选用能在潮湿状态下施工的材料，确保修补质量；应根据材料物理化学特性、修补厚度以及气候条件等因素作好养护工作。

3.3 浇筑混凝土施工

表面凿毛清理，裂缝填塞：裂缝处先用钢刷清理干净，再用砂浆勾缝。

预埋连接筋：新旧拱圈连接采用砂浆锚杆连接，锚杆采用钻孔插入；施工工序：钻孔—灌浆—插入钢筋。施工时注意钻孔应分批进行，一批孔钻好后应马上灌浆、插入钢筋，完成整个工序后再进行下一批的钻孔施工。

制作安装钢筋网：钢筋网应固定在连接筋上，钢筋网与连接筋采用点焊固定，以保证浇筑混凝土时钢筋网不发生移位。

立模浇筑混凝土：混凝土采用C40钢筋混凝土，浇筑混凝土时应对称、均衡进行浇注。由于现浇混凝土较薄，施工空间狭小，宜采用桥面钻孔进行浇筑施工，具体布置由施工现场确定，为确保混凝土浇筑质量，建议采用内插式振捣器及外挂式振捣器同时振捣混凝土，必须保证套拱混凝土密实度，待设计强度达到85%才可拆除模板。

混凝土浇注顺序为：浇注桥台前墙加厚层混凝土，待桥台加厚层混凝土达到设计强度后再浇注主拱拱腹加厚层混凝土。

4 案例分析

4.1 计算模型

某国省道上石拱桥全长33.0m，桥面总宽为9.5m，净宽为8.5m，主拱圈厚70cm，拱上填料30cm，原桥面板厚20cm，后加填料40cm；桥梁上部构采用1m×21m圬工拱；桥面铺装为沥青混凝土，两侧设置钢筋混凝土防撞护栏。上部结构为空腹式圬工板拱，下部结构为重力式桥台，扩大基础。主要材料参数见表1，结构计算离散模型见图1。

表1 主要材料参数取值表

图1 结构计算模型

施工方式采用满堂支架整体现浇，根据拱圈的形成按施工阶段、成桥阶段分别计算其内力，分三个阶段：（1）主拱阶段；（2）拱上填料及二期恒载阶段；（3）使用阶段。结构在主拱拱脚处采用固定约束。

4.2 截面折减系数

基于《公路桥梁承载能力检测评定规程》的承载能力折减计算。

该桥已经建成运营多年，桥梁出现了不同程度的病害，降低了桥梁的实际承载能力，桥梁实际承载能力根据检测结构进行合理的折减。

结合桥梁的检测结论，引入桥梁承载能力折减系数（包括承载能力检算系数Z1和承载能力恶化系数ξe），用以评估桥梁实际承载能力相对于原设计承载能力的折减。折减系数如表2所示。

表2 截面折减系数

4.3 荷载

4.3.1 汽车荷载

该道路为省道，桥梁修建年代久远，加固前计算按公路-Ⅱ级计算，加固后根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），省道按公路-Ⅰ级车道荷载计算，并按规定计入冲击系数。

4.3.2 温度荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定，并结合恩施市当地气候条件，结构整体升温为20℃，降温-25℃。

4.4 计算结果

4.4.1 加固前计算结果

经计算，桥梁抗压承载力验算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）的相关要求，但富余量较小，结构存在一定的安全隐患，为了桥梁结构及行车安全，需要及时进行加固处治。

4.4.2 加固前计算结果

经计算，采用增大截面法处治主拱圈，现浇30cm厚钢筋砼加固主拱拱腹后，在最不利荷载组合下主拱圈各主要控制截面承载能力均已大幅提高，满足公路-Ⅰ级（双车道）的荷载等级要求，且结构的富余量提高到了60%，大大提高了桥梁结构的安全性。