石拱桥加固技术及应用实例

杜 欣

(重庆迈瑞城市建设投资有限责任公司， 重庆 400038)

0 引言

拱桥是我国常用的桥梁型式之一。拱是主要承受压力的结构，因此可以充分利用抗拉性能较差而抗压性能较好的圬工材料(石料、混凝土、砖)来建造拱桥[1]。我国石拱桥基本修建于20世纪，经过长时间的运营，已不能满足现行荷载要求，出现了多种类型的病害，部分桥梁存在承载力不足的问题。因此，本文对拱桥病害及其加固方法进行分类分析，为同类病害的处治提供参考。

1 常见病害总结

结合重庆市巴南区(普仁桥、鸭卜凼桥、洪龙桥、高洞塘桥)、武隆区(石桥沟桥)、忠县(红旗桥、元丰一号桥、元丰二号桥)、渝涪高速(长沟中桥)和四川省泸州市(湾滩桥、白马滩桥、铜贯溪桥、苦桥)等13座石拱桥病害的现场勘查情况，将石拱桥病害分成3类。

1.1 上部结构病害

石拱桥的上部结构由主拱圈和拱上建筑构成。

石拱桥主拱圈的常见病害包括：拱圈砌缝开裂、砌缝脱落、块石风化、块石破损脱落、块石错动、渗水泛白等。主拱圈的主要病害如图1、图2所示。

图1 主拱圈风化、松动、破损

图2 主拱圈纵向裂缝

石拱桥拱上建筑常见的病害包括：腹拱圈开裂、腹拱圈砌缝脱空、块石风化、腹拱圈渗水泛白长草等。拱上建筑的主要病害如图3、图4所示。

图3 腹拱圈根部开裂

图4 腹拱与侧墙间裂缝

主拱圈是上部结构最主要的承重结构，将其病害分为裂缝、块石风化和渗水3类进行统计，结果见表1。由表1可知，拱桥病害中主拱圈的裂缝、块石风化及渗水的占比都在50%以上。

表1 主拱圈病害统计表序号桥梁名称裂缝块石风化渗水1普仁桥开裂严重块石风化及表面脱落、错动渗水泛白2鸭卜凼桥根部竖向裂缝无无3洪龙桥纵向裂缝块石松动、破碎水渍、盐析4高洞塘桥无无水渍、盐析5石桥沟桥砌缝不饱满无渗水6红旗桥无块石风化渗水7元丰一号桥砌缝脱落块石风化无8元丰二号桥无块石风化无9长沟中桥无无渗水泛白10湾滩桥纵向裂缝、砌缝脱落块石风化无11白马滩桥纵向裂缝无渗水12铜贯溪桥主拱与侧墙间裂缝块石风化渗水泛白13苦桥纵向裂缝、砌缝脱落无渗水严重 同种病害 桥梁数量979 占比69%54%69%

1.2 下部结构病害

石拱桥的下部结构由桥墩、桥台和基础构成。

下部结构常见病害包括：桥台前墙竖向裂缝、侧墙开裂、侧墙砌缝脱落、墩台条石风化、墩台渗水泛白等，如图5和图6所示。

图5 桥台前墙竖向裂缝

图6 桥台前墙渗水

1.3 桥面系病害

桥面系主要包括桥面铺装、护栏、人行道等。

桥面系常见病害包括：桥面铺装开裂破损、护栏条石破损缺失、桥台与路堤结合处未接顺引起跳车等，如图7和图8所示。

图7 桥面铺装开裂

图8 护栏条石破损缺失

2 主要病害原因分析及加固方法

结合石拱桥自身的结构特性及现场实际环境，对13座石拱桥主要病害原因及其加固处治方法进行分析：

2.1 主拱圈纵向贯通裂缝

洪龙桥、湾滩桥、白马滩桥和苦桥均出现了主拱圈纵向贯通裂缝，裂缝多沿砌缝开裂，且裂缝延伸至桥台前墙。

病害原因分析：重车长期偏载和块石风化导致强度下降，拱上填料透水性差导致排水不畅，引起主拱圈剪切开裂。纵向裂缝与桥台前墙竖向裂缝连成一体，如有从桥台基础由宽变窄的趋势，则可能是横桥向基础的不均匀沉降导致主拱圈开裂。

加固方法：1)更换拱上填料；2)主拱圈拱腹增设1层钢筋混凝土套拱，以提高承载能力和安全储备，同时防止纵向裂缝继续发展。如果是因为地基沉降造成的，则应对地基进行压浆固化处治。

2.2 主拱圈砌缝脱落

湾滩桥和苦桥出现了主拱圈砌缝脱落。

主拱圈条石间砌缝脱落可能的原因为：在长期车辆荷载冲击下，条石之间相互挤压，砌缝在漫水、浸泡、侵蚀等多种因素影响下松散脱落。

加固方法：对于宽度<2mm的裂缝，采用裂缝封闭胶直接封闭的方法；宽度≥2mm的裂缝，首先采用压力灌注水泥浆，然后用M10砂浆对砌缝进行修补。

2.3 主拱圈(腹拱圈)与侧墙间裂缝

铜贯溪桥出现了主拱圈与侧墙间裂缝，元丰一号桥、元丰二号桥、长沟中桥均出现了腹拱圈与侧墙间裂缝。

病害原因分析：由于侧墙与拱圈受力方向不一致，使两者变形不一致，在长期温度变形和汽车冲击作用下，侧墙和拱圈之间产生沿着砌筑缝开裂的病害。

加固方法：先按照主拱圈砌缝脱落的治理方法进行封闭处理,提高桥梁耐久性；再视病害情节严重情况进行新增套拱加固。

2.4 块石风化破碎

块石风化破碎主要是因为长期温度变化以及水和空气的自然作用产生的。

加固方法：凿除拱圈剥落、松散、风化表层，对掉块、空洞等进行修补，若个别块体压碎或脱落，采用M10砂浆或新的块体进行填塞更换，更换时注意保证嵌挤和填塞紧密。

2.5 桥面铺装开裂破损

重载车辆直接作用在桥面上，桥面在活载的反复作用下产生开裂。白马滩桥面铺装纵向裂缝与主拱圈横向裂缝位置上、下对应，可能是主拱圈裂缝反射造成的。

1)桥面裂缝：对于缝宽在5mm以下的纵、横裂缝，清除缝内杂物及尘土后直接采用流动性较好的热改性沥青灌缝，灌入深度为20mm；对于缝宽在5mm以上的纵、横裂缝，用具有自动跟踪裂缝功能的开槽机扩缝至1.5cm以上，清除槽内杂物和灰尘后采用沥青马蹄脂进行灌缝处理，开槽和灌缝深度为40mm。

2)桥面坑槽处治：将出现坑糟病害的地方在纵、横2个方向进行扩挖处理，各结构层间预留15cm宽的错缝合阶，采用沥青混凝土进行修复，因为接缝边缘需粘封缝胶，所以其上缘应低于路面0.5cm；挖补区域应采用振动压路机或振动平板夯进行压实。

3 加固实例

3.1 武隆区石桥沟桥加固案例

3.1.1工程概况

石桥沟桥地处重庆武隆，位于S204线上，桥位桩号为K63+620，建于1973年。该桥桥拱圈宽7m，行车道宽5m。上部结构为净跨9m的实腹式石拱桥，f0/L0=1/4.3，主拱圈厚50cm，下部结构为重力式U形桥台,如图9所示。

a) 实拍图

b) 立面图

原桥设计主要技术标准： ① 道路等级为四级；② 汽车荷载等级为汽-20级；③ 桥面宽度为7m。

根据《重庆市武隆县省道S204梁彭路石桥沟桥(K334+036)定期检查报告》，石桥沟桥技术状况等级为3类，需要进行中修。另外，由于运营期间车流量和实际通行车辆荷载水平不断增大，业主决定对石桥沟按照三级公路标准进行提载，并将桥面宽度由7.0m拓宽到8.0m。

3.1.2桥梁病害及原因分析

1) 主拱圈砌缝脱落。

主拱圈条石间砌缝脱落、不饱满的原因分析：在长期车辆荷载冲击下，条石之间相互挤压，再加上砌缝自身老化、风化、雨水侵蚀等多种因素导致砌缝松散脱落。

2) 拱上侧墙和桥台侧墙渗水严重。

拱上侧墙及桥台侧墙渗水严重的主要是因为拱上侧墙和桥台侧墙是不规则块石干砌而成的，砌石间无砌缝，桥面无排水设施，施工工艺不规范。

3.1.3加固设计荷载标准及目标

1) 加固设计荷载标准：① 提升道路等级至三级公路；② 提升设计荷载等级至公路-II级；③ 拓宽桥面宽度至0.5m(防撞护栏)+7m(车行道)+0.5m(防撞护栏)。

2) 设计目标： ① 对原桥病害进行处治，提高耐久性；② 对原桥条石间进行勾缝，提高圬工结构整体性；③ 按照三级路标准进行桥面拓宽，重新浇筑新的桥面；④ 新浇筑钢筋混凝土套拱，将大桥设计荷载提升至公路-II级；⑤ 按照规范增设防撞护栏，降低运营风险；⑥ 增设桥面排水，增加耐久性；⑦ 处治其他病害，改善桥梁使用性能和美观。

3.1.4加固设计方法

1) 主拱圈圬工砌体、砌缝脱落处治。

针对主拱圈砌缝脱落、侧墙和桥台前墙圬工砌体未设置勾缝的问题，首先进行修补处治，以提高结构的耐久性。然后按照下列方法进行处治：① 对主拱圈圬工砌体的砌缝脱落，采用环氧砂浆进行修补和重新勾缝；② 对于拱上侧墙和桥台前墙未设置勾缝的圬工砌体，采用水泥砂浆进行勾缝。

2) 圬工砌体表面缺陷修补。

凿除圬工砌体的剥落、松散、风化表层，采用环氧砂浆进行表面修补。若个别圬工砌体压碎或脱落，采用M10砂浆或新的块体进行填塞更换，更换时应保证嵌挤和填塞紧密。砌缝砂浆若发生松散或脱落，应清除松散砌缝后，重新用水泥砂浆进行修补勾缝。

3) 主拱圈增加套拱。

主拱圈拱腹增设1层厚25cm的C40钢筋混凝土或C40微膨胀自密实混凝土套拱，将原桥荷载等级提升至公路-II级。

新增套拱主筋在桐梓岸植入岩层，在后坪岸与拱座钢筋绑扎在一起，因此拱脚边界条件为固结。根据规范[2]，对于无铰拱，计算长度应取0.36倍的拱轴线长度，本桥拱轴线长10.03m，故计算长度为3.61m。主拱圈关键截面采用桥梁博士中的截面设计功能进行偏心受压承载力验算，主拱圈各个关键截面抗压承载力验算情况见表2。

表2 套拱截面强度验算结果验算位置验算工况轴力/kN弯矩/(kN·m)抗压承载力/kN安全系数轴力最大4 323.3339.244.03×1047.98拱脚轴力最小2 655.21-436.526.69×1032.38弯矩最大3 464.70358.561.17×1043.12弯矩最小3 892.30-738.905.66×1031.37轴力最大3 324.24-73.053.31×1048.511/4跨轴力最小1 757.7184.992.23×10410.98弯矩最大2 531.5427.956.48×1032.41弯矩最小2 774.88-163.941.94×1046.05轴力最大3 119.3614.674.27×10411.703/8跨轴力最小1 597.34172.891.11×1046.45弯矩最大2 335.2486.745.07×1032.06弯矩最小2 798.52-187.311.76×1045.47轴力最大3 028.84242.741.53×1044.49拱顶轴力最小1 557.85178.981.03×1046.16弯矩最大2 303.45466.465.22×1032.15弯矩最小2 641.08-143.762.05×1046.74

由表2可知，石桥套拱截面抗压承载力最小安全系数为1.37，轴向力设计值为3892.3kN，抗压承载力为5330kN，其余关键截面强度验算均满足要求。

4) 桥面板设置挑梁加宽。

通过拆除和更换桥面板彻底整治桥面病害，同时通过设置悬臂结构，将桥面宽度由7.0m拓宽到8.0m。按照施工顺序，具体设计方法为：① 拆除原桥桥面护栏及桥面铺装，拆除35cm拱上填料，拆除15cm拱上侧墙；② 拱上填料位置回填20cm的C30素混凝土，高度与侧墙顶平齐；③ 绑扎钢筋后浇筑25cm的C40钢纤维混凝土做实心桥面板，左、右两侧各设置50cm悬臂;④铺设5cm沥青混凝土铺装。

加固前、后的桥面结构层对比图如图10所示。

图10 加固前、后桥面结构对比图(单位： cm)

5) 其他病害处治。

对桥梁拱上侧墙、桥台侧墙用水泥砂浆进行勾缝处治。重新浇筑防撞护栏，重新设置桥面排水，清除原圬工结构物上的植物、建筑垃圾等。

4 结语

本文依托西南地区13座石拱桥的加固设计实践，经桥梁管养单位反馈，维修加固效果明显，有效遏制了病害的发展，截止目前桥梁运行状态良好。