石拱桥常见病害与加固技术探析

石拱桥常见病害与加固技术探析

摘要：石拱桥具有因地制宜、就地取材、造价低、桥型雄伟壮观的优点。但石拱桥运行过程中经常出现一些病害，给养护带来一定困难，甚至影响桥梁的安全。本文分析了石拱桥常见的病害及形成的原因，然后详细阐述了石拱桥常见病害的加固措施。

关键词：石拱桥；病害；加固；腹拱圈；开裂

石拱桥常见病害及成因

（一）主拱圈开裂

主拱圈开裂严重影响桥梁的安全，主要有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。造成主拱圈横向开裂的主要原因:

1、主拱圈厚度太薄或材料强度不够

石拱桥主拱圈内力分析表明，拱顶正弯矩最大，拱脚负弯矩最大，拱顶、拱脚为设计控制截面，若截面抗力小于设计荷载内力，将造成拱顶下部或拱脚上部开裂。

2、基础沉陷，墩台移动

石拱桥多按无铰拱设计，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相当大。如某桥为3～20 m石拱桥，因洪水冲空侧边孔桥墩基础，使墩台下沉引起拱圈严重开裂，最大缝宽2～3cm，同时造成其他二孔损坏。

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，而主拱圈设计采用平置，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。

（二）腹拱圈开裂

腹拱圈开裂最严重且普遍，是石拱桥最主要的病害。主要原因:

1、如果腹拱太坦，就会产生较大的腹拱推力，而施工质量较差，则不能满足设计要求。如某桥采用1～50m的石砌板肋拱，腹拱矢跨比为1/15，腹拱圈设计为块石砌筑，但施工时多采用片石砌筑，因拱圈较薄，甚至还采用了小片石，造成腹拱圈开裂，裂缝最宽达5mm，且沿横桥向贯通，严重威胁桥梁的安全。

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。

（三）桥面破损

桥面破损影响行车安全，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。

（四）基础沉降或走动变形

多孔石拱桥中，中间墩桥台若有不均匀沉降可导致石拱损坏，拱圈产生倾斜、扭曲和开裂，若拱桥桥台发生纵横向走动移位，则侧墙会发生剪切位移。拱跨会发生变化，从而在结构中产生二次内力，导致石拱桥损坏。

石拱桥的加固技术措施

（一）双曲拱桥综合加固技术

1、顶推复位加固法

对于修建在软土地基或基底处理不当的双曲拱桥，往往发生桥台位移而影响上部结构的正常使用，此时可采用顶推法来消除由于桥台位移引起的病害（其他拱式体系也可采用此法）。它的基本方法是在一端桥台的拱脚处安装顶推装置，将拱肋自拱脚向跨中方向顶推，使两拱脚间已发生的相对位移减小以至完全消除，减轻或消除因桥台位移对上部结构产生的危害，同时也调整了上部结构的内力。在顶推前，需对顶推的力度和需要恢复的位移量进行计算，在顶推过程中需要对拱顶挠度等进行观测和控制。

2、改变结构体系加固法

改变结构体系加固法适用于拱上建筑破坏严重而主拱圈质量尚好的双曲拱桥，通过改变结构体系恢复或提高结构的承载能力。这种改变结构体系的方法一般是将原拱上建筑拆除，以原主拱圈作为下弦杆，增设腹杆及上弦杆后将原双曲拱桥改造为桁架拱桥，腹杆一般采取三角形，以减少下节点。这样一方面改变主拱圈的受力体系，另一方面采用轻型拱上建筑而减轻其自重，从而改善桥梁的受力条件。采用此法加固双曲拱桥时，必须要特别注意拆除拱上构造的顺序，保证拱上受力平衡，防止倒塌。

（二）优化构造，消除质量隐患

1、材料的优化

采用小石子砼筑砌拱圈，降低施工难度。主拱圈设计多采用10号或12.5号水泥砂浆砌筑石料，根据我国水泥生产情况，325号水泥很少出产，10号或12.5号水泥砂浆只能采用425号水泥配制，因水泥含量少造成砂浆和易性与流动性差，捣实困难，难以保证砌筑质量。如改用15~20号小石子砼砌筑，质量容易保证。

2、优化拱上结构

（1）梁式拱上建筑因拱上结构采用钢筋砼，拱上建筑的病害比拱式拱上建筑要少得多。

（2）全空式拱上构造值得推广。全空式拱上构造主拱顶无实腹段，腹拱采用变截面，增大了其抗推刚度，采用薄立墙，减少了立墙刚度。荷载推力H按刚度分配，绝大部分推力由邻孔传到两岸桥台和主拱顶上，高而窄的立墙因刚度小，所分配的H也很小，立墙可近似按压杆状态计算，且使拱上结构适应主拱圈的变形能力大大提高。

（3）采用刚性填料，减少桥面病害。砂砾或碎石填料在荷载作用下因“拱”容易造成不均匀压缩变形，使桥面开裂，填料积水使其强度降低，进而加剧桥面的破坏。采用刚性填料，可克服柔性填料的弱点。拱式拱上结构的石拱桥腹拱圈采用刚性填料，辅以桥面铺装15～20cm厚的砼或钢筋砼，同时通过在立墙处砌缝或预设小变形缝这种化整为零的形式来取消桥头伸缩缝，效果很好。无论采用砼还是钢筋砼桥面铺装，都宜在变形缝处设置传力构造，防止桥面铺装在变形缝处破坏。

（三）改善防水措施

防水砼防水效果好，耐久性强。在刚性填料上铺设一层5~10 cm厚的小石子