浅议西部地区拱桥常用加固措施
前言
拱结构因其主要承受压力，能使材料强度得到充分发挥，因而可以利用抗拉性能差而抗压性能较好的圬工材料来建造拱桥。拱桥因以其具有就地取材、节省钢材和水泥、构造简单、利于普及、承载潜力大、养护费用少等优点，而成为我国西部地区公路的常用桥型。但是，在我国路网运营中的大量上世纪七、八十年代修建的拱桥，因为各种原因，该类桥梁均出现了不同程度的病害，事故拱桥（如下表1统计）及技术状况等级为四、五类的拱桥数量则更多，其使用和运营状况不容乐观。
表1 近年来我国拱桥垮塌事故统计
注：以上数据不含5.12汶川地震损毁桥梁
可见，通过科学合理的措施，恢复或提高西部地区尤其是经济不发达地区数量众多的拱桥的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，满足现代化交通运输和西部大开发的需要，是非常迫切和具有重要现实意义的。
图1 近年来我国部分拱桥垮塌事故图片
实践证明，针对病害桥梁，在桥梁运营管理中，实施详实的桥梁检测，认真分析桥梁病害产生的原因，科学制定加固方案，并根据设计目的和材料特性采用合理的施工方案加以实施，能最终达到维修桥梁病害及避免安全事故发生的目的。
一、西部地区拱桥常见病害及原因分析
西部地区，高速公路路网密度较低，国省干线上的大量拱桥，承担着繁重的运营压力。因此在长期高负荷的运营过程中，由该类桥梁在多种环境因素、材料劣化、荷载（恒载或活载）变异等因素的反复作用下，不可避免的会产生各种各样的病害，具体分析如下。
1.1、西部地区拱桥常见病害概述
调研归纳西部地区多座运营中的拱桥，其各种常见的结构性病害主要表现为以下三类：
1、拱顶下沉、拱轴线变形、拱圈承载能力下降；
2、主拱圈开裂；
3、拱上建筑损坏。
1.2、常见病害产生的原因分析概述
引起拱桥各种病害的原因很多，本文针对西部环境及运营现状，并汇总常见原因，主要有以下几方面：
1、超限超载车辆长期作用于老旧拱桥；
2、拱脚或墩台不均匀位移引起拱圈或横向联系破坏；
3、材料强度不足，引起拱肋或拱圈承载能力不足；
4、横向联系不足，引起拱桥失稳；
5、冲刷造成拱桥基础破坏；
6、风化、有害气体侵蚀等造成拱桥耐久性损伤；
7、桥面及拱上填料排水不畅造成拱上建筑损坏。
二、拱桥加固的常用方法探讨
根据以上原因分析，结构西部地区实际情况，通过在工程实践中的总结，西部地区拱桥加固应本着以下原则实施：
A、设计科学合理，经济环保；
B、尽量不增加结构自重，不对拱圈等主要承重构件造成损伤；
C、加固后桥梁能满足运营荷载的使用要求，并有一定的安全储备；
D、施工简便、快捷，加固施工过程对交通影响减至最小；
E、加固后桥梁耐久性强、养护方便。
鉴于以上原则，当拱桥承载能力、稳定性、整体性、耐久性不足时，可选择以下方式，对西部广大国省干线上的在役拱桥进行加固。
2.1、增大拱圈截面加固
增大截面加固法是采用同种材料——钢筋混凝土，来增大原混凝土结构的截面面积和配筋，以达到提高构件的截面承载力、刚度、稳定性和抗裂性的目的，也可用来修补裂缝等。可适用于桁架拱、刚架拱以及双曲拱桥的加固。在增大截面之前首先应对原拱肋进行缺陷修补以及结合面凿毛，露出粗骨料，然后在拱肋植入钢筋，并架设纵横向受力主筋，再浇筑外包混凝土并养生。
针对西部老旧的石拱桥，应用较多的是钢筋混凝土套箍封闭主拱圈技术对主拱圈进行加固，提高原桥的受力整体性和承载力，增强结构的整体耐久性能。采用套拱加固法加固圬工拱桥，既可采用整体截面，也可采用肋式截面。其显著的作用是有效地加厚了原拱圈截面和增强了原拱圈的横向联系，既增强了主拱圈的承载能力，又有效地封闭和处理了原主拱圈的纵、横向裂缝等病害，同时也防止其进一步风化。
针对圬工拱桥，还可采用锚喷混凝土加固拱圈。利用锚入原主拱圈内的锚杆挂设钢筋网，再施喷加入适量速凝剂的混凝土至结构面层，直至形成复合主拱圈，并与原主拱圈共同协调变形，分担部分活载，从而达到提高桥梁承载力的目的。
2.2、粘贴高强材料加固
粘贴高强材料加固，主要指粘贴钢板或粘贴纤维复合材料加固拱圈或拱上建筑。
粘贴钢板主要采取在拱肋混凝土表面用锚栓和灌浆材料粘贴钢板，用锚固螺杆将钢板与主梁混凝土固定来达到局部加固的目的。粘贴钢板加固技术具有施工控制性好，工艺成熟，材料易购，施工速度快等优点，比较适合实际工程的应用。
粘贴FRP片材法与钢板粘贴加强法基本原理是一致的，均是将其增强材料粘贴在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使之与结构形成整体，用以代替需增设的补强钢筋，提高梁的承载能力，达到补强的目的。
2.3、外包钢板内注自密实混凝土加固
自密实混凝土即自流平混凝土，是在低水胶比下，能不经振捣靠自身的重力作用自流平自密实并充满模板和包裹钢筋，在施工中对模板体系的强度和稳定性提出了更高的高求，因此常与牢固性、密封性更好的钢模板配合使用，形成“钢板混凝土结构”。其工艺在于：拱肋表面清理、凿毛后在原结构表面植筋并布置受力钢筋，安装钢模板并焊接，后浇筑自密实混凝土。此种方法多用于T梁等梁肋补强加固，目前拱桥结构也经常采用这种方法。
2.4、增加横向联系加固
肋式拱桥或双曲拱桥中横系梁或横隔板具有增强肋拱横向整体稳定行的作用，还可以起到横向分布荷载的作用，要求具有足够的刚度及强度。但是经过长期的荷载反作用，往往横向联系构造会先于主拱肋出现各类病害，尤其是早年修建的双曲拱桥，其横向联系的刚度更加薄弱。此时即使主拱肋还未产生较为严重的病害，结构也会因横向整体性变差而造成整体承载能力的下降。因此必须采用有效措施对结构的横向联系进行增加补强，以恢复结构设计受力模式。一般采用增大原横系梁或新增横隔板两种方式，该方法已成为该类桥梁补强加固的重要技术措施之一，可与其他加固方式共同实施。
横系梁的主筋尽可能通长设置，当在底面加大拱肋截面时，可使横系梁的底面与拱肋同高，能方便布置通长钢筋可靠连接，以保证整体性。
2.5、拱上填料换填加固
很多已建成多年的拱桥，特别是圬工拱桥，通常采用的拱上填料厚度较大，对于这类拱桥的计算分析中，恒载往往占有很大的比例，主拱圈大部分承载能力需用于承担恒载自重。随着车辆荷载的不算增加，极易超过桥梁的承载能力范围，造成主拱圈的开裂，发展成为病险桥梁。拱上填料换填为轻质材料，不仅可以通过调整拱上恒载的方式来调整压力线，使主拱圈的压力线与拱轴线尽可能的接近，减小拱内弯矩内力，当桥梁承受活载的能力下降以及桥梁基础承载能力受到限制，不能满足加固拱圈和提高活载所增加的承载能力要求时，还可采用减轻拱上建筑自重的方法对拱桥进行改造，降低对下部结构的要求，同时，也可减轻主拱圈的负担，是一种经济有效的措施。
2.6、调整拱轴线加固
由于拱的受力与拱轴线的变化很大，对于拱圈变形过大的拱桥，实际拱轴线往往与压力线偏差较大，而产生各种不同病害。这种情况下，若单独采用截面补强、缺陷修补、局部加强等方式进行加固，已不能有效的改善拱圈的受力状况。于是需要对拱轴线和压力线进行调整，使其尽量吻合，改善拱圈的受力状态，才能切实从根本上解决拱桥病害现状，切实起到改造加固的作用。特别需要注意的是，拱圈的受力是与拱上恒载的分布和拱轴线形状有着密切的关系，如果需要调整拱上填料厚度或者加强桥面来调整拱轴线时，必须对拱圈的受力进行详细的计算分析，确定合理的方案，不可盲目增加自重。
2.7、钢管混凝土拱桥管内压浆加固
钢管混凝土的组合最大的特性就是钢管和混凝土的套箍效应，当钢管混凝土拱肋中发现有多处或大面积的不密实情况时，钢管与核心混凝土之间会发生内力重分布，从而大大降低该构件的承压能力以及稳定性，为结构的正常运营埋下了安全隐患。对于此类病害即可采用管内压浆的方式对拱肋进行加固，恢复结构承载能力。
修补空洞一般采用聚合物混凝土，修补脱空缝隙则采用压力注浆的方法，常用改性环氧胶粘剂。为了灌注混凝土，应在钢管上钻孔，若孔径较大，可用钢板补焊，焊接时应减少对原结构的损伤。孔径较小时用灌注胶液抹平即可。
2.8、更换吊杆加固
当拱桥主体结构尚好，但是其部分主要受力构件诸如吊杆或系杆等均会因为疲劳荷载或其他原因而产生较为严重的病害，局部构件承载能力已不能满足正常运营要求时，可采用更换或者增强这些构件的方法对结构进行加固。
吊杆及系杆更换适用于中、下承式拱桥。吊杆在解除和张拉过程中，桥梁各部分的应力有一个逐步变化的过程，一般采用分级张拉使荷载转换平稳，如不分级张拉，容易产生应力集中，导致桥梁结构发生损坏。吊杆多采用成品索，吊杆更换多以桥面高程控制变形。
2.9、改变结构体系加固
在许可条件下可采用调整拱上自重的分布，改善拱圈受力，达到加固的目的，即改变拱桥结构体系的方法。目前常将空腹式双曲拱桥的拱式腹拱及拱顶实腹段等拱上建筑拆除后，重建为连续板式拱式建筑，从而达到减轻恒载、调整主拱圈受力状态，以及改善桥梁荷载横向分布性能，提高桥梁承载能力之目的。此加固方法应谨慎实施。
三
、工程实例
3.1、某石拱桥加固
3.1.1、桥梁概况
某石拱桥系1孔16m的浆砌片石拱桥，运营多年，养护中已发现部分病害，且因临近一级路改建，需通过密集的施工重车，亟待加固补强。根据相关检测报告，该桥主要结构病害主要为拱圈斜纵向贯穿开裂。裂缝宽10～15mm，延伸至基础；且拱圈有多条横向裂缝，所有裂缝严重渗水。
图2 1-16m浆砌片石拱桥桥梁概貌
3.1.2、主要加固方法
1、拱圈加固：
针对该桥拱圈斜纵向开裂这一主要病害，制定了套背拱圈的加固方案。
（1）开V型槽，压力灌浆，修补裂缝，提高拱圈整体性。
（2）套拱加固法：在原有桥墩台结构进行改造后，在原主拱圈腹面下增设一层新拱圈，紧贴原拱圈底面，浇注新拱圈，共同承担上部荷载。为保证混凝土质量，浇筑混凝土时应采用自密实免震捣混凝土，具体方法如下图。
2、基础补强：采用基础压浆的方式对基础进行补强。
图3 套拱加固法示意图
3.1.3、加固效果评价
该桥目前已通过竣工验收，加固后的该拱桥在重载施工车辆的密集通行情况下，未发现新增机构病害，加固后运营状况良好。
3.2、某双曲拱桥加固
3.2.1、桥梁概况
某双曲拱桥建成时间为1973年，公路等级三级，设计荷载等级为汽-15级、挂—80。桥梁全长86m，桥下净空30m，跨径组成1×60米。桥面宽8.7米，两侧护栏各宽0.5米，采用沥青混凝土桥面铺装。桥梁下部结构采用重力式桥台。
拱圈拱顶处拱肋出现横向裂缝，缝宽0.3mm，拱波渗水，腹拱拱圈有渗水、裂缝等现象。造成该桥病害的主要原因：
1、早期桥梁设计荷载标准较低， 只为汽-l5级。不能承受目前较多的大吨位车辆通行。
2、由拱肋、拱波、拱板先后组合成的主拱圈整体性差，刚度较弱。
3.2.2、主要加固方法
由于该双曲拱桥渗水病害较为严重，且在渗水作用下，原结构内部钢筋可能已经锈蚀，结构的受力断面在很大程度上得到了削弱。故对削弱的主拱圈应采用在拱肋外包混凝土并新增横隔板的方法进行加固补强。经验算分析，确定本桥加固方案为在原拱肋侧面及底面各增加10cm和20cm厚混凝土，同时新增设15道横系梁。使得该桥加固后拱肋截面宽70cm，高90cm。
3.2.3、加固效果评价
采取加大截面加固双曲拱桥，其施工工期相对较短，且仅需要短时间阻断交通，对社会效益影响较小，加固后，该双曲拱桥桥跨结构表现出较大的刚度和强度，符合目前结构受力特点，其承载能力和工作性达到了整治加固的设计标准和使用要求，目前运营良好。
图4 加固后桥梁概貌
3.3、某钢管混凝土拱桥加固
3.3.1、桥梁概况
某拱桥为2×120m中承式钢管混凝土拱桥，桥梁总宽为13.1m，行车道净宽为9m。其主拱圈采用哑铃型断面，总高度为2.1m，上、下弦管采用Φ820×12mmA3钢板卷制，腹板采用16Mn钢板，每孔桥面以上共设有5道“一”字形横撑，桥面以下设“K”型风构，钢管规格均为Φ630×8mm。吊杆由110Φ5mm高强碳素钢丝组成，并采用玻璃丝布和钢丝网水泥浆进行双层防护。其桥面系为简支体系，主要由吊杆横梁和行车道T梁组成。该桥设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100。
2002年11月，通过对该桥的检查与检测，发现该桥主要存在以下病害：
1、桥面下挠较为严重，最大挠度达27cm,挠跨比达1/444，结构属不良状态；
2、上、下游主拱圈同时向上游方向发生侧偏，最大侧向偏移达13cm，约为跨度的1/1000，已超过质检评定标准的允许值；
3、吊杆采用钢丝网护套，其水密性及气密性均难以保证，不满足现行规范要求，经现场检查，其护套已多处开裂或破损，内部钢丝锈蚀较为严重；
4、主拱圈钢管内多处存在不密实区域，部分程度上降低了桥跨结构的承载能力；
5、吊杆横梁存在较多的竖向裂缝，最大裂缝宽度达0.3mm，横梁端部吊杆区的箍筋在施工过程中被截断，严重降低了横梁的抗剪能力。
3.3.2、主要加固方法
1、钢管混凝土拱肋
由于拱肋管内混凝土不密实，降低了结构的承载能力及安全系数，因此对拱肋钢管采取了压浆的处理措施。为了达到较好的压浆效果，压浆材料采用环氧树脂浆液，压浆前采用人工敲击的方法确定出不密实区域的范围并用粉笔现场予以标记，然后根据不密实区域范围的大小开设一定数量的压浆孔。压浆时由低处向高处压注，压浆压力为0.2MPa左右。
2、吊杆
原桥吊杆加固后更换为某低应力防腐新索体，采用全防水设计及镀锌高强钢丝，涂油并外包裹两层PE护套；横梁端为张拉端，拱肋端为固定端，采用镦头锚锚固。
3、桥面结构
主桥桥面系为简支体系，吊横梁，纵置行车道T梁，T梁高度50厘米。对横梁采取了粘贴钢板及加大吊杆附近截面的方法进行加固。为了避免结构内部钢筋的进一步锈蚀和裂缝的进一步发展，首先对横梁的裂缝进行了灌浆封闭处理，然后再进行补强加固。
4、横系梁及风构
考虑到该桥拱肋存在较大的同方向侧偏，且其抗推覆稳定系数较低，同时，原有的“一”字形横撑只与腹板进行了焊接连接，抗形变能力较弱。本次加固对钢管拱肋增设了K型支撑，以加强桥跨结构的横向稳定性，即在原有“一”字形横撑的基础上增加斜45度风构，新增风构的钢管型号为Φ500×8mm，分别与原有拱肋的上、下弦钢管相连。
3.3.3、加固效果评价
本桥通过实施以上有针对性的加固，其通行能力和行车条件都得到大幅提高。加固完成至今已运营近五年，整个桥梁结构处于良好的工作状态。
四、结语
近十年来，我国西部地区公路交通事业发展迅猛，随着数量众多的拱桥使用年限的增长，在今后一段时期，拱桥加固任务将十分繁重。本文介绍的方法能指导一般拱桥常见病害的维修加固。工程实践中，如何实地分析拱桥病害及其产生的原因，综合采用具有针对性的各种合理加固措施，恢复拱桥的承载能力和使用性能，仍需广大工程技术人员进一步总结研究。
建筑资质代办咨询热线：13198516101
咨询热线：13198516101 
