石拱桥上部结构加固技术研究

周林聪，郑一峰，赵洪波，刘凤敏

(1.吉林大学 建设工程学院，长春 130026;2.吉林交通职业技术学校，长春 130012)

石拱桥是砌体结构，具有因地制宜、就地取材、造价低、桥型雄伟壮观的优点，是我国早期桥梁的主要结构形式。由于受当时生产力水平的限制，这些石拱桥或因设计荷载标准低，或年久失修，正逐步成为危桥，急需加固修复。因此本文分析石拱桥上部结构的常见损伤病害及其原因，总结国内外常用的石拱桥加固技术，并分析其优缺点，为石拱桥的维修加固提供参考。

1 石拱桥上部结构常见病害及成因

1.1 主拱圈开裂

主拱圈开裂是石拱桥最常见的病害，主要有主拱圈顺桥向、横桥向或斜向开裂。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为主拱圈厚度太薄或材料强度不够、基础沉陷、墩台移动、拱圈受力不对称或设计施工不当［1］。这种开裂严重影响到桥梁的安全。

1.2 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。主要原因可归结为:腹拱推力过大，施工质量较差产生裂缝;铰缝处理不当造成铰石破坏而开裂;拱与拱上建筑的联合作用而影响拱上建筑内力［1］。

1.3 拱圈分条倒塌

多发生于并列砌筑的石拱桥，主要是荷载作用下主拱圈受到过大的横向力作用，导致石拱桥外圈外鼓，圈缝扩大［2］。

1.4 石料风化

因拱桥所处环境中空气污染严重，各种有害气体、污水长期侵害、腐蚀拱石或寒区冻融导致桥体石料风化，致使拱石强度、耐久性等削弱［3］。

2 石拱桥加固改造技术

2.1 常用石拱桥加固改造技术

1)裂缝灌浆加固技术

灌浆加固技术是一种专门针对裂缝处理的技术。它是指施加一定的压力，将某种浆液灌入结构或构件内部裂缝中。该方法能够有效地封闭裂缝、提高主拱圈的整体性、恢复并提高结构耐久性和抗渗性能。在石拱桥加固中，一般用于块石砌筑砂浆不饱满、砂浆强度低、需提高整体性的拱圈［3］。

灌浆加固法具有节省投资和时间、施工方便、效率高、一般不影响正常交通等优点。采用注浆技术可同时加固桥体及持力层，提高桥台的结构强度及持力层承载力。但该方法提高石拱桥承载能力幅度有限;对裂缝开展严重的拱桥具有局限性。一般和其它加固方法混合使用，提高加固效果。

2)锚喷混凝土加固技术

锚喷混凝土技术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，充分发挥原结构作用，共同承担外荷载产生的各种效应，从而达到提高桥梁承载力的目的［4］。

锚喷混凝土加固技术是一种简单、实用、便捷的加固方法。和现浇混凝土加固桥梁相比具有大量节省模板、施工工期短、占用空间小、作业方便、不影响交通等优点。但存在施工复杂，后期强度低，耐久性差的缺点。新旧结构层的结合、喷射混凝土厚度等因素对结构极限承载力的影响需要进一步研究验证。

3)粘贴加固技术

粘贴加固技术是指采用环氧砂浆或建筑结构胶将钢板、玻璃纤维布(玻璃钢)、碳纤维布、芳纶纤维布等高强材料粘贴在主拱圈表面，提高主拱圈的强度，减少裂缝扩展，提高桥梁的承载力。根据粘贴材料的不同，分为粘贴钢板技术、粘贴碳纤维布等技术。

粘贴钢板加固法一般是将钢板用环氧树脂或建筑结构胶将钢板粘贴在结构受拉部位的表面，使之与结构形成整体，共同受力。充分发挥圬工材料的抗压性能和钢材的抗拉性能，从而提高桥梁抗弯、抗剪能力，还可阻止桥梁裂缝的产生和发展［5］。

近几年也有采用粘贴技术，将高强度、高弹性模量、可塑性强的碳纤维布和芳纶纤维布等新材料粘贴于需加固的结构表面的粘贴加固方法。粘贴纤维布法与钢板粘贴加强法基本原理是一致的，均是将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，提高结构的承载能力，达到补强的目的［6］。国内有试验结果表明，在石拱桥加固中采用碳纤维加固可提高桥梁承载力12%左右［7］。

4)钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固技术

该技术是近几年国内科研人员研究并已应用于实践的成功桥梁加固技术。其加固机理在于，通过有效保障措施，在原主拱圈外层环状现浇增设一层钢筋混凝土套箍，形成复合主拱圈。利用新增设套箍层与原主拱圈的共同协调变形、承担活载，达到增大拱圈刚度、强度，提高桥梁承载力、防水蚀、抗风化的目的［8］。为使主拱圈受力更为合理，钢筋混凝土套箍层沿纵向采用变截面的形式，即截面从跨中至拱脚逐渐变大。

该技术的优点是:①利用结构在三向受压情况下其抗压强度将提高的原理，采用钢筋混凝土套箍环状加固桥梁，加固增强效果显著;②钢筋混凝土套箍层采用现浇施工，可达到较高的混凝土强度;③耐久性好，主拱圈的防水蚀、抗风化性能大幅提高。

5)顶推法加固技术

根据拱桥理论，两拱脚相对变位将使主拱圈内产生附加内力。顶推法以两拱脚的靠近变位产生的附加内力来减小在拱圈中已存在的结构内力和变位，从而使拱肋径向受力裂缝趋向闭合，同时抬高拱顶高程，理顺桥面纵坡，以恢复、提高拱桥承载能力［9］。

该方法经济实用，施工快速、简洁。可在不损坏原桥外貌、不缩小通航净空的情况下，完成桥梁的加固工作。但其技术要求高，技术使用的局限性较大。

6)减轻拱上建筑重量

现有的石拱桥多数是采用腹拱式拱上建筑为主体，由于拱上建筑自重较大，恒载重量通常占有很大的比例，特别是实腹式石拱桥，拱上建筑自重更大，主拱圈大部分用于承担恒载自重。因此，可以采取减轻桥梁恒载自重的办法，明显地改善拱圈的受力情况，来提高原桥承受活载的能力。减轻桥梁自重的方式有:①减薄拱上填料厚度或者换填轻质材料;②将腹孔的重力式横墙挖空或改造成钢筋混凝土立柱;③用轻质桥面系代替笨重的腹拱体系;④用轻型拱上建筑取代腹拱式拱上建筑。

7)体外预应力加固方法

体外预应力加固是指将布置于承载结构本体之外的钢筋、钢束等作为施力工具，通过张拉施加预应力，以预应力产生的弯矩和拉力部分抵消外荷载产生的内力，从而达到改善旧桥使用性能并提高其极限承载能力的目的。

用体外预应力加固石拱桥，免去了桥面开挖，桥面只需做少量填补工作，不会给行车带来太大干扰，可以实现不中断行车。不需要肋下灌注混凝土而必须搭设满堂支架，并且避免了新建渡口或临时便道，大大节省了投资和临时工作量。

它的缺点是:使桥下净空大幅度降低，将会影响通航;锚固块和转向装置有时不便于设置;转向装置处设计不当会造成大量的预应力损失，并导致施工复杂;结构外露面不平整;需注意体外索的防火、防锈和防腐等耐久性问题［10］。

2.2 国外研发的几种方法

1)拱背加鞍法

拱背加鞍法是一种国外较常规的方法。即挖除拱背的填土，露出原有石拱桥的拱背。在原有结构的基础上增添加筋、大体积混凝土平板或弯曲厚板。

该方法施工简单，可有效提高原有石拱桥的承载力。但造价高，施工期间阻断交通且工期长［11］。

2)拱底加筋法

拱底加筋法根据设计沿纵、横向在拱底表面凿槽，利用粘合剂在凹槽内粘贴钢筋网，并在外表面喷射混凝土。该方法可有效提高拱桥强度，但施工条件要求高，有时难以进入拱底进行施工，而且在拱底凿槽并粘贴钢筋，会损坏原有拱桥结构［12］。

3)BEBO法

BEBO法属美国CONTECH工程公司的专利技术。该方法可根据实际的石拱桥拱底形状，预制混凝土拱。在拱外现场组装，再滑入拱底对石拱桥进行加固。

该方法省时省力，但只适合于中短跨的拱桥，且对施工工艺要求较高［13］。

4)锚固法

锚固法可应用于破坏较严重，承载能力严重降低，甚至形成铰破坏的石拱桥。该方法通过在拱内钻孔，孔内放置不锈钢锚杆，填充粘结剂与石材形成整体。锚杆与原有结构共同承担荷载，提高拱圈抗弯能力，起到加固的目的。

该方法可有效地提高拱圈承载力，保持桥梁原貌，不影响交通，耐久性较好，但对施工工艺要求较高，且施工复杂［14］。

3 方案比较

根据前节所述，表1概括了目前国内外常用石拱桥上部结构加固改造技术的优缺点。

表1 石拱桥上部结构各种加固改造技术的优缺点

在具体选择拱桥加固改造技术时，可首先根据拱桥损坏现状和加固目的选择合适的加固方案。当存在多种方案满足加固要求时，应对方案的施工难易程度和造价进行评价，选择经济合理的加固改造方案。

4 结语

石拱桥的加固改造是旧桥、危桥改造的一项重要内容，而桥梁的加固改造对桥梁结构寿命有着显著的影响。理想的加固改造技术应该是尽少地改变桥梁结构原貌及附属设备;尽少地阻碍交通;提供足够的承载能力，且具备应有的耐久性及经济性。虽然国内外拱桥加固改造技术多种多样，却又都有着各自的优缺点和不同的适用范围。在选择加固技术的时候，应根据工程实际情况，充分研究造成病害的原因，分析比较各种加固方法的优缺点，选择最合理的加固技术，甚至可以综合使用多种技术，使加固效果达到最优化。

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