大跨度石拱桥的病害分析和整治措施

2018-01-05罗婧文

四川建筑 2017年6期

关键词：赵州桥石拱桥拱圈

罗婧文，左科

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 630000; 2. 华蓝设计(集团)有限公司重庆分公司, 重庆 630000)

大跨度石拱桥的病害分析和整治措施

罗婧文1，左科2

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 630000; 2. 华蓝设计(集团)有限公司重庆分公司, 重庆 630000)

文章总结了大跨度石拱桥主要的结构性病害及非结构性病害，并针对主要的结构性病害分析了其主要成因，在此基础上简要介绍了石拱桥各种结构性病害的整治措施。

大跨度石拱桥；病害分析；成因；整治措施

石拱桥顾名思义，是取天然石料为原材料所建造的。由于天然石料取材方便，且成本极低，因而在石拱桥施工工艺成熟以后，在世界各国得到了广泛地应用。关于拱桥的起源，有诸多说法。其一为“天生桥说”，即是指古人受到自然界中天生桥的启发，学会了建造圬工拱桥；第二种说法为“叠涩拱说”，即采用砖块或石块，借助逐层外挑跨空的砌筑方法，形成一个拱状的结构；第三种说法为“折边演进说”，这种说法指出最初的拱桥是由砖墓结构的平板结构，逐步变为折边拱，最后演进为圆拱[1-2]。了解石拱桥的起源及演进历史将有助于更好地认识石拱桥的受力特点，掌握石拱桥病害的成因。

图1所示为赵州桥，又名安济桥，建于我国隋朝年间，距今已有1 400多年，自建成以来赵州桥历经无数次洪水冲击及多次地震，却安然无恙[3-5]。

图1 赵州桥

赵州桥之所以屹立千年而不倒，得益于其独特的设计和建造原理：(1)设计上采用圆弧拱、劈肩及单孔的结构形式。(2)建造上，赵州桥选址比较合理，基础牢靠；砌置方法新颖、施工修理方便。同时，在保持大桥稳定性方面也采取了诸多措施，例如为了加强各道拱劵间的横向联系，使各拱肋组成一个整体，建造者创新性地采用了一系列的技术措施。对于拱桥而言，抵抗水平推力是关键，赵州桥的桥台拱脚低、桥基浅，且为了减小桥塔的沉降，在桥台边打入了很多木桩，采用了延伸桥塔后座的办法，有效抵消水平推力的作用[6]。

我国是一个石拱桥大国，历史上建造了大量的石拱桥，尤其在混凝土技术普及以前，天然石料自然地成为了建造桥梁的最佳原材。石拱桥在我国交通领域发挥了巨大的作用，但随着修建年代的推移，大量的石拱桥出现了不同程度的病害，部分病害严重的石拱桥给交通通行带来了安全隐患。本文总结了石拱桥的常见结构性病害及非结构性病害，并对其成因进行了分析，针对几个典型的石拱桥结构病害，介绍了相应的加固措施。

1 大跨度石拱桥常见病害及成因

桥梁结构的病害通常分为结构性病害及非结构性病害。对于前者将直接对结构的安全构成隐患，需要高度重视。后者会影响结构的正常使用及美观等，通常不会直接对结构构成安全隐患。因而在对石拱桥进行健康状况评估的时候，首先应当定性区分是否为结构性病害还是非结构性病害。大量的实桥检测资料表明，石拱桥常见的病害主要包括：(1)主要结构性病害，如主拱圈开裂、腹拱圈开裂、拱上侧墙开裂等；(2)常见非结构性病害，如桥面破损、渗水、泛碱、杂草滋生、石料风化等。

1.1 主拱圈开裂及主要成因

石拱桥最常见的结构性病害就是主拱圈开裂，拱圈开裂包括横向开裂及纵向开裂。主拱圈纵向裂缝，通常起于拱脚，沿整个拱圈延伸长度较长；主拱圈横向开裂多出现在拱顶拱腹侧和拱脚拱背侧。结合石拱桥的受力特点(石拱桥通常采用无铰拱结构形式，整体受力上呈现多次超静定特性)对主拱圈开裂成因进行分析如下：

(1)纵向裂缝，通常是由于基础在宽度方向上存在不均匀的水平变位或者沉降所致。

(2)主拱圈横向裂缝多是由于墩台整体移动或基础不均匀(左、右拱脚)沉降，会导致主拱圈内产生巨大的次弯矩，从而引起正弯矩区段拱腹侧开裂及负弯矩区段拱背侧开裂。

在软土地基上修建拱桥和桥墩较柔的多孔拱桥，拱脚变位是难以避免的。图2为拱脚发生相对水平变位引起的次内力计算示意图。

图2 拱脚相对水平变位引起次内力计算

如图2所示，采用悬臂梁作为基本结构：

X2δ22+Δ2=0

(1)

拱脚相对水平位移为：

ΔH=ΔHB-ΔHA

(2)

式中：ΔHA、ΔHB分别为左、右拱脚水平位移。

当两拱脚发生相对水平位移ΔH时，在弹性中心产生的赘余力可按式(3)计算[7]：

(3)

图3为拱脚发生相对竖向位移时，即拱脚产生不均匀沉降引起的次内力计算示意图。

图3 拱脚不均匀沉降引起次内力计算

同样地，采用悬臂曲梁作为基本结构：

X33δ33+Δ3=0

(4)

拱脚不均匀沉降可表达为：

ΔV=ΔVB-ΔVA

(5)

式中：ΔVB、ΔVA分别为左、右拱脚发生的竖向位移。

当两拱脚发生不均匀沉降时，在弹性中心产生的赘余力可按式(6)计算[7]：

(6)

通过以上分析，可见当拱桥右拱脚向右水平位移，将导致在拱脚截面产生负弯矩，当右拱脚向下竖直位移，将导致在左拱脚产生负弯矩，这些次内力对于主拱圈而言都是非常不利的。

除了拱脚变位会引起拱圈受力不利进而导致主拱圈病害外，温度也是重要的因素。由于石拱桥多为无铰拱，是多次超静定结构。当大气温度比合龙温度高时，引起拱体膨胀；反之，大气温度比合龙温度低时，引起拱体收缩。不论是膨胀还是收缩，都会在拱中产生附加内力。大量的计算分析表明，温差引起的主拱次内力与车辆活载相当，甚至远大于车辆活载。

1.2 腹拱圈开裂及主要成因

大跨度石拱桥常设置腹拱，即所谓“拱上拱”结构。大跨度石拱桥的腹拱圈也常出现开裂的病害，这主要是由于以下原因所导致：

(1)平铰缝处理不当；

(2)在车辆活载作用下，腹拱产生较大的推力；

(3)主拱与拱上建筑的联合作用显著导致的腹拱内力较大；

(4)主拱圈线形变化导致的腹拱拱脚变位，进而引起的腹拱内产生次内力，类似于主拱。

1.3 拱上侧墙开裂及主要成因

大量的实桥检测资料表明，空腹式石拱桥另一个常见的结构性病害为拱上侧墙开裂。分析其主要成因为汽车活载的作用以及主拱线形变化导致侧墙根部受到较大的弯矩所致。

2 石拱桥结构性病害的加固措施

针对不同的病害成因，加固改造需要采用合适的加固整治措施。常见的石拱桥加固方法主要有：(1)钢筋混凝土套箍主拱圈加固法；(2)加设拱圈加固法；(3)梁拱式拱上建筑加固法，即调整拱上恒载法；(4)粘贴钢板加固法；(5)释能加固法等。这些主要是对主拱圈的加固方法。针对墩台裂缝及结构其他部位裂缝通常采用压浆加固。

2.1 主拱圈加固措施

文献[8]针对某空腹式石拱桥，主拱圈发现两条纵向裂缝(一条位于主拱边缘，宽约5～10 mm，长约15 m；另一条位于主拱圈中间，宽约1～3 mm，长约20 m)、桥台从起拱线位置起往下开裂至基础(缝宽1～3 mm)等病害，采用钢筋混凝土套拱加固方法进行了主拱圈加固。加固后有效降低了控制断面的拉应力，恢复了正常使用性能，且加固后显著提高了整体结构的刚度。

文献[9]针对某空腹式石拱桥，主拱圈拱顶拱腹侧有一条斜向裂缝，基本贯穿主拱(宽约10 mm)，且上游侧拱脚侧面开裂(宽约10 mm)，主拱圈风化严重等病害，介绍了采用增大截面法、粘贴钢板和及“释能加固法”相结合的加固方法在石拱桥加固改造中的应用。研究表明，“释能加固法”针对石拱桥主拱圈加固中是适用的。