大跨度石拱桥的关键病害分析和整治措施

陈　鸿

(巴中市恩阳区交通运输局, 四川巴中 636600)

石拱桥因其具有造型优美、取材方便、造价低廉、承载潜力大等优点，在我国特别是在西南地区被广泛应用，旧桥中石拱桥的比例更大。但同时，随着修建年代的推移，通行荷载等级提高，大量的石拱桥出现了不同程度的病害，给交通通行带来了安全隐患。因此针对拱桥掌握病害成因，提出有效的加固技术、方法，对我国的旧桥养护工作具有特殊意义。本文总结了大跨度石拱桥主要构件的关键性病害，并对其成因进行了分析，提出了相应的养护加固措施。

1　大跨度石拱桥的病害及成因分析

桥梁结构的病害通常分为结构性病害及非结构性病害[1]，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，通常不会直接对结构构成安全隐患。因而在对石拱桥进行技术状况评估时，首先应当定性地区分是否为结构性病害还是非结构性病害，确定石拱桥关键性病害。

1.1　主拱圈

主拱圈是拱桥的最主要承重构件，拱圈病害的产生、发展、病害特征与基础和墩台、拱上建筑、桥面系、运行荷载密切相关。

1.1.1主拱圈下挠变形

主拱圈下挠变形特别是在拱顶区段，主拱圈不再是一条圆滑的曲线，局部呈现出折线状。其主要原因如下：(1)由于施工时拱架放样、施工时拱架刚度不足、施工质量差导致主拱圈发生了永久性变形；(2)拱轴系数选择不当，使荷载压力线与拱轴中心线偏离太大而开裂下挠；(3)超载运营引起变形。拱圈的过大变形会导致其的实际拱轴线发生了变化，拱轴线已不是合理的拱轴线或设计拱轴线，桥梁内力发生了不利的变化[2]。

1.1.2主拱圈开裂

主拱圈开裂，主要有横向开裂与纵向开裂。一部分裂缝沿砌缝扩展，一部分裂缝出现在砌体，也有的裂缝同时贯穿了砌缝和砌体。对于石拱桥的材质，优点是抗压强度高，缺点是由于砌缝存在导致抗拉和抗剪强度很低。

1.1.2.1横向裂缝

横向裂缝主要发生在拱顶区段拱腹或拱脚区段拱背。主拱圈的小偏心受压结构，拱顶和拱脚为受力控制截面，拱顶正弯矩最大，拱脚负弯矩最大，若截面抗力小于荷载内力，将造成拱顶区段拱腹或拱脚区段拱背开裂。横向裂缝产生的主要有两个原因：(1)墩台基础未放置在基岩上，导致基础沉降或纵向位移。石拱桥多数为无铰拱，即为超静定结构，墩台的位移引起主拱圈产生较大的位移附加力，导致主拱圈开裂，甚至形成横向贯通裂缝；(2)施工时拱架刚度不足、拱架基础承载力不足导致主拱圈发生了沉降变形，主拱圈承受过大的弯矩。

1.1.2.2纵向裂缝

纵向裂缝通常起于拱脚沿整个拱圈纵向延伸长度较长，主要发生在拱上横墙对应的主拱圈拱腹位置及主拱圈横向中心。前一种纵向裂缝严重影响主拱圈的稳定性和承载能力。纵向裂缝产生的主要有三个原因：(1)弯道石拱桥，长期承受汽车离心力和偏心受力的作用； (2)在重车长期偏心碾压下，拱圈承受偏心压力，拱圈横向受力不对称导致拱圈抗剪开裂；(3)墩台基础未放置在基岩上，导致基础不均匀沉降或纵向位移。

横向裂缝和纵向裂缝产生也有以下原因：(1)建桥年代久远，原设计荷载等级低；(2)主拱圈厚度薄，以及砌缝质量差导致主拱圈砌体连接整体性差；(3)拱上填料不满足要求，如压实度不够、透水性差、填料含泥量大，从而桥面渗水使得拱上填料松软，导致桥面车辆荷载通行时主拱圈会局部受力；(4)寒冷地区，主拱圈砌缝渗水后冻胀开裂。

1.1.3主拱圈渗水

主拱圈渗水将引起砌体软化、强度和耐久性降低。主拱圈渗水的主要原因有：防水层破坏或失效；拱上填料不密实、砌缝不饱满、桥面排水系统性能差导致桥面积水渗透至拱圈。

1.1.4主拱圈砌体脱落

拱顶拱腹局部区段的砌体被压裂后脱落，引发应力集中，加速各种病害的产生与发展。拱石脱落的主要原因是拱圈砌缝不饱满或脱落，拱顶填料厚度不足而超重车对拱圈的冲击所致。

1.1.5主拱圈砌体风化剥落

大部分石拱桥修建年代早，砌体石料长期自然风化、水气侵蚀导致拱石表层强度和性能降低，使得石料表面软化而脱落。

1.2　腹拱圈

大量调研资料表明，腹拱圈纵向开裂和横向开裂是最严重和普遍的，是石拱桥最主要的病害。腹拱圈作为拱上建筑的主要构件，是偏心受压结构。腹拱圈裂缝的产生主要与自身受力特征、拱上填料及桥面通行荷载密切相关。腹拱圈裂缝产生的主要原因有：(1)腹拱圈拱脚置于主拱圈拱背、拱上横墙顶部或桥台前墙顶部，车辆荷载作用下主拱圈会发生的竖向变形，这直接或间接使得腹拱圈拱脚位移，进而会使得腹拱圈承受较大纵向推力和竖向弯矩，若设计和施工时未在拱上建筑设置合理变形缝，腹拱圈的开裂在所难免；(2)腹拱圈作为拱上建筑主要构件，大部分腹拱圈是超静定结构，主拱圈与拱上建筑的联合作用使得腹拱圈承受较大附加次内力，使得腹拱圈开裂；腹拱圈开裂往往是上述两个原因所致，因而腹拱圈开裂是石拱桥最严重且普遍的病害；(3)拱上填料不满足要求，如压实度不够、透水性差、填料含泥量大，从而桥面渗水使得腹拱圈的拱上填料松软，而腹拱圈厚度通常较小，所以桥面通行荷载使得腹拱圈的局部拉应力和剪应力大，这会导致腹拱圈开裂；(4)当然，原设计荷载等级低、砌缝施工质量、石料材质差、桥面渗水等也是腹拱圈开裂的原因。

1.3　拱上建筑

拱上建筑是上部传力构件，起到分布荷载，防止车辆行驶过程中对主拱圈的过大冲击，保护主拱圈免受雨水侵蚀等作用，对桥梁的承载能力和耐久性具有重要作用。拱上建筑的常见病害主要发生在侧墙和桥面系。

1.3.1侧墙开裂、外倾

大量调研资料表明，侧墙开裂、侧倾是也是石拱桥最主要和普遍的病害。侧墙开裂包括侧墙与拱圈连接界面的脱开和侧墙自身开裂。其主要原因有：(1)拱上填料不满足要求，如压实度不够、透水性差、填料含泥量大，从而桥面渗水使得拱上填料松软，重载车辆长期碾压下，填料会对侧墙产生很大侧胀力，使得侧墙外倾变形、开裂；(2)弯道石拱桥或坡道石拱桥，长期承受汽车离心力和冲击力的作用，侧墙承受较大的侧推力，使得侧墙外倾变形、开裂。

1.3.2桥面系

桥面系将桥面活载分布并且传递到主拱结构上。桥面破损影响行车安全，放大了主拱圈、腹拱圈、拱上建筑承受的行车动力效应，使得行车颠簸和跳车。且车辆经过跳车处时，会引起腹拱严重振动并承受很大的局部冲击力，导致腹拱圈开裂破损。引起石拱桥桥面破损的独有原因是：拱上填料在车辆荷载作用下的不均匀压缩变形，以及桥面渗水导致填料软化，引起桥面铺装破坏。

经调查发现，大部分石拱桥修建年代早，后期道路改造往往直接在桥面上多次加铺路面层，这会引起主体结构承载的二期恒载多次增大，这应该引起足够重视。

1.3.3拱上横墙

拱上横墙病害及产生原因主要有：(1)竖向开裂，其产生的主要原因是桥面重载车辆偏载作用下，导致横墙偏心受力，其自身天生的抗剪强度低所致；(2)纵向倾斜、基脚纵向剪切移位或顶部与腹拱圈拱脚间剪切移位。该病害往往出现在主拱圈跨度大和拱上横墙高度大的石拱桥，研究分析其主要原因是：设计车辆荷载从桥面通过时，大跨度拱桥的主拱圈竖向位移大，且主拱圈L/4和3L/4竖向位移是反向的。再者拱上横墙顶部受到其上部的拱上建筑约束作用，上述因素综合使得拱上横墙的顶部与基脚处纵向位移不协调，从而使得拱上横墙纵向倾斜、基脚纵向剪切移位或顶部与腹拱圈拱脚间剪切移位，该病害在桥面板厚度大、刚度大的情况尤为明显。

某大跨度石拱桥拱顶处第一道拱上横墙基座出现了剪切裂缝，其发展方向均为从主拱圈跨中往拱脚方向的斜向裂缝，由此判断该处受到了从主拱圈跨中往拱脚方向的剪切力，使得该处发生剪切破坏。分析其原因是当汽车在桥面通行时拱上横墙受到水平推力，拱上横墙基座水平力影响线见图1，该水平推力与横墙受到的竖向轴力的合力为跨中往拱脚方向的剪力(图2)，当这个剪切力超过了拱座的极限承载能力，便产生拱座的剪切破坏及基座与主拱圈接缝开裂。

图1　拱顶处第一道横墙基座处水平力影响线

图2　横墙基座受力

1.4　下部结构

石拱桥对基础的抗推能力要求高，基础是石拱桥的根本。

1.4.1基础不均匀沉降或水平位移。

石拱桥的基础普遍为重力式基础，若基础未放置在基岩上，基地承载力往往不足，这在早起修建石拱桥时，由于基岩埋深大，而采用换填或椿桩基础的情况尤为突出。

1.4.2基础冲刷严重或掏空。

主要原因是由于基础覆盖层长期遭冲刷侵蚀，或者河道不合理采挖，造成水流冲击增大，致使基础冲刷严重或出现基础裸露。若基础未放置在基岩上，或者由于基岩埋深大，而采用换填或椿桩基础，当基础覆盖层被冲蚀后，基础稳定性将受到严重影响，进而危及到桥梁安全甚至垮塌，如江油盘江大桥垮塌事件。

1.4.3桥台侧墙或前墙开裂

主要原因有：(1)通行车辆荷载过大，使桥台侧墙或前墙承受的土侧压力增大；(2)桥台填料不满足要求，如压实度不够、透水性差、填料含泥量大，从而桥面渗水使得拱上填料松软，重载车辆长期碾压下，填料会对侧墙产生很大侧胀力；(3)桥台或者基础发生了不均匀沉降。桥台侧墙或前墙开裂在桥台高度大的情况尤为显著。

石拱桥的病害会影响桥梁的耐久性，甚至影响到桥梁的正常使用性能和桥梁运营安全性。大量的实桥检测资料表明，结构性病害的发展往往会伴随非结构性病害的产生；同时，非结构性病害不及时处治，又会进一步加剧恶化，诱发结构性病害，两者相互加剧影响。因此在对石拱桥的病害进行调研的时候，需要根据石拱桥的病害具体情况及产生原因，及时采用经济可靠的加固方案对其进行加固。

2　石拱桥结构性病害的处治措施

针对不同的结构性病害，分析其成因，采取有针对的加固整治措施。现行的拱桥加固方法多种多样，近几年不断涌现出一些新的加固措施，但所有这些加固方法主要还是增大拱圈截面，增强拱肋之间的联系，加强横向联系，减轻拱上建筑的重量等几种基本方法及其衍生[3]。

2.1　上部结构加固

石拱桥上部结构加固方法主要有以下几类：(1)钢筋混凝土套箍拱圈加固法；(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)体外预应力加固；(6)释能加固法；(7)针对拱圈和侧墙裂缝及结构其他部位裂缝通常采用压浆加固。

2.2　下部结构加固

对于石拱桥下部结构加固，墩台基础常用加固法方法主要有：(1)高压旋喷桩加固技术；(2)扩大基础加固法；(3)增补桩基法(打入桩或钻孔灌注桩)；(4)人工地基加固(改良地基)法等。墩台常用加固法主要有：(1)用钢筋混凝土套箍加固贯通裂缝；(2)用钢筋混凝土框架拉杆加固桥台侧墙外倾；(3)用支撑法或增建挡土墙法处理墩台滑移。

2.3　主拱圈加固实例

以笔者所在地区某空腹式石拱桥为例，该桥主跨跨径为90 m，主拱圈厚度1.6 m，腹拱圈厚度0.4 m，宽度9 m，矢跨比为1/8，即0.125，小于0.25，明显属于坦拱桥，下部结构为重力式墩台，采用扩大基础(图3)。

图3　某主跨90 m大跨度坦拱桥

检测发现该桥主拱圈有两条纵向裂缝(一条位于主拱边缘，宽约0.5～1.5 mm，长约15 m；一条位于主拱圈中间，宽约0.5～1 mm，长约30 m)，多个腹拱圈存在纵向贯通裂缝和横向贯通裂缝，同时重载车辆通行时，桥梁振动响应显著。且通过结构检算，该桥主拱圈强度验算和刚度验算不满足现通行荷载等级要求。通过综合研究，采用钢筋混凝土套拱加固方法[4]进行了主拱圈加固，并采取有效措施防止跨中段新加混凝土加固层与旧主拱圈的常见脱缝缺陷。加固后，对该桥进行了静、动荷载试验，结果表面加固后有效降低了控制断面的拉应力，提高了正常使用性能，且加固后显著提高了整体结构的刚度。

文献[6]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。

2.4　腹拱圈加固实例

上述图3所示的空腹式石拱桥，腹拱圈横向开裂(裂缝长2～3 m，宽约2 mm)，纵向开裂(裂缝长4～5 m，宽约3 mm)等病害，采用增设混凝土拱板复合拱圈等加固技术对该桥进行了加固处理，并在合适位置增设变形缝释放腹拱圈弯矩。通过加固后，该桥各控制截面承载能力提高20 %以上。

3　结束语

石拱桥病害分析和维修整治是桥梁养护与维修的一个重要内容，也是公路管理部门面临的一项重要课题。时至今日，石拱桥在交通服务上仍然扮演着重要的角色。然而通过大量的实桥检测发现，石拱桥因已服役时间长，设计荷载等级低及超载等原因，使得桥梁出现了大量关键性病害。鉴于石拱桥主要结构性病害的力学原理比较清楚，在选择整治措施的时候，应充分分析病害产生的原因，选择合适的加固方案进行整治，达到最好的加固效果。

本文对大跨度石拱桥常见的关键性病害进行了总结分析，并分析了其主要成因，对几种主要的关键性病害的加固措施进行了实例说明，这可供类似石拱桥的养护、检测及加固提供参考。