体内隐形锚杆加固技术在某历史文物桥梁修缮中的应用

汪方勇，吴 真

(江苏筑镹营造科技有限公司，江苏 南京 210019)

1 工程概况

某历史文物桥为单孔石拱平桥，建于清朝同治年间，为文物保护建筑，曾作为当地矿山材料运输的重要通道。该桥全长15.60m，跨径9.81m，桥宽4.66m，总高约11m。上部结构采用实腹式圬工拱形式，主拱圈顶部为尖拱，主拱圈厚0.36m，矢高3.81m，矢跨比1/0.39，主拱圈、山花墙、栏杆等均采用条石砌筑。下部结构一侧(0号墩)采用重力式桥台，条石砌筑，0号墩基础局部砌筑在3块不规则、不平整的天然岩石上；另一侧(1号墩)坐落在整块天然基岩上(见图1)。

图1 桥梁示意

桥身采用的砌石红砂岩条石尺寸为1.05m×0.32m×0.35m(长×宽×高)，砌筑黏结材料为糯米灰浆。砌石材料重度按23kN/m3计，天然状态下的抗压强度实测值为23.13MPa。主拱圈和拱墩内部为碎石及灰土混合填料，材料重度按19kN/m3计。

2 结构病害情况

结构病害情况如图2所示。主拱圈存在轻微变形现象，0号墩侧拱底有4处存在纵向裂缝，伴有少量砌块开裂情况，最大裂缝长度约1.2m，最大裂缝宽度约1.5cm。主拱圈两侧距跨中1/2处的砌缝之间存在2处横向贯穿变形裂缝，最大裂缝宽度约2.5cm。拱底裂缝处局部灰缝脱落，脱落处存在明显渗水现象，并伴有晶体析出。山花墙存在局部挤压鼓凸、石块外移情况，主要发生在1号墩上游侧，最大位移约20cm。在0号墩与主拱圈结合处上游侧，条石表面存在挤压开裂、局部剥落情况。0号墩存在2条明显的竖向裂缝，最大裂缝长度为6.86m，最大裂缝宽度为3cm。0号墩基础未砌筑在天然基岩上的部分存在明显水流冲蚀现象，局部已形成空洞，但未发现基础沉降、滑移等情况。经雷达探测，主拱圈上部、0号墩内部填料存在局部空洞现象。桥面存在明显凹陷和坑槽现象，路面条石铺装多处已出现断裂，并存在磨损坑洞。

图2 结构病害情况

经过病害调查，根据JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》要求，按分层综合评定法评定该桥已无法满足使用要求。

3 病害原因分析

根据现场检测结果，该桥未发现基础沉降、滑移引起的明显病害，且主拱圈无明显变形现象。针对桥梁使用情况及所处地形、地貌，认为病害主要原因如下。

1)桥梁曾作为当地矿山运输材料的重要通道，矿区运输车辆多为重载车辆，结合桥体现有病害情况，可判定主拱圈开裂、山花墙鼓凸外移、桥墩开裂、桥面凹陷及路面条石断裂均是由桥体长期受重载车辆碾压导致。

2)0号墩基础局部砌筑在3块不规则、不平整的天然基岩上，桥墩受上部车辆荷载作用时，基岩处形成应力集中现象，局部受力不均匀，易导致桥墩处产生竖向裂缝。

3)主拱圈上部、0号墩条石砌筑侧内部填料为碎石及杂土，因主拱圈底板及桥墩挡墙存在明显缝隙，在雨水长期渗透、冲刷作用下，造成内部土体流失，形成局部空洞。

4)桥址处上下游地势落差明显，峡谷内存在大量巨型块石。在雨季山洪暴发期间，水流冲蚀、块石撞击对0号墩及条石基础造成损坏，对桥梁整体稳定性造成影响。

4 桥梁加固条件与要求

1)根据桥梁所处地理位置及周边环境情况，0号墩侧已新建市政公路，因此桥梁加固后无须考虑公路运输功能，仅需满足行人通行需要。

2)该桥整体面貌保存较好，主拱圈、山花墙、桥墩整体较完整，根据文物建筑保护要求，为遵循最小干预的保护原则，对主拱圈、桥墩等保存较好的重要受力构件不进行拆砌，仅对山花墙局部鼓凸部位进行拆砌修复。

3)对主拱圈横、纵向裂缝及0号墩竖向裂缝进行加固处理，以提高桥梁砌体构件承载力，增强桥梁整体稳定性。

4)0号墩基础部位易受撞击及水流冲蚀，需提高该部位抗水平冲击力。

5)主拱圈上部及0号墩内侧填料存在空洞，需对空洞进行填实加固处理，以增强桥梁整体承载力。

6)针对桥梁内部填料土体流失情况，对桥面进行防水及散水处理，并对条石砌筑的主拱圈、山花墙、桥墩、基础等部位砌缝和变形裂缝填充灌缝浆料。

5 加固关键技术

该桥作为文物保护建筑，对其进行修缮加固时需正确处理历史建筑保护与合理利用的关系，应遵循真实性、整体性、延续性和最小干预性原则，使桥梁不仅能继续发挥交通运输功能，又能充分展示历史文化属性。

根据桥梁现状、病害情况、保护要求，主拱圈、0号墩及0号墩侧基础进行的原状保护是加固工程重难点。为不影响桥梁整体外观，采用体内隐形锚杆加固技术。体内隐形锚杆由不锈钢杆件(强度高、耐腐蚀)及包裹着无机质水泥基浆料(易于流动，强度适中，无收缩)的衬套组成。不锈钢杆件起抗拉、抗剪作用，无机质水泥基浆料起锁键咬合、提升锚杆整体抗拉强度的作用，衬套具有约束浆料的作用。

5.1 主拱圈加固

对于主拱圈纵向裂缝，采用横向水平锚杆进行加固补强(见图3)，将锚杆垂直于山花墙、横向贯穿主拱圈腹板布置，锚杆采用φ20mm不锈钢杆件，钻孔孔径为52mm。通过水平锚杆对主拱圈纵向裂缝进行锚固，从而增强主拱圈整体性和承载力。对于主拱圈两侧距跨中1/2处的横向裂缝，采用斜向穿过主拱圈腹板的锚杆进行加固(见图3)，锚杆采用φ24mm不锈钢杆件，钻孔孔径为65mm。锚杆在主拱圈内形成八字形承载受力体系，且锚杆下端植入拱墩内侧基岩，形成可靠传力路径，以有效将上部荷载传至基岩。斜向锚杆须有效穿过横向裂缝，以对裂缝进行有效处理。

图3 主拱圈锚杆布置

5.2 0号墩与基础加固

0号墩基础处3块不规则、不平整天然基岩导致桥墩挡墙受力不均，进而使挡墙竖向开裂。为解决该问题，通过竖向锚杆将主拱圈上部荷载直接传至天然基岩，以减小上部荷载对桥墩挡墙的影响，如图4所示。锚杆采用φ24mm不锈钢杆件，钻孔孔径为65mm。为提高基础抗水流冲击(表面冲刷)、块石撞击能力，并保证基础整体稳定，在基础内部布置竖向锚杆，并在基础表面砌筑钢筋网片混凝土挡墙，如图4所示。

图4 桥墩及挡墙锚杆布置

5.3 内部空洞及表面裂缝处理

针对主拱圈上部填料局部空洞，在桥面石拆砌过程中，通过填料重新填实。

根据0号墩原状保护需要，该墩不能拆砌，其内侧填料空洞采用高压注浆的方式进行填实，施工完成后使用探测雷达检查注入浆料密实度。

检测结果表明桥梁砌筑浆料为糯米灰浆，根据现有材料工艺，糯米灰浆已无法生产，因此采用常用的水硬性石灰浆料对桥面裂缝进行嵌缝、填实。

6 结构计算

6.1 模型建立

根据现场勘察资料建立有限元模型，模型总长15.6m ，总宽4.7m，总高7.5m ，桥跨10.2m，如图5所示。锚杆采用beam单元模拟，采用八节点六面体单元进行网格划分，共划分27 715个单元、32 462个节点。参考CJJ 11—2011(2019年版)《城市桥梁设计规范》及JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中关于车辆荷载的规定，运输车辆荷载作用区域按长4.5m、宽2.0m计，荷载按20.5kN/m2计。

图5 有限元模型

6.2 结果分析

共考虑6种工况，分别为加固前后车辆荷载作用于桥面1号墩侧、拱顶、0号墩侧。以车辆荷载作用于拱顶为例，加固前后桥梁竖向位移与最大主应力分别如图6，7所示。

图6 桥梁竖向位移云图(单位：m)

图7 桥梁最大主应力云图(单位：N·m-2)

由图6，7可知，采用体内隐形锚杆加固技术后，在相同车辆荷载作用下，桥梁竖向位移明显减小，最大主应力有效传至基岩，满足承载及加固要求。

7 结语

对体内隐形锚杆加固技术在文物保护桥梁修缮中的应用进行了研究，通过采用体内隐形锚杆加固技术，有效防止桥梁横、纵向裂缝继续发育，提高了原结构承载力，增强了桥体长期稳定性，满足了行人通行要求，且完全保留了原始建筑风貌，可进一步将本技术应用于城墙门洞、窑洞等拱形建筑修缮加固中。