拱式桥梁加固技术与应用要点

底晓惠

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

不同类型的桥梁病害种类对桥梁形态造成的影响均不相同。为保证拱桥加固效果和经济性，要结合桥梁病害类型及严重程度，采用相应的加固技术。

1 拱式桥梁加固

拱式桥梁经过一段时间的通车使用，难免出现病害。为避免病害不断加重威胁通行安全，要根据桥梁实际情况，结合现有条件采用合理可行的加固技术进行处理。目前，在拱式桥梁加固领域，出现了很多不同的加固技术，现阶段较为常用的包括锚喷加固、FRP片材加固、套箍封闭加固、顶推法加固、体外索预应力加固。不同加固技术的原理和特点均不相同，适用条件也有一定差异。因此，在实际工作中需要通过综合考虑选择适宜的加固技术，以此保证加固效果。

2 加固技术与应用

2.1 锚喷加固技术与应用

锚喷加固技术的加固原理为：充分利用锚固到原拱圈中的锚杆挂设钢筋网，然后喷入添加了一定量速凝剂等外加剂的混凝土，直到结构面层，以此形成一个复合式的主拱圈。此时，复合式拱圈将和原主拱圈一同受力与协调变形，最终起到增强桥梁自身承载力的作用。由此可见，该加固技术的核心在于增加结构构件的截面积。如果拱桥的主拱圈截面较小，或桥梁施工质量差、墩台地基产生较大沉降、桥梁因超载运营等因素产生裂缝与变形，都可以采用该方法进行加固[1]。

某桥梁上部结构采用双曲拱，下部结构采用U形桥台与重力式桥墩。伴随运营年限不断增加，该拱桥很多地方都产生了裂缝，裂缝的缝宽最大可以达到4mm。此外，拱轴线下沉情况比较严重，拱顶部位下沉数量可达5～18cm。通过综合分析，该拱桥存在主拱圈受力相对较大和裂缝数量较多的缺陷。对此，决定在拱肋和拱波处外包钢筋，同时喷射一层厚度为6cm强度等级为C25的混凝土，以此对拱圈截面进行加固，增强各孔刚度与承载力。在加固完成后，通过荷载试验可知桥梁结构可以达到使用标准。本次加固花费了246万余元，不足重建所需花费的20%，表现出优异的经济效益。

2.2 FRP片材加固技术与应用

该方法和粘贴钢板法的原理完全相同，都是通过在结构薄弱部位增强材料的粘贴形成整体，代替补强钢筋增强结构承载力，实现预期的补强目标。目前，该方法主要使用以下三种片材：一是玻璃钢；二是碳纤维布；三是芳纶纤维布。其中，碳纤维材料是现在公认的有很大抗拉强度与弹性模量的工程材料，其与树脂结合而成的材料不仅重量轻，而且施工方便，基本不需要使用大型机具，对加固维修施工而言，能有效发挥其强度极高的特点，增强结构自身承载能力，而且还不会像粘贴钢板那样改变桥梁恒载。采用该方法对不同类型的拱桥进行加固时，需要以拱桥存在的缺陷与病害为依据，先确定需进行加固维修的位置，然后制定专项加固方案[2]。

某桥梁上部结构采用单孔双曲拱，基础采用钻孔桩基。在通车一段时间后，在拱肋处发现裂缝，且伴有拱轴变形的现象。裂缝主要集中于L/4截面，尤其是拱顶周围的裂缝分布较为密集。此外，在拱脚截面与腹拱和拱波结合部位也发现若干裂缝。拱顶的下沉量在35cm左右，在其他点位也发生了沉降，但沉降相对均匀，曲线平顺。在台身上虽然没有发现裂缝，但两台拱背存在约2.7cm的标高差。通过综合分析，导致上述病害的原因为桥台与桩基缺乏抗力，使桥台向岸边方向发生转动，引起拱轴变形，并在拱顶处产生很大的正弯矩，而拱脚处则产生很大的负弯矩，最终导致裂缝。对此，决定采用以下方法进行加固处理：对所有裂缝均使用灌缝的方法进行修补，灌缝材料选择环氧树脂砂浆；对6#肋，使用粘贴玻璃钢的方式补强；对1#～5#肋，使用粘贴小钢筋的方式补强加强。在加固完成后，又经过一段时间的使用，拱肋裂缝明显减少，且拱轴处没有产生新变形，说明以上加固方法合理可行，效果显著[3]。

2.3 套箍封闭加固技术与应用

该技术的加固原理为：在合理可行的保障措施基础上，于原主拱圈的外侧使用钢筋混凝土进行封闭，然后充分利用形成的套箍和原主拱圈实现共同受力与协调变形，以此增强桥梁自身承载力，避免水蚀与风化。可见，该方法的加固原理和锚喷相似，但在以下方面存在显著优势：一是由于结构受三向压力作用后抗压强度将得到一定程度的提高，所以通过套箍封闭的方式对桥梁加固后，可达到的加固效果优于锚喷法。二是套箍层可通过现浇完成施工，在此情况下可使用强度较高的混凝土，进而解决由于混凝土强度不足带来的问题。三是采用锚喷的方法或粘贴碳纤维材料的方法进行加固后，新增的恒载大多由原主拱圈承受，而该方法的应用能使原本的由支架承担大部分恒载更改为由复合式主拱圈结构来承担[4]。

某桥梁为四跨石拱桥，从开始通车后，接连遭受多次洪水冲击与侵蚀，加之受到地震作用和石料自身发生风化剥蚀，导致承载力大幅减弱。据初步调查，该桥中孔处有很多病害，如砂浆脱落、局部变形和拱石开裂，其中以开裂病害最为严重，缝长最长可以达到80cm，缝宽最大可以达到7mm。对此，经研究决定采用以下三种方法对该桥梁进行加固：

方法一：先对原主拱圈进行高压灌浆处理；

方法二：在完成高压灌浆处理后的主拱圈外部进行套箍封闭；

方案三：增设横墙底座。采用上述三种方法完成加固处理后，该桥实际运行状态可以达到相关要求。

2.4 顶推法加固技术与应用

根据拱桥相关理论，如果拱脚产生相对变位，则会使主拱圈中产生一定附加内力。通过使拱脚产生靠近变位能够降低已经在拱圈内存在的内力与变位，并使拱肋上产生的沿径向分布的裂缝不断闭合，此外还能抬高拱顶的实际标高，将桥面上的纵坡理顺，最终达到恢复或增强桥梁自身承载力的作用。该加固方法与其他方法相比有更好的经济性，能在基本不改变外貌和不影响通航净空的基础上，实现预期的加固目标。

某钢架拱桥桥台采用山形空心台，基础采用沉井基础，以中密亚黏土与亚砂土作为工程地基。通车一段时候后，由于处在桥台后方的压力涵渗漏，导致路基被冲刷，引起桥台缺角，之后经检查发现拱顶下缘产生裂缝，且裂缝数量不断增多，直到贯通整个拱肋，同时向桥面方向延伸。裂缝的最大宽度可达6mm，桥台处的下沉量为1cm，初步估计发生了5.9cm左右的水平方向位移。考虑目前该桥的裂缝发展速度已经开始变慢，且桥台产生的位移也逐渐趋于稳定，加之主拱中除了拱顶外其他部分均相对完好，整个桥梁的刚度尚可。因此，最终决定采用顶推法对拱脚位移进行适当调整。完成顶推后，经检查发现拱顶下沉量为1cm，桥台产生的相对位移不超过1mm。此外，对现有的裂缝进行修补后，没有再次开裂。

2.5 体外索预应力加固技术与应用

该技术是指在主梁中设置预先导入一定拉力的钢索，以此为主梁施加预应力，使截面中应力实际分布情况得以有效改善。如今，该技术主要在梁式桥中使用，但对拱圈产生裂缝后桥台产生位移等现象的拱桥，也可采用该技术进行加固处理。利用钢拉杆进行加固后，会使桥下净空减小，对通航造成一定程度的影响，所以该方法只能用于处在对通航条件没有太高要求的桥梁。

某单孔石拱桥的施工质量较差，在通车后不久，拱圈开始产生纵向裂缝，并不断向外发展和移动，裂缝开始向桥台位置延伸，甚至到达基底处附近，拱顶处产生的裂缝宽度达50mm。通过综合研究后，决定采用钢拉杆进行加固，在桥跨上均匀布置预先做好螺纹的钢拉杆，共9组，所有拉杆都采用上下两筋构成。采用一根沿垂直方向放置的10号槽钢作为螺帽衬垫，同时兼做两根杆之间的连接杆。将上杆安置到位后，开始安装槽钢，将槽钢安装好后方可安装下杆，再用扳手将所有螺帽拧紧，以此为拱圈及侧墙施加足够的预应力，以有效控制裂缝的产生及其发展。经以上加固处理后，该桥梁恢复正常通车，旧裂缝修补完成后没有产生任何新裂缝。

3 结语

综上所述，在编制加固方案时，要高度重视以下方面：首先要做好对桥梁实际状况的评价，确定桥梁在各类环境下使用表现出的结构特性，并对结构中存在的损伤进行类型识别和确定位置，以此为加固决策与各类维修加固资源的现场配置奠定良好基础；其次，由于桥梁维修加固的方法很多，因此，为保证所选方法的合理性与可行性，要对不同方法的特点及优缺点进行综合对比，从包含技术、经济、耐久和美观等在内的多个方面入手考虑，选择适宜的加固方法。在必要的情况下，还可以通过仿真来确定最佳的加固方法；再次，对处在城区范围内的桥梁，需要在选择具体加固方法的过程中充分考虑加固施工可能对正常交通通行造成的影响，尽量选择影响程度较低的方法；最后，在条件允许的情况下，优先考虑粘贴碳纤维布的方法进行加固。