石拱橋上部結構加固技術研究

周林聰，鄭一峰，趙洪波，劉鳳敏

(1.吉林大學 建設工程學院，長春 130026;2.吉林交通職業技術學校，長春 130012)

石拱橋是砌體結構，具有因地制宜、就地取材、造價低、橋型雄偉壯觀的優點，是我國早期橋梁的主要結構形式。由于受當時生產力水平的限制，這些石拱橋或因設計荷載標準低，或年久失修，正逐步成為危橋，急需加固修復。因此本文分析石拱橋上部結構的常見損傷病害及其原因，總結國內外常用的石拱橋加固技術，并分析其優缺點，為石拱橋的維修加固提供參考。

1 石拱橋上部結構常見病害及成因

1.1 主拱圈開裂

主拱圈開裂是石拱橋最常見的病害，主要有主拱圈順橋向、橫橋向或斜向開裂。主拱圈橫向開裂多發生在拱頂下部或拱腳上部，有時甚至會開裂至拱壁。造成主拱圈橫向開裂的主要原因為主拱圈厚度太薄或材料強度不夠、基礎沉陷、墩臺移動、拱圈受力不對稱或設計施工不當［1］。這種開裂嚴重影響到橋梁的安全。

1.2 腹拱圈開裂

腹拱圈開裂最嚴重且普遍，是石拱橋最主要的病害。主要原因可歸結為:腹拱推力過大，施工質量較差產生裂縫;鉸縫處理不當造成鉸石破壞而開裂;拱與拱上建筑的聯合作用而影響拱上建筑內力［1］。

1.3 拱圈分條倒塌

多發生于并列砌筑的石拱橋，主要是荷載作用下主拱圈受到過大的橫向力作用，導致石拱橋外圈外鼓，圈縫擴大［2］。

1.4 石料風化

因拱橋所處環境中空氣污染嚴重，各種有害氣體、污水長期侵害、腐蝕拱石或寒區凍融導致橋體石料風化，致使拱石強度、耐久性等削弱［3］。

2 石拱橋加固改造技術

2.1 常用石拱橋加固改造技術

1)裂縫灌漿加固技術

灌漿加固技術是一種專門針對裂縫處理的技術。它是指施加一定的壓力，將某種漿液灌入結構或構件內部裂縫中。該方法能夠有效地封閉裂縫、提高主拱圈的整體性、恢復并提高結構耐久性和抗滲性能。在石拱橋加固中，一般用于塊石砌筑砂漿不飽滿、砂漿強度低、需提高整體性的拱圈［3］。

灌漿加固法具有節省投資和時間、施工方便、效率高、一般不影響正常交通等優點。采用注漿技術可同時加固橋體及持力層，提高橋臺的結構強度及持力層承載力。但該方法提高石拱橋承載能力幅度有限;對裂縫開展嚴重的拱橋具有局限性。一般和其它加固方法混合使用，提高加固效果。

2)錨噴混凝土加固技術

錨噴混凝土技術利用錨入原主拱圈內的錨桿掛設鋼筋網，再施噴加入適量速凝劑的混凝土至結構面層，直至形成復合主拱圈;并與原主拱圈共同協調變形，充分發揮原結構作用，共同承擔外荷載產生的各種效應，從而達到提高橋梁承載力的目的［4］。

錨噴混凝土加固技術是一種簡單、實用、便捷的加固方法。和現澆混凝土加固橋梁相比具有大量節省模板、施工工期短、占用空間小、作業方便、不影響交通等優點。但存在施工復雜，后期強度低，耐久性差的缺點。新舊結構層的結合、噴射混凝土厚度等因素對結構極限承載力的影響需要進一步研究驗證。

3)粘貼加固技術

粘貼加固技術是指采用環氧砂漿或建筑結構膠將鋼板、玻璃纖維布(玻璃鋼)、碳纖維布、芳綸纖維布等高強材料粘貼在主拱圈表面，提高主拱圈的強度，減少裂縫擴展，提高橋梁的承載力。根據粘貼材料的不同，分為粘貼鋼板技術、粘貼碳纖維布等技術。

粘貼鋼板加固法一般是將鋼板用環氧樹脂或建筑結構膠將鋼板粘貼在結構受拉部位的表面，使之與結構形成整體，共同受力。充分發揮圬工材料的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，從而提高橋梁抗彎、抗剪能力，還可阻止橋梁裂縫的產生和發展［5］。

近幾年也有采用粘貼技術，將高強度、高彈性模量、可塑性強的碳纖維布和芳綸纖維布等新材料粘貼于需加固的結構表面的粘貼加固方法。粘貼纖維布法與鋼板粘貼加強法基本原理是一致的，均是將增強材料粘貼在混凝土結構的受拉緣或薄弱部位，使之與結構形成整體，用以代替需增設的補強鋼筋，提高結構的承載能力，達到補強的目的［6］。國內有試驗結果表明，在石拱橋加固中采用碳纖維加固可提高橋梁承載力12%左右［7］。

4)鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固技術

該技術是近幾年國內科研人員研究并已應用于實踐的成功橋梁加固技術。其加固機理在于，通過有效保障措施，在原主拱圈外層環狀現澆增設一層鋼筋混凝土套箍，形成復合主拱圈。利用新增設套箍層與原主拱圈的共同協調變形、承擔活載，達到增大拱圈剛度、強度，提高橋梁承載力、防水蝕、抗風化的目的［8］。為使主拱圈受力更為合理，鋼筋混凝土套箍層沿縱向采用變截面的形式，即截面從跨中至拱腳逐漸變大。

該技術的優點是:①利用結構在三向受壓情況下其抗壓強度將提高的原理，采用鋼筋混凝土套箍環狀加固橋梁，加固增強效果顯著;②鋼筋混凝土套箍層采用現澆施工，可達到較高的混凝土強度;③耐久性好，主拱圈的防水蝕、抗風化性能大幅提高。

5)頂推法加固技術

根據拱橋理論，兩拱腳相對變位將使主拱圈內產生附加內力。頂推法以兩拱腳的靠近變位產生的附加內力來減小在拱圈中已存在的結構內力和變位，從而使拱肋徑向受力裂縫趨向閉合，同時抬高拱頂高程，理順橋面縱坡，以恢復、提高拱橋承載能力［9］。

該方法經濟實用，施工快速、簡潔。可在不損壞原橋外貌、不縮小通航凈空的情況下，完成橋梁的加固工作。但其技術要求高，技術使用的局限性較大。

6)減輕拱上建筑重量

現有的石拱橋多數是采用腹拱式拱上建筑為主體，由于拱上建筑自重較大，恒載重量通常占有很大的比例，特別是實腹式石拱橋，拱上建筑自重更大，主拱圈大部分用于承擔恒載自重。因此，可以采取減輕橋梁恒載自重的辦法，明顯地改善拱圈的受力情況，來提高原橋承受活載的能力。減輕橋梁自重的方式有:①減薄拱上填料厚度或者換填輕質材料;②將腹孔的重力式橫墻挖空或改造成鋼筋混凝土立柱;③用輕質橋面系代替笨重的腹拱體系;④用輕型拱上建筑取代腹拱式拱上建筑。

7)體外預應力加固方法

體外預應力加固是指將布置于承載結構本體之外的鋼筋、鋼束等作為施力工具，通過張拉施加預應力，以預應力產生的彎矩和拉力部分抵消外荷載產生的內力，從而達到改善舊橋使用性能并提高其極限承載能力的目的。

用體外預應力加固石拱橋，免去了橋面開挖，橋面只需做少量填補工作，不會給行車帶來太大干擾，可以實現不中斷行車。不需要肋下灌注混凝土而必須搭設滿堂支架，并且避免了新建渡口或臨時便道，大大節省了投資和臨時工作量。

它的缺點是:使橋下凈空大幅度降低，將會影響通航;錨固塊和轉向裝置有時不便于設置;轉向裝置處設計不當會造成大量的預應力損失，并導致施工復雜;結構外露面不平整;需注意體外索的防火、防銹和防腐等耐久性問題［10］。

2.2 國外研發的幾種方法

1)拱背加鞍法

拱背加鞍法是一種國外較常規的方法。即挖除拱背的填土，露出原有石拱橋的拱背。在原有結構的基礎上增添加筋、大體積混凝土平板或彎曲厚板。

該方法施工簡單，可有效提高原有石拱橋的承載力。但造價高，施工期間阻斷交通且工期長［11］。

2)拱底加筋法

拱底加筋法根據設計沿縱、橫向在拱底表面鑿槽，利用粘合劑在凹槽內粘貼鋼筋網，并在外表面噴射混凝土。該方法可有效提高拱橋強度，但施工條件要求高，有時難以進入拱底進行施工，而且在拱底鑿槽并粘貼鋼筋，會損壞原有拱橋結構［12］。

3)BEBO法

BEBO法屬美國CONTECH工程公司的專利技術。該方法可根據實際的石拱橋拱底形狀，預制混凝土拱。在拱外現場組裝，再滑入拱底對石拱橋進行加固。

該方法省時省力，但只適合于中短跨的拱橋，且對施工工藝要求較高［13］。

4)錨固法

錨固法可應用于破壞較嚴重，承載能力嚴重降低，甚至形成鉸破壞的石拱橋。該方法通過在拱內鉆孔，孔內放置不銹鋼錨桿，填充粘結劑與石材形成整體。錨桿與原有結構共同承擔荷載，提高拱圈抗彎能力，起到加固的目的。

該方法可有效地提高拱圈承載力，保持橋梁原貌，不影響交通，耐久性較好，但對施工工藝要求較高，且施工復雜［14］。

3 方案比較

根據前節所述，表1概括了目前國內外常用石拱橋上部結構加固改造技術的優缺點。

表1 石拱橋上部結構各種加固改造技術的優缺點

在具體選擇拱橋加固改造技術時，可首先根據拱橋損壞現狀和加固目的選擇合適的加固方案。當存在多種方案滿足加固要求時，應對方案的施工難易程度和造價進行評價，選擇經濟合理的加固改造方案。

4 結語

石拱橋的加固改造是舊橋、危橋改造的一項重要內容，而橋梁的加固改造對橋梁結構壽命有著顯著的影響。理想的加固改造技術應該是盡少地改變橋梁結構原貌及附屬設備;盡少地阻礙交通;提供足夠的承載能力，且具備應有的耐久性及經濟性。雖然國內外拱橋加固改造技術多種多樣，卻又都有著各自的優缺點和不同的適用范圍。在選擇加固技術的時候，應根據工程實際情況，充分研究造成病害的原因，分析比較各種加固方法的優缺點，選擇最合理的加固技術，甚至可以綜合使用多種技術，使加固效果達到最優化。

［1］顏向群，李海梁.石拱橋常見病害與預防措施［J］.公路與汽運，2003(6):69-71.

［2］王國華.石拱橋常見病害與技術改造［J］.廣東交通職業技術學院學報，2005(2):48-49，106.

［3］周建庭，劉思孟，李躍軍.石拱橋加固改造技術［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］王世槐.舊危橋加固補強新技術研究報告［R］.重慶:重慶交通學院，1989.

［5］李云嶺，蒙云.粘貼鋼板法在石拱橋加固中的應用［J］.重慶交通大學學報，2007(S1):22-24，34.

［6］彭全敏，王海良，陳培奇.預應力碳纖維片材在橋梁加固中的發展現狀與展望［J］.鐵道建筑，2008(7):7-11.

［7］譚勇，周建庭，沈小俊，等.常用拱式橋梁加固技術及適用特點分析［J］.重慶交通大學學報，2007(4):29-31.

［8］周建廷.鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固拱橋研究［J］.公路，2002(1):44-46.

［9］張道省，崔土強，陳明國.頂推法加固拱橋技術應用研究［C］∥中國公路學會橋梁和結構工程學會 2001年橋梁學術討論會論文集，2001.

［10］朱正偉，劉東燕，彭文軒.體外預應力技術在橋梁加固中應用的思考［J］.重慶建筑大學學報，2005(2):46-50.

［11］MABON L.Assessment，strengthening and preservation of masonry structures for continued use in today’s infrastructure［C］∥IABSE，Melbourne:2002.

［12］SUMON S K.New reinforcing systems for masonry arch rail bridges［C］∥Proceedings of the 2nd International Conference on Railway Engineering;London:Engineering Technics Press，1999.

［13］MICHAEL J，AGOSTINO D.Context-sensitive design:Precast arch bridges boost auto research［J］.Bridges，2006，9(4):24-27.

［14］MULLETT P J，GIFFORD M.Archtec-Strengthening and Preserving Masonry Arch Bridges in Cumbria［C］∥ Structural Faults and Repair，Edinburgh:2006.