加固技術在中小跨徑石拱橋中的應用方法研究

郝景宏

恩施州交通規劃設計有限公司，湖北恩施 445000

近年來，國省道干線和農村公路上的石拱橋不同程度出現了病害，主要是因為原設計荷載等級偏低，重交通不斷地發展。這些橋梁存在較大的安全隱患，而石拱橋加固技術，應運而生。本文首先分析了這類石拱橋病害產生的機理，綜述了石拱橋加固的常見方法，以“增大截面”套拱加固法為典型，闡述了加固過程中的技術要點。

1 病害成因機理及主要整治措施

石拱橋主要是圬工結構，其強度、剛度與穩定性主要受砌縫影響。石拱橋的病害，與砌縫息息相關。各類石拱橋的主要病害有[1-2]：砌體砂漿脫落嚴重、滲水析白；砌石破損；主拱拱腹滲水、泛堿等。

病害成因機理為：石拱圈、橋臺砌體砂漿脫落嚴重、滲水析白。該類型病害是石拱橋的通病，主要原因是由于建設條件（如資金、修建工藝等）的限制，采用的砂漿強度較低且砌縫砂漿不飽滿，經過幾十年的風雨侵蝕、活載震動，導致砌縫砂漿逐漸掉落。又因拱腔填料土質較差，缺乏防、排水措施，橋面雨水滲入拱腔內，沿拱體砌縫滲漏，在拱底形成滲水、結晶析白的現象。

砌石破損：修建年代較長，石料長時間暴露在潮濕的空氣中或者石料被風化。

主拱拱腹滲水、泛堿：橋面防排水系統失效，雨天橋面經常積水，橋面鋪裝層加鋪未設計橋面排水系統，或排水孔堵塞，雨水從橋面破損處滲入填料，然后從主拱圈排出。

設計中應“對癥下藥”，一般主要整治措施為：

（1）封閉或壓力灌注全橋裂縫；

（2）M10砂漿修復主拱圈灰縫脫落、砌石破損，并對全橋砌體進行壓漿處治；

（3）封閉主拱、腹拱裂縫，增大截面法加固主拱圈和橋臺前墻；

（4）鑿除橋面鋪裝，防撞欄桿；

（5）拆除拱上側墻并挖除填料，用C20混凝土進行澆筑；

（6）鑿除橋臺上部混凝土和填料，用C20混凝土澆筑拆除部分橋臺側墻，并回填碎石；

（7）完善橋面排水系統，修建檢修梯道。

2 石拱橋加固方法概述

石拱橋主要加固方法有[3-4]：（1）“套拱加固”增大截面法，即在原有主拱圈拱腹下部或上部增設新拱圈加固法。此法可以通過澆筑鋼筋砼或噴射砼實現。（2）改變體系加固法。（3）粘貼鋼板加固法。（4）通過改善原主拱圈受力狀況，使內力重分配來減小控制截面彎矩的“釋能法”等。中小跨徑石拱橋采用套拱加固居多，加固效果比較顯著。

3 套拱加固技術要點

3.1 套拱前的準備

搭設支架，鑿除拱圈腹面、橋臺前墻及橋墩表面的剝落、松散、風化表層，并清洗孔洞及表面，應保證縱縫處壓漿漿體已經終凝，澆筑套拱混凝土前應充分濕潤原拱圈及橋臺前墻腹面。

主要技術要點有：第一，支架實施預壓，澆筑混凝土時逐步卸載以消除支架變形的影響。由于拱頂空間有限，建議采用反掛沙袋預壓。總預壓量可取為混凝土重量的1.1倍；第二，拱頂段預留壓漿孔，待澆筑混凝土強度達到70%以上時，再高壓注入水泥膠漿。第三，套拱前，宜封閉橋面交通，然后利用人工將原拱圈砌石表面松散的砌體鑿除，鑿除過程中不能損傷原主拱圈結構，最后再利用高壓水將砌石表面沖洗干凈。

3.2 砌縫修補處理

按照公路橋梁加固施工技術規范相關規定及要求，對破損、脫落砌縫采用M10砂漿進行修補，要求修補后內部密實，表面平整；所用M10砂漿應具有較低的膨脹系數、收縮率和放熱溫度，并且還應具有較高的粘結力、硬度及抗沖擊性能，M10砂漿的配合比根據試驗確定，其性能必須滿足規范要求；修補區域如處于潮濕狀態，應采取措施使修補位置保持干燥，或選用能在潮濕狀態下施工的材料，確保修補質量；應根據材料物理化學特性、修補厚度以及氣候條件等因素作好養護工作。

3.3 澆筑混凝土施工

表面鑿毛清理，裂縫填塞：裂縫處先用鋼刷清理干凈，再用砂漿勾縫。

預埋連接筋：新舊拱圈連接采用砂漿錨桿連接，錨桿采用鉆孔插入；施工工序：鉆孔—灌漿—插入鋼筋。施工時注意鉆孔應分批進行，一批孔鉆好后應馬上灌漿、插入鋼筋，完成整個工序后再進行下一批的鉆孔施工。

制作安裝鋼筋網：鋼筋網應固定在連接筋上，鋼筋網與連接筋采用點焊固定，以保證澆筑混凝土時鋼筋網不發生移位。

立模澆筑混凝土：混凝土采用C40鋼筋混凝土，澆筑混凝土時應對稱、均衡進行澆注。由于現澆混凝土較薄，施工空間狹小，宜采用橋面鉆孔進行澆筑施工，具體布置由施工現場確定，為確保混凝土澆筑質量，建議采用內插式振搗器及外掛式振搗器同時振搗混凝土，必須保證套拱混凝土密實度，待設計強度達到85%才可拆除模板。

混凝土澆注順序為：澆注橋臺前墻加厚層混凝土，待橋臺加厚層混凝土達到設計強度后再澆注主拱拱腹加厚層混凝土。

4 案例分析

4.1 計算模型

某國省道上石拱橋全長33.0m，橋面總寬為9.5m，凈寬為8.5m，主拱圈厚70cm，拱上填料30cm，原橋面板厚20cm，后加填料40cm；橋梁上部構采用1m×21m圬工拱；橋面鋪裝為瀝青混凝土，兩側設置鋼筋混凝土防撞護欄。上部結構為空腹式圬工板拱，下部結構為重力式橋臺，擴大基礎。主要材料參數見表1，結構計算離散模型見圖1。

表1 主要材料參數取值表

圖1 結構計算模型

施工方式采用滿堂支架整體現澆，根據拱圈的形成按施工階段、成橋階段分別計算其內力，分三個階段：（1）主拱階段；（2）拱上填料及二期恒載階段；（3）使用階段。結構在主拱拱腳處采用固定約束。

4.2 截面折減系數

基于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的承載能力折減計算。

該橋已經建成運營多年，橋梁出現了不同程度的病害，降低了橋梁的實際承載能力，橋梁實際承載能力根據檢測結構進行合理的折減。

結合橋梁的檢測結論，引入橋梁承載能力折減系數（包括承載能力檢算系數Z1和承載能力惡化系數ξe），用以評估橋梁實際承載能力相對于原設計承載能力的折減。折減系數如表2所示。

表2 截面折減系數

4.3 荷載

4.3.1 汽車荷載

該道路為省道，橋梁修建年代久遠，加固前計算按公路-Ⅱ級計算，加固后根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015），省道按公路-Ⅰ級車道荷載計算，并按規定計入沖擊系數。

4.3.2 溫度荷載

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）規定，并結合恩施市當地氣候條件，結構整體升溫為20℃，降溫-25℃。

4.4 計算結果

4.4.1 加固前計算結果

經計算，橋梁抗壓承載力驗算結果均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）的相關要求，但富余量較小，結構存在一定的安全隱患，為了橋梁結構及行車安全，需要及時進行加固處治。

4.4.2 加固前計算結果

經計算，采用增大截面法處治主拱圈，現澆30cm厚鋼筋砼加固主拱拱腹后，在最不利荷載組合下主拱圈各主要控制截面承載能力均已大幅提高，滿足公路-Ⅰ級（雙車道）的荷載等級要求，且結構的富余量提高到了60%，大大提高了橋梁結構的安全性。