拱橋病害分析及增大截面法加固處治探析

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0146-03

0 引言

拱橋跨越能力大，受力明確，外形美觀，被廣泛應用在我國公路橋梁中。但建設年代較早的拱橋因設計及施工等方面的原因，建造等級普遍不高，再加上長期的荷載作用，病害問題較為突出。為避免造成交通中斷等不利影響，在無法對原橋進行拆除重建的情況下，只能采取切實適用的技術進行加固處治，在一定程度上恢復結構承載力和性能。基于此背景，該文依托公路橋梁實際，對病害現狀及成因展開分析，并對增大截面法加固施工進行探究，以期為此類橋型病害處治提供借鑒參考。

1 工程概況

某跨河橋梁全長 2 4 5 m ，橋墩高度在 4 4 . 5 ～ 5 0 . 0 m 之間，主橋為跨徑 1 2 0 m 的上承式空腹拱橋，拱肋采用鋼混結構，拱腹及側墻全部為砌筑結構，橋面鋪裝水泥混凝土。橫跨大深度河谷。該橋梁建造于20世紀80年代，并于1998年改建。在運行過程中因交通荷載和外界環境的綜合作用，側拱肋、拱腳、墩柱、拱腹等部位先后出現貫穿性裂縫，混凝土層開裂、剝落，內部鋼筋銹蝕外露。對橋梁展開荷載試驗和結構驗算，結果顯示，橋梁病害嚴重，綜合評定等級為D級，亟待大修處治。

2病害調查及原因分析

2.1病害調查

（1）混凝土開裂。第一跨主拱中上游側拱肋下緣貫穿性裂縫長度在 7 . 5 ～ 9 . 0 m 之間；第二跨上游側拱肋1/4跨處裂縫長度在 0 . 9 ～ 1 . 2 m ，寬度在 0 . 1 5 ～ 0 . 1 8 m m 之間，貫穿至拱肋側后長變為 0 . 5 4 ～ 0 . 6 5 m ，寬變為0 . 1 1 ～ 0 . 1 4 m m 。拱腳處縱向裂縫長和寬最大達到 6 . 1 m 和 0 . 4 5 m m 。第三跨拱腳偏1/4跨間拱背多處開裂，鈣化物析出，裂縫寬度無法準確量測。橋墩墩身側壁裂縫數量多，且偏橋軸向開裂。

（2）混凝土脫落、鋼筋銹蝕。以上裂縫中約一半裂縫處混凝土剝落破損，內部鋼筋外露銹蝕；部分位置內部鋼筋雖未外露，但變形嚴重，將混凝土結構頂起外鼓。

（3）砌體斷裂及滲水。第一跨1#和2#腹拱間橫墻條石開裂，裂縫長度達到 0 . 3 1 m ，寬度為 0 . 1 6 m m ；2#和3#腹拱間橫墻連接主拱處砌石脫落，4#腹拱連接橫墻段持續滲水。第二跨8#腹拱實腹段砌體脫落，10#腹拱小里程側條石破斷，拱圈處鈣化物析出，結構風化嚴重。

2.2 病害原因分析

造成該拱橋病害的原因包括以下幾點：（1）結構尺寸單薄。對于同跨徑、同荷載等級的拱橋而言，主拱圈厚度應達到 1 2 0 c m 以上，拱橫墻厚度應達到 以上[，但該拱橋拱波厚度僅為 ，包括 厚的石砌拱波和 厚的鋼混拱波，橫墻厚度僅為 6 0 c m ，主拱圈剛度明顯不足，長期受到荷載作用后抗變形性能必將下降。（2）橫隔板尺寸小。橫隔板是連接拱肋和拱波的關鍵性結構，該拱橋橫隔板厚度僅為 ，難以長期承受拱波自重、行車荷載等造成的水平推力。在運行期間，橫隔板開裂不可避免。（3）拱上橫墻尺寸小。因主拱截面尺寸薄弱，為控制主拱應力，將拱上橫墻的尺寸相應減小。橫墻抗推剛度也因此降低，在主拱變形后發生協同變形和徑向開裂。（4）拱波的作用。對于該雙肋單波拱橋，鋼混結構拱肋與拱波共同參與結構受力，并將結構自重與行車荷載傳遞至墩臺結構。但實際受力時因拱波的作用，結構受力先傳遞至鋼混拱肋，再傳遞至墩臺。故鋼混拱肋支撐處的拱波便產生外向水平推力[2]。

3加固方案設計及受力分析

3.1 加固方案設計

根據對橋梁病害嚴重程度及形成原因的分析，將加固處治分為耐久性處治和主體結構加固處治兩部分，前者為輔，后者為主。耐久性處治包括缺陷修補和裂縫封閉；缺陷修補及裂縫封閉施工完成后，按照《公路橋梁加固施工技術規范》（JTG/TJ23—2008）展開質量檢測，確保達標。

主體結構加固處治主要指對主跨拱肋進行增大截面法加固處治，即通過混凝土結構截面積的增大，以提升原構件剛度和承載力[3]。增大截面法是主拱圈常用的加固技術，也是該文重點研究的加固方法。根據主拱圈加固部位的不同，將增大截面法進一步分成拱腹加固和拱背加固。按照以上措施加固后擬將橋梁荷載等級提升至公路－Ⅱ級。

3.2加固后結構受力分析

3.2.1 模型構建

應用MIDASCivil2020程序進行拱橋有限元模型構建，主跨拱肋模型建立全部結合橋梁拱軸線擬合結果展開。拱橋空間模型見圖1。

3.2.2 結構受力分析

（1）主拱肋內力。該拱橋應用增大截面法加固拱腹和拱背前后邊跨拱肋控制截面內力模擬結果見表1和表2。表中正數表示受拉，負數表示受壓。通過將模擬值與加固前實測值進行比較看出，對拱橋進行增大截面加固后，邊跨拱肋控制截面剪力和彎矩方向未變，取值均明顯減小，原橋受力得到較好改善，加固后結構承載力及穩定性均提高。

（2）邊跨及中跨拱肋控制截面內力。各荷載工況下，按照最大截面法加固前后邊跨及中跨拱肋控制截面內力模擬結果見表3和表4。加固前，在正常使用極限狀態和承載力極限狀態下邊跨拱腳、1/4跨及1/2跨截面剪力和彎矩值較高，強度均較低。根據表中結果看出，加固后以上截面在公路－Ⅱ級荷載等級下截面剪力和彎矩值降低，強度和承載力均提高，且滿足規范要求。

4增大截面法加固施工工藝

4.1混凝土材料選用

普通混凝土硬化收縮明顯，為減緩硬化收縮程度，保證錨噴混凝土和原橋混凝土結構的整體性，該拱橋增大截面加固時主要使用UEA補償收縮混凝土。此類混凝土自由膨脹率在 0 . 0 4 % ～ 0 . 0 6 % 之間，受到鋼筋約束后的膨脹率調整為 0 . 0 2 % ～ 0 . 0 4 % ；能夠在鋼筋混凝土結構中形成 0 . 2 ～ 0 . 7 M P a 的預壓應力，從而抵消混凝土固化期間全部或部分拉應力[4，延緩混凝土固化時間，增強其抗拉強度，抑制裂縫產生。

4.2 加固施工要點

4.2.1 耐久性處治

（1）缺陷修補。對主拱圈拱背、拱肋、系梁等處的混凝土層剝落、筋材銹蝕及外露等進行處理。將全橋混凝土橋面更換為瀝青混凝土橋面，并更換重設排水系統。對橋涵與路基連接處的錐形護坡脫空區進行回填、碾壓和增強。

（2）裂縫封閉。對橋臺、拱圈、墩柱、腹板、梁體底面等處出現的寬度在 0 . 1 5 m m 以下的裂縫，直接涂抹封閉處理。在涂抹處理前，必須通過砂輪機、鋼絲刷等工具將待處治表面塵土、污漬、松散結構等徹底清除，確保露出堅實的混凝土面；再利用毛刷蘸取酒精、丙酮或甲苯等溶液反復擦拭裂縫邊緣 3 . 0 ～ 5 . 0 c m 范圍。根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T522—2008），采用環氧樹脂封縫材料，通過膠輥或毛刷將封縫材料涂刷于清潔后的裂縫表面。第一遍涂刷時應順著裂縫走向橫向涂刷，待干燥成膜后再次縱向涂刷；最后涂刷一層與混凝土顏色接近的封縫材料。

對于寬度在 0 . 1 5 m m 以上的裂縫，應展開低壓灌縫處理。通過角磨機將待處治裂縫表面打磨平整，切除裂縫表面松散雜物；使用壓力在 0 . 2 M P a 以上的壓縮空氣將裂縫底部及側壁處塵土、附著物、石渣等全部吹除。順著縫隙走向用丙酮溶液反復刷洗裂縫外邊緣。在相應位置布設灌膠嘴并標記。將調制好的黏結膠均勻涂抹于灌膠底座底面，用力下壓使底座底部膠體溢出并包裹住底座邊緣。為防止裂縫相互貫通而跑氣，必須進行封縫處理；此后通過低壓容器進行裂縫修補膠灌注。灌縫結束后養護 2 4 h ，確保樹脂固化后在表面涂刷一層與混凝土顏色接近的封縫材料。

4.2.2主體結構增大截面法加固處治

對于該拱橋拱腹和拱背均采用噴錨混凝土加固工藝，即在拱腹下部緊貼原拱圈底面噴射混凝土或澆筑混凝土復合拱圈[5]。對待加固部位進行植筋并掛設鋼筋網，按照設計要求和厚度通過噴射機械并利用壓縮空氣，通過管道將混凝土噴射至待補強結構面，待混凝土硬化為固結結構。硬化后的錨噴結構層和原結構較好黏結，在充分利用原結構性能的基礎上，有效阻正了原結構開裂和變形。

錨噴混凝土無需振搗，主要借助高速噴射的壓力和勢能使水泥和集料反復撞擊，達到壓密效果。為增強水泥、集料間的黏結強度，保證新舊結合面拉應力和剪應力較好傳遞，錨噴后應及時養生，以減小混凝土噴射期間產生的內應力，減弱因混凝土收縮而造成的開裂。

5結論

綜上所述，對于病害橋梁而言，在進行加固方案擬定和加固處治施工前，必須對橋梁病害展開全面調查和成因分析；對現有橋梁加固技術進行系統性總結，優選出適用的加固技術，并應用仿真分析技術對加固效果進行模擬。該文所研究的拱橋結構尺寸單薄，拱波混凝土強度低，跨中接近拱肋處混凝土開裂剝落，拱石嚴重風化；拱肋、拱墻、腹拱圈及橫隔板均存在嚴重裂縫。應用增大截面法加固后以上病害基本根除，結構強度、承載力均顯著提高，橋梁結構性能較好恢復。

參考文獻

[1]郝小軍.增大截面加固法對小跨徑拱橋承載力影響[J]低溫建筑技術，2022（12）：138-141+146.

[2]何炳濤.剛架拱橋增大截面加固設計及承載能力評定——以廣東省秋云大橋為例[J].工程技術研究，2022（19）：16-18.

[3]齊秦，黃平明，牛艷偉.混凝土剛架拱橋增大截面法加固施工方案優化[J].公路，2020（10）：94-100.

[4]唐楊，鐘華棟.增大截面法加固空心板梁橋有限元分析[J].河南城建學院學報，2020（1）：7-12.

[5]單成林，吳鵬均.增大截面法與新增拱片法加固剛架拱橋對比分析[J].施工技術，2019（23）：28-32.