大跨度石拱橋的病害分析和整治措施

羅婧文， 左 科

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 630000; 2. 華藍(lán)設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司重慶分公司, 重慶 630000)

大跨度石拱橋的病害分析和整治措施

羅婧文1， 左 科2

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 630000; 2. 華藍(lán)設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司重慶分公司, 重慶 630000)

文章總結(jié)了大跨度石拱橋主要的結(jié)構(gòu)性病害及非結(jié)構(gòu)性病害，并針對主要的結(jié)構(gòu)性病害分析了其主要成因，在此基礎(chǔ)上簡要介紹了石拱橋各種結(jié)構(gòu)性病害的整治措施。

大跨度石拱橋； 病害分析； 成因； 整治措施

石拱橋顧名思義，是取天然石料為原材料所建造的。由于天然石料取材方便，且成本極低，因而在石拱橋施工工藝成熟以后，在世界各國得到了廣泛地應(yīng)用。關(guān)于拱橋的起源，有諸多說法。其一為“天生橋說”，即是指古人受到自然界中天生橋的啟發(fā)，學(xué)會了建造圬工拱橋；第二種說法為“疊澀拱說”，即采用磚塊或石塊，借助逐層外挑跨空的砌筑方法，形成一個(gè)拱狀的結(jié)構(gòu)；第三種說法為“折邊演進(jìn)說”，這種說法指出最初的拱橋是由磚墓結(jié)構(gòu)的平板結(jié)構(gòu)，逐步變?yōu)檎圻吂埃詈笱葸M(jìn)為圓拱[1-2]。了解石拱橋的起源及演進(jìn)歷史將有助于更好地認(rèn)識石拱橋的受力特點(diǎn)，掌握石拱橋病害的成因。

圖1所示為趙州橋，又名安濟(jì)橋，建于我國隋朝年間，距今已有1 400多年，自建成以來趙州橋歷經(jīng)無數(shù)次洪水沖擊及多次地震，卻安然無恙[3-5]。

圖1 趙州橋

趙州橋之所以屹立千年而不倒，得益于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和建造原理：(1)設(shè)計(jì)上采用圓弧拱、劈肩及單孔的結(jié)構(gòu)形式。(2)建造上，趙州橋選址比較合理，基礎(chǔ)牢靠；砌置方法新穎、施工修理方便。同時(shí)，在保持大橋穩(wěn)定性方面也采取了諸多措施，例如為了加強(qiáng)各道拱劵間的橫向聯(lián)系，使各拱肋組成一個(gè)整體，建造者創(chuàng)新性地采用了一系列的技術(shù)措施。對于拱橋而言，抵抗水平推力是關(guān)鍵，趙州橋的橋臺拱腳低、橋基淺，且為了減小橋塔的沉降，在橋臺邊打入了很多木樁，采用了延伸橋塔后座的辦法，有效抵消水平推力的作用[6]。

我國是一個(gè)石拱橋大國，歷史上建造了大量的石拱橋，尤其在混凝土技術(shù)普及以前，天然石料自然地成為了建造橋梁的最佳原材。石拱橋在我國交通領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，但隨著修建年代的推移，大量的石拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害，部分病害嚴(yán)重的石拱橋給交通通行帶來了安全隱患。本文總結(jié)了石拱橋的常見結(jié)構(gòu)性病害及非結(jié)構(gòu)性病害，并對其成因進(jìn)行了分析，針對幾個(gè)典型的石拱橋結(jié)構(gòu)病害，介紹了相應(yīng)的加固措施。

1 大跨度石拱橋常見病害及成因

橋梁結(jié)構(gòu)的病害通常分為結(jié)構(gòu)性病害及非結(jié)構(gòu)性病害。對于前者將直接對結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成隱患，需要高度重視。后者會影響結(jié)構(gòu)的正常使用及美觀等，通常不會直接對結(jié)構(gòu)構(gòu)成安全隱患。因而在對石拱橋進(jìn)行健康狀況評估的時(shí)候，首先應(yīng)當(dāng)定性區(qū)分是否為結(jié)構(gòu)性病害還是非結(jié)構(gòu)性病害。大量的實(shí)橋檢測資料表明，石拱橋常見的病害主要包括：(1)主要結(jié)構(gòu)性病害，如主拱圈開裂、腹拱圈開裂、拱上側(cè)墻開裂等；(2)常見非結(jié)構(gòu)性病害，如橋面破損、滲水、泛堿、雜草滋生、石料風(fēng)化等。

1.1 主拱圈開裂及主要成因

石拱橋最常見的結(jié)構(gòu)性病害就是主拱圈開裂，拱圈開裂包括橫向開裂及縱向開裂。主拱圈縱向裂縫，通常起于拱腳，沿整個(gè)拱圈延伸長度較長；主拱圈橫向開裂多出現(xiàn)在拱頂拱腹側(cè)和拱腳拱背側(cè)。結(jié)合石拱橋的受力特點(diǎn)(石拱橋通常采用無鉸拱結(jié)構(gòu)形式，整體受力上呈現(xiàn)多次超靜定特性)對主拱圈開裂成因進(jìn)行分析如下：

(1)縱向裂縫，通常是由于基礎(chǔ)在寬度方向上存在不均勻的水平變位或者沉降所致。

(2)主拱圈橫向裂縫多是由于墩臺整體移動或基礎(chǔ)不均勻(左、右拱腳)沉降，會導(dǎo)致主拱圈內(nèi)產(chǎn)生巨大的次彎矩，從而引起正彎矩區(qū)段拱腹側(cè)開裂及負(fù)彎矩區(qū)段拱背側(cè)開裂。

在軟土地基上修建拱橋和橋墩較柔的多孔拱橋，拱腳變位是難以避免的。圖2為拱腳發(fā)生相對水平變位引起的次內(nèi)力計(jì)算示意圖。

圖2 拱腳相對水平變位引起次內(nèi)力計(jì)算

如圖2所示，采用懸臂梁作為基本結(jié)構(gòu)：

X2δ22+Δ2=0

(1)

拱腳相對水平位移為：

ΔH=ΔHB-ΔHA

(2)

式中：ΔHA、ΔHB分別為左、右拱腳水平位移。

當(dāng)兩拱腳發(fā)生相對水平位移ΔH時(shí)，在彈性中心產(chǎn)生的贅余力可按式(3)計(jì)算[7]：

(3)

圖3為拱腳發(fā)生相對豎向位移時(shí)，即拱腳產(chǎn)生不均勻沉降引起的次內(nèi)力計(jì)算示意圖。

圖3 拱腳不均勻沉降引起次內(nèi)力計(jì)算

同樣地，采用懸臂曲梁作為基本結(jié)構(gòu)：

X33δ33+Δ3=0

(4)

拱腳不均勻沉降可表達(dá)為：

ΔV=ΔVB-ΔVA

(5)

式中：ΔVB、ΔVA分別為左、右拱腳發(fā)生的豎向位移。

當(dāng)兩拱腳發(fā)生不均勻沉降時(shí)，在彈性中心產(chǎn)生的贅余力可按式(6)計(jì)算[7]：

(6)

通過以上分析，可見當(dāng)拱橋右拱腳向右水平位移，將導(dǎo)致在拱腳截面產(chǎn)生負(fù)彎矩，當(dāng)右拱腳向下豎直位移，將導(dǎo)致在左拱腳產(chǎn)生負(fù)彎矩，這些次內(nèi)力對于主拱圈而言都是非常不利的。

除了拱腳變位會引起拱圈受力不利進(jìn)而導(dǎo)致主拱圈病害外，溫度也是重要的因素。由于石拱橋多為無鉸拱，是多次超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)大氣溫度比合龍溫度高時(shí)，引起拱體膨脹；反之，大氣溫度比合龍溫度低時(shí)，引起拱體收縮。不論是膨脹還是收縮，都會在拱中產(chǎn)生附加內(nèi)力。大量的計(jì)算分析表明，溫差引起的主拱次內(nèi)力與車輛活載相當(dāng)，甚至遠(yuǎn)大于車輛活載。

1.2 腹拱圈開裂及主要成因

大跨度石拱橋常設(shè)置腹拱，即所謂“拱上拱”結(jié)構(gòu)。大跨度石拱橋的腹拱圈也常出現(xiàn)開裂的病害，這主要是由于以下原因所導(dǎo)致：

(1)平鉸縫處理不當(dāng)；

(2)在車輛活載作用下，腹拱產(chǎn)生較大的推力；

(3)主拱與拱上建筑的聯(lián)合作用顯著導(dǎo)致的腹拱內(nèi)力較大；

(4)主拱圈線形變化導(dǎo)致的腹拱拱腳變位，進(jìn)而引起的腹拱內(nèi)產(chǎn)生次內(nèi)力，類似于主拱。

1.3 拱上側(cè)墻開裂及主要成因

大量的實(shí)橋檢測資料表明，空腹式石拱橋另一個(gè)常見的結(jié)構(gòu)性病害為拱上側(cè)墻開裂。分析其主要成因?yàn)槠嚮钶d的作用以及主拱線形變化導(dǎo)致側(cè)墻根部受到較大的彎矩所致。

2 石拱橋結(jié)構(gòu)性病害的加固措施

針對不同的病害成因，加固改造需要采用合適的加固整治措施。常見的石拱橋加固方法主要有：(1)鋼筋混凝土套箍主拱圈加固法；(2)加設(shè)拱圈加固法；(3)梁拱式拱上建筑加固法，即調(diào)整拱上恒載法；(4)粘貼鋼板加固法；(5)釋能加固法等。這些主要是對主拱圈的加固方法。針對墩臺裂縫及結(jié)構(gòu)其他部位裂縫通常采用壓漿加固。

2.1 主拱圈加固措施

文獻(xiàn)[8]針對某空腹式石拱橋，主拱圈發(fā)現(xiàn)兩條縱向裂縫(一條位于主拱邊緣，寬約5～10 mm，長約15 m；另一條位于主拱圈中間，寬約1～3 mm，長約20 m)、橋臺從起拱線位置起往下開裂至基礎(chǔ)(縫寬1～3 mm)等病害，采用鋼筋混凝土套拱加固方法進(jìn)行了主拱圈加固。加固后有效降低了控制斷面的拉應(yīng)力，恢復(fù)了正常使用性能，且加固后顯著提高了整體結(jié)構(gòu)的剛度。

文獻(xiàn)[9]針對某空腹式石拱橋，主拱圈拱頂拱腹側(cè)有一條斜向裂縫，基本貫穿主拱(寬約10 mm)，且上游側(cè)拱腳側(cè)面開裂(寬約10 mm)，主拱圈風(fēng)化嚴(yán)重等病害，介紹了采用增大截面法、粘貼鋼板和及“釋能加固法”相結(jié)合的加固方法在石拱橋加固改造中的應(yīng)用。研究表明，“釋能加固法”針對石拱橋主拱圈加固中是適用的。

2.2 腹拱圈橫向開裂加固措施

文獻(xiàn)[10]針對某空腹式石拱橋，腹拱圈橫向開裂(裂縫長2～3 m，寬約2 mm)、縱向開裂(裂縫長約4～5 m，寬約3 mm)等病害，采用增設(shè)C40混凝土拱板復(fù)合拱圈等加固技術(shù)對該橋進(jìn)行了加固處理。通過加固后，該橋各控制截面承載能力提高15%以上。

3 結(jié)束語

石拱橋在交通服務(wù)方面扮演了重要的角色，然而通過大量的實(shí)橋檢測發(fā)現(xiàn)，石拱橋要么沒有結(jié)構(gòu)性病害，要么病害通常比較嚴(yán)重。鑒于石拱橋主要結(jié)構(gòu)性病害的力學(xué)原理比較清楚，在發(fā)現(xiàn)存在結(jié)構(gòu)性病害的情況下選擇合適的加固方案進(jìn)行整治，顯得極為重要。

本文簡要地梳理了大跨度石拱橋常見的結(jié)構(gòu)性病害及非結(jié)構(gòu)性病害，并分析了其主要成因，針對幾個(gè)特例匯總了加固措施，有關(guān)成果可供石拱橋的檢測、養(yǎng)護(hù)單位參考。

[1] 唐寰澄. 中國古代橋梁[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[2] 唐寰澄. 世界橋梁趣談[M]. 北京出版社, 2016.

[3] 李白薇. 趙州橋:跨越千年的奇跡[J]. 中國科技獎勵(lì), 2012(11): 76-77.

[4] 林樹涵. 趙州橋建造年代考[J]. 中國科技史料, 2000, 21(2): 152-157.

[5] 范志偉. 探尋趙州橋抗震之謎[J]. 防災(zāi)博覽, 2015(4): 64-67.

[6] 胡柏學(xué)，鐘珍云，謝海秋，等. 中國石拱橋發(fā)展述評[J]. 湖南交通科技, 2006(1): 124-126.

[7] 顧懋清. 拱橋·上冊[M]. 人民交通出版社, 2000.

[8] 方德銘，夏樟華，左小剛. 蘇家坡石拱橋病害原因分析及套拱加固[J]. 世界橋梁, 2011(2): 64-68.

[9] 周艷軍，蒙云，李憲偉. 釋能法在石拱橋加固改造中的應(yīng)用與實(shí)踐[J]. 山西建筑, 2009(25): 314-315.

[10] 趙芳. 舊石拱橋病害與加固分析[J]. 山東交通科技, 2014(6): 94-96.

[定稿日期]2017-06-21

羅婧文(1987～),女，碩士研究生, 工程師，從事橋梁檢測工作。

U445.7+1

B