分析石拱橋的橋梁病害及防護措施
2016-03-23
簡單的設計、低廉的造價是石拱橋的兩大特點，但也正因為其設計簡單，良好的使用性能只在短期內比較明顯。隨著年代的增長，病害增多、改造不易造成石拱橋養(yǎng)護難的局面，所以分析病害的成因來找出對應的治理和防護方案，更有利延長石拱橋的安全使用年限。
石拱橋病害的總結
通過對全國各地的石拱橋進行實地調研，總結出以下幾點最為常見的病害:
(1)風雪雨水侵蝕石材料，降低了石材的強度，引起老化現(xiàn)象，從而影響拱橋結構的承載力。
(2)橋面的防水層被破壞或者嚴重至失效,造成了拱圈的漏水,對結構安全產生影響,縮短了橋梁的使用壽命。
(3)橋臺發(fā)生剪切變形，造成走動，同時影響拱圈變形、跨度變化，甚至是拱頂界面開裂。
(4)產生裂縫并由橋墩的豎向向上發(fā)展到拱圈的縱向開裂，同時縱向開裂到側墻的下方，從拱橋的頂端到底端不斷消失
(5)在地基的縱向和橫向分別發(fā)生無規(guī)則沉降，造成的拱圈的破壞，還會出現(xiàn)側墻的傾斜、扭轉、開裂，甚至是脫離現(xiàn)象。
(6)能擋住拱背填筑的側墻由于厚度不足擋土力量不夠而向外突出，或者出現(xiàn)兩種側墻開裂情況，第一是拱圈和側墻連接界面的脫離，第二是側墻自身的分裂。
(7)拱橋底端的拱圈被壓碎，在一些拱橋上都能發(fā)現(xiàn)，經常會發(fā)生拱圈石料的碎裂和剝落現(xiàn)象。
(8)最嚴重的一種就是跨度不好的拱橋被洪水沖垮，需要重建，無法修復。
2.橋梁病害原因分析
關于以上八種常見的病害，經過分析和比對，大致影響原因有以下幾點：
(1) 從設計上來看，石拱橋的設計一般多是無矯正拱形設計,均為超靜定結構,所以容易發(fā)生拱橋的地基沉陷、墩臺移動的現(xiàn)象。當拱橋橋墩在橫向出現(xiàn)沉降不規(guī)則的現(xiàn)象時,主拱圈及側墻將會發(fā)生傾斜、扭轉,嚴重的將會導致開裂。當拱橋橋墩在縱向出現(xiàn)沉降不規(guī)則的現(xiàn)象時,側墻將會產生豎向裂縫,主拱圈在下沉橋墩附近的橋底開裂,上緣與側墻脫離。
(2)主拱圈厚度太薄或材料強度不夠主造成拱圈開裂，嚴重影響橋梁的安全。如果分析石拱橋主拱圈內力的話,會發(fā)現(xiàn)最大的正彎矩是在拱橋頂端的,而最大的負彎矩則出現(xiàn)在拱橋的腳部位置。當設計人在設計控制截面時,若設計的荷載內力超過了截面抗力，或者是在砌拱橋的時候平行拱圈石頭沒有交錯搭接，再加上橋面行車的震動加劇,就會出現(xiàn)拱橋的下半部分出現(xiàn)開裂的情況。
(3)主拱圈變形會對拱上構造形成外加應力,若是過于平坦的腹拱,其腹拱推力就比較大,同時加上不符合設計要求的質量比較差的施工條件，可能使腹拱出現(xiàn)裂縫而導致開裂現(xiàn)象。
(4)在拱橋上填料由于自身恒載及外活載作用下,對側墻產生的橫向推力及在與拱圈共同受力時,側墻在U4截面產生拉應力而導致拱橋墻體開裂。同時由于在護拱措施上設計較弱，石料的加工質量較差，或者是無明顯護拱措施，由于防水和排水設施不完善導致拱圈和側墻出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。
(5)空腹式拱橋存在著鉸腹拱，為適應變形的需要,側墻與橋面結構需相應設置伸縮縫或變形縫, 但因為橋面伸縮縫設置構造過于簡單，所以由于縫的存在，構造上又不進行改善,易引起橋面從變形縫處開始破壞，同時橋面多采用瀝青、油毛氈防水層,其中油毛氈容易老化,特別是變形縫處,很難保證瀝青麻絮密實，所以引起橋面破壞，從而影響行車安全，輕則使行車輕微顛簸,重則產生跳車，且車輛經過跳車處時,會引起腹拱嚴重振動,增加構件的疲勞,勢必縮短橋梁的使用壽命 。
3.石拱橋防護措施討論
3.1防護原理與方法
石拱橋的防護措施可以分為兩個方面，一方面是加固，一方面是提升施工質量。防護措施的基本原理則是為了減少主拱圈承受的拉應力。石拱橋在承載載荷的影響下，除了承受荷載產生的軸向壓力外,還承受荷載對其產生的彎矩和剪力,但其中可以忽略剪力的作用，所以石拱橋結構的承重結構是壓彎構件。根據(jù)材料力學的基本原理可以得知石拱橋受力狀況由荷載產生的內力(軸力、彎矩),主拱圈截面的面積和抗彎彈性三個因素決定。
石拱橋加固方法：一方面可改變結構體系、提升結構性能，梁拱結合，將主拱圈的內力減少,采用共同受力的方式, 減少主拱圈承受恒載內力，或將原橋輕型的剛架改變?yōu)橹亓κ焦吧辖ㄖ?減輕主拱圈承受的恒載重量。另一方面可增大主拱圈截面面積，增加拱圈的強度, 減小拱圈承受的拉應力,達到加固主拱圈，提高承載的目的。
提升施工質量的方法：加強拱架設計與施工過程控制，拱軸線與恒載壓力線應盡量吻合，應設置防水層和較好的橋面鋪裝。石料強度與尺寸必須滿足要求,施工時石料的強度必須滿足設計要求，可以采用砌筑經濟性較好的小石子混凝土代替水泥砂漿砌筑片石或塊石。確保砌筑工藝質量，做好鑲面,保證外觀，選擇合適的主拱圈合龍溫度。
3.2防護技術和結果分析
依據(jù)經驗選擇對策,首先在分析影響對策選擇的諸因素的基礎上，選擇幾項主要影響因素,并安排好選擇時考慮加固方案的先后順序,合理的加固方案應該達到下列要求：加固效果好，對使用功能影響小，技術可靠，施工簡便，經濟合理，外觀整齊。
?。?）加固技術—砌縫修補，采取勾縫修補,阻止砌縫向深度發(fā)展。勾縫時先用手鑿鑿去已破損的灰漿，清洗橋體表層2～3層塊材間灰縫，深度3cm ～5cm，填以現(xiàn)代水泥基高強耐久性較好的粘接材料。對于縱向裂縫,尤其是受力裂縫,要以水泥漿料填孔，并縱向排列。
?。?）加固技術—減輕拱上建筑恒載，減少主拱圈的內力，減少主拱圈承受的恒載內力，減小拱圈承受的拉應力來提高拱橋承受活載的能力。可以用輕型拱上建筑取代腹拱式拱上建筑，將腹孔的重力式橫墻挖空或改成鋼筋混凝土立柱。用輕型材料代替拱料，使用輕型橋面系。
?。?）加固技術—噴涂抗風化劑，在要保護的橋面覆蓋600～1200泥沙或泥土，提高石材抗風化能力?，F(xiàn)代石材抗風化材料較多，摻以適當?shù)墓袒牧?，覆土適當夯實，但不得對拱橋產生較大震動且不得對橋欄產生較大側壓力。
?。?）加固技術—澆筑套箍混凝土，加固護坡和橋基的時候，在橋基及兩側 10m 內砌筑毛石護坡保護，增設一層鋼筋混凝土套箍層,達到提高原橋承載力的目的。為使主拱圈受力更加合理,鋼筋混凝土套箍層沿縱向采用變截面的形式,從跨中至拱腳逐漸變大。
?。?）加固技術—噴射高強混凝土，一部分橋欄構件破損、缺失較嚴重，也較易于漂移與解體，先進行逐段拆除再利用環(huán)氧砂漿將鋼板粘貼在結構受損的部位，其方法是先錨入錨桿,利用錨桿掛設鋼筋網(wǎng),再施噴加入適量速凝劑的高強混凝土至結構面,新舊混凝土緊密結合,以此達到加固的效果，補足影響橋體整體性的缺失構件。
結果分析：石拱橋在枯水期正常使用情況下及橋體受淹后主拱圈主壓應力最大值可滿足拱圈石材砌體的抗壓強度要求，在枯水期正常使用情況下橋體主拉應力最大值稍稍偏大，但從第一主應力云圖可以看出，該應力峰值僅出現(xiàn)于橋面局部位置，其對橋體整體安全性影響不大。加強橋體上部塊材間的整體性，變石材通縫受力為齒縫受力，橋體抗解體的能力可提高好幾倍；就彎曲抗拉而言，橋體抗解體的能力可提10倍。
4.結語
對石拱橋的防護不僅僅要全面分析其受病害的原因，還需要有針對地施行防護措施，采用合理方案對石拱橋進行有力保護，對石拱橋的發(fā)展具有重大意義。
