分析石拱橋的橋梁病害及防護(hù)措施
2016-03-23
簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、低廉的造價(jià)是石拱橋的兩大特點(diǎn)，但也正因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，良好的使用性能只在短期內(nèi)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(hù)難的局面，所以分析病害的成因來找出對(duì)應(yīng)的治理和防護(hù)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(jié)
通過對(duì)全國各地的石拱橋進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，總結(jié)出以下幾點(diǎn)最為常見的病害:
(1)風(fēng)雪雨水侵蝕石材料，降低了石材的強(qiáng)度，引起老化現(xiàn)象，從而影響拱橋結(jié)構(gòu)的承載力。
(2)橋面的防水層被破壞或者嚴(yán)重至失效,造成了拱圈的漏水,對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響,縮短了橋梁的使用壽命。
(3)橋臺(tái)發(fā)生剪切變形，造成走動(dòng)，同時(shí)影響拱圈變形、跨度變化，甚至是拱頂界面開裂。
(4)產(chǎn)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(shí)縱向開裂到側(cè)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(huì)出現(xiàn)側(cè)墻的傾斜、扭轉(zhuǎn)、開裂，甚至是脫離現(xiàn)象。
(6)能擋住拱背填筑的側(cè)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(cè)墻開裂情況，第一是拱圈和側(cè)墻連接界面的脫離，第二是側(cè)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(jīng)常會(huì)發(fā)生拱圈石料的碎裂和剝落現(xiàn)象。
(8)最嚴(yán)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(fù)。
2.橋梁病害原因分析
關(guān)于以上八種常見的病害，經(jīng)過分析和比對(duì)，大致影響原因有以下幾點(diǎn)：
(1) 從設(shè)計(jì)上來看，石拱橋的設(shè)計(jì)一般多是無矯正拱形設(shè)計(jì),均為超靜定結(jié)構(gòu),所以容易發(fā)生拱橋的地基沉陷、墩臺(tái)移動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)拱橋橋墩在橫向出現(xiàn)沉降不規(guī)則的現(xiàn)象時(shí),主拱圈及側(cè)墻將會(huì)發(fā)生傾斜、扭轉(zhuǎn),嚴(yán)重的將會(huì)導(dǎo)致開裂。當(dāng)拱橋橋墩在縱向出現(xiàn)沉降不規(guī)則的現(xiàn)象時(shí),側(cè)墻將會(huì)產(chǎn)生豎向裂縫,主拱圈在下沉橋墩附近的橋底開裂,上緣與側(cè)墻脫離。
(2)主拱圈厚度太薄或材料強(qiáng)度不夠主造成拱圈開裂，嚴(yán)重影響橋梁的安全。如果分析石拱橋主拱圈內(nèi)力的話,會(huì)發(fā)現(xiàn)最大的正彎矩是在拱橋頂端的,而最大的負(fù)彎矩則出現(xiàn)在拱橋的腳部位置。當(dāng)設(shè)計(jì)人在設(shè)計(jì)控制截面時(shí),若設(shè)計(jì)的荷載內(nèi)力超過了截面抗力，或者是在砌拱橋的時(shí)候平行拱圈石頭沒有交錯(cuò)搭接，再加上橋面行車的震動(dòng)加劇,就會(huì)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(huì)對(duì)拱上構(gòu)造形成外加應(yīng)力,若是過于平坦的腹拱,其腹拱推力就比較大,同時(shí)加上不符合設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量比較差的施工條件，可能使腹拱出現(xiàn)裂縫而導(dǎo)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(duì)側(cè)墻產(chǎn)生的橫向推力及在與拱圈共同受力時(shí),側(cè)墻在U4截面產(chǎn)生拉應(yīng)力而導(dǎo)致拱橋墻體開裂。同時(shí)由于在護(hù)拱措施上設(shè)計(jì)較弱，石料的加工質(zhì)量較差，或者是無明顯護(hù)拱措施，由于防水和排水設(shè)施不完善導(dǎo)致拱圈和側(cè)墻出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。
(5)空腹式拱橋存在著鉸腹拱，為適應(yīng)變形的需要,側(cè)墻與橋面結(jié)構(gòu)需相應(yīng)設(shè)置伸縮縫或變形縫, 但因?yàn)闃蛎嫔炜s縫設(shè)置構(gòu)造過于簡(jiǎn)單，所以由于縫的存在，構(gòu)造上又不進(jìn)行改善,易引起橋面從變形縫處開始破壞，同時(shí)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(shí)，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(chǎn)生跳車，且車輛經(jīng)過跳車處時(shí),會(huì)引起腹拱嚴(yán)重振動(dòng),增加構(gòu)件的疲勞,勢(shì)必縮短橋梁的使用壽命 。
3.石拱橋防護(hù)措施討論
3.1防護(hù)原理與方法
石拱橋的防護(hù)措施可以分為兩個(gè)方面，一方面是加固，一方面是提升施工質(zhì)量。防護(hù)措施的基本原理則是為了減少主拱圈承受的拉應(yīng)力。石拱橋在承載載荷的影響下，除了承受荷載產(chǎn)生的軸向壓力外,還承受荷載對(duì)其產(chǎn)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(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)是壓彎構(gòu)件。根據(jù)材料力學(xué)的基本原理可以得知石拱橋受力狀況由荷載產(chǎn)生的內(nèi)力(軸力、彎矩),主拱圈截面的面積和抗彎彈性三個(gè)因素決定。
石拱橋加固方法：一方面可改變結(jié)構(gòu)體系、提升結(jié)構(gòu)性能，梁拱結(jié)合，將主拱圈的內(nèi)力減少,采用共同受力的方式, 減少主拱圈承受恒載內(nèi)力，或?qū)⒃瓨蜉p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(qiáng)度, 減小拱圈承受的拉應(yīng)力,達(dá)到加固主拱圈，提高承載的目的。
提升施工質(zhì)量的方法：加強(qiáng)拱架設(shè)計(jì)與施工過程控制，拱軸線與恒載壓力線應(yīng)盡量吻合，應(yīng)設(shè)置防水層和較好的橋面鋪裝。石料強(qiáng)度與尺寸必須滿足要求,施工時(shí)石料的強(qiáng)度必須滿足設(shè)計(jì)要求，可以采用砌筑經(jīng)濟(jì)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(zhì)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(hù)技術(shù)和結(jié)果分析
依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇對(duì)策,首先在分析影響對(duì)策選擇的諸因素的基礎(chǔ)上，選擇幾項(xiàng)主要影響因素,并安排好選擇時(shí)考慮加固方案的先后順序,合理的加固方案應(yīng)該達(dá)到下列要求：加固效果好，對(duì)使用功能影響小，技術(shù)可靠，施工簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)合理，外觀整齊。
?。?）加固技術(shù)—砌縫修補(bǔ)，采取勾縫修補(bǔ),阻止砌縫向深度發(fā)展。勾縫時(shí)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(qiáng)耐久性較好的粘接材料。對(duì)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(shù)—減輕拱上建筑恒載，減少主拱圈的內(nèi)力，減少主拱圈承受的恒載內(nèi)力，減小拱圈承受的拉應(yīng)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。
（3）加固技術(shù)—噴涂抗風(fēng)化劑，在要保護(hù)的橋面覆蓋600～1200泥沙或泥土，提高石材抗風(fēng)化能力?，F(xiàn)代石材抗風(fēng)化材料較多，摻以適當(dāng)?shù)墓袒牧?，覆土適當(dāng)夯實(shí)，但不得對(duì)拱橋產(chǎn)生較大震動(dòng)且不得對(duì)橋欄產(chǎn)生較大側(cè)壓力。
?。?）加固技術(shù)—澆筑套箍混凝土，加固護(hù)坡和橋基的時(shí)候，在橋基及兩側(cè) 10m 內(nèi)砌筑毛石護(hù)坡保護(hù)，增設(shè)一層鋼筋混凝土套箍層,達(dá)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(shù)—噴射高強(qiáng)混凝土，一部分橋欄構(gòu)件破損、缺失較嚴(yán)重，也較易于漂移與解體，先進(jìn)行逐段拆除再利用環(huán)氧砂漿將鋼板粘貼在結(jié)構(gòu)受損的部位，其方法是先錨入錨桿,利用錨桿掛設(shè)鋼筋網(wǎng),再施噴加入適量速凝劑的高強(qiáng)混凝土至結(jié)構(gòu)面,新舊混凝土緊密結(jié)合,以此達(dá)到加固的效果，補(bǔ)足影響橋體整體性的缺失構(gòu)件。
結(jié)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(yīng)力最大值可滿足拱圈石材砌體的抗壓強(qiáng)度要求，在枯水期正常使用情況下橋體主拉應(yīng)力最大值稍稍偏大，但從第一主應(yīng)力云圖可以看出，該應(yīng)力峰值僅出現(xiàn)于橋面局部位置，其對(duì)橋體整體安全性影響不大。加強(qiáng)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(jié)語
對(duì)石拱橋的防護(hù)不僅僅要全面分析其受病害的原因，還需要有針對(duì)地施行防護(hù)措施，采用合理方案對(duì)石拱橋進(jìn)行有力保護(hù)，對(duì)石拱橋的發(fā)展具有重大意義。
