浅析农村公路拱桥的加固技术
浅析农村公路拱桥的加固技术
【摘 要】介绍了昆明市农村公路拱桥的主要病害、形成原因，以及一些常用的拱桥加固技术，包括增厚拱板加固法、锚喷混凝土加固法、勾缝注浆加固法及钢筋混凝土套箍封闭主拱圈等，并结合实例具体分析。
【关键字】农村公路 拱桥 加固技术
我市农村公路拱桥修建年代较早，大多数为石拱桥、混凝土拱桥，由于当时的技术水平和建材条件有限，一些更适合采用梁式桥的地方，比如软基、宽浅河床地区，都采用了拱桥，且设计标准低、荷载承载能力普遍不高，经过几十年的运行，多数出现不同的病害，存在严重的安全隐患，在农村公路养护中应特别注意，以便及时发现病害并给予加固处理或重建。
现就我市农村公路拱桥的实际情况，针对病害的形成原因和维修加固方式，谈谈自己的一些经验。
一、拱桥主要病害及形成原因
（1）主拱圈开裂或砌石断裂
主拱圈的裂缝可以分为纵向裂缝、径向裂缝两大类：
纵向裂缝是产生与拱肋和拱波的结合面上，平行于拱轴线方向的裂缝，其产生的原因主要是主拱圈整体性差和桥台水平位移较大所致。纵向裂缝分为法向拉力纵向缝和剪力纵向缝两种。法向拉力纵向裂缝多出现在拱顶附近正弯矩较大的区段，剪力纵向裂缝出现在拱脚附近剪力较大的区段。?
径向裂缝是垂直于拱轴线方向的裂缝，主要有拱肋径向裂缝和拱背径向裂缝两种，拱肋径向裂缝产生在拱顶附近正弯矩较大的区段，往往是由于桥台发生过大的水平位移，拱顶部位正弯矩大大增加，拱肋的拉应力超过极限拉应力所致，拱背径向裂缝多产生在拱脚附近负弯矩大的区域，桥台发生过大的水平位移也常出现拱背径向裂缝。
主拱圈开裂或砌石断裂主要原因有，因强度不够引起的拱圈开裂或断裂；两个拱脚墩台不均匀沉降引起的拱圈开裂；墩台沿桥梁纵向发生向后或向桥孔方向移动引起的拱圈开裂；砌筑的圬工拱桥，沿连接部位或砌缝发生的环向裂缝；拱上填料过重引起的主拱圈开裂。
（2）拱上侧墙开裂或鼓凸变形
拱上侧墙开裂，主要原因是侧墙变形与主拱变形不协调，一种是主拱圈变形量过大，另一种原因是侧墙构造不当；拱上侧墙鼓凸原因主要有填料不实、拱腔积水及侧墙尺寸偏小等。
（3）腹拱破坏
在对郊区危改拱桥的调查中，发现几乎所有的拱桥腹拱都不同程度的被破坏，尤其在腹拱与横强交接的部位，常常破碎，这是因为腹拱圈预制分块太多以及勾缝水泥砂浆标号过低，致使其整体性差，在载荷反复作用下必然导致各腹孔产生不同程度的纵、横向裂缝。
（4）拱波破坏
旧桥的拱波大部分是预制的弯板，板板之间只通过砂浆进行联系，由于联系薄弱容易形成单板受力，拱波容易被压坏而出现裂缝，随着裂缝的扩展拱波容易出现渗漏现象。?
（5）横系梁破坏?
由于横向联系薄弱，主拱圈容易出现偏载，加上横系梁和主拱圈是刚性连接，受力非常大，容易出现应力超限而被拉坏。?
（6）桥面系破坏
造成桥面系破碎的原因主要有两个方面，一是缺乏基层，拱桥上填料厚薄不一，对面层的刚性不一，沉陷不一，砂砾填料只能算桥面的垫层，具有足够的强度但是整体性能差，二是重车交通量增长，加剧了桥面的病害。另外，材料性能不好，施工工序或施工加载不正确、气温条件的影响也是产生和加剧病害的主要原因。
二、加固设计原则
拱桥加固设计应遵循的原则：
（1）对症下药，标本兼治。根据旧桥的病害情况和整体受力情况具体分析，找出原因，对症下药。
①通过检测判断桥梁已有病害的性状、程度，选用科学的方法评价结构的实际承载力；
②选用合适的加固技术，确保达到加固的目的；
③对已发现的病害，要一次维修到位，以免留下后患。
（2）方便施工原则。加固方案的选定或设计要充分考虑到当地的施工条件和施工难度，便于施工。
（3）经济性原则。
①加固维修费用少于新建费用的40%时，应优先考虑加固；
②在确定加固方案时，应选择费用最经济合理的加固方法。
（4）对原结构的损伤，应尽可能减至最低。加固时，为使新老混凝土结合好，共同承载，一般采取钻孔锚筋、凿毛原有混凝土等措施，对原有结构的损伤应尽可能少。
（5）加固方案的选择应尽可能地不中断交通，或者少中断交通，或在施工中搭建便桥，既方便施工，也减少干扰。
三、加固方法
针对不同的原因引起的病害，采取不同的方法对旧桥加固，对于侧墙部分的开裂，一般情况下仅做修补裂缝处理即可。拱上侧墙鼓凸变形部分，应拆除重新砌筑。
通常，农村公路拱桥主要加固方法有增厚拱板加固法、锚喷混凝土加固法、勾缝注浆加固法、钢筋混凝土套箍封闭主拱圈法、更换拱桥上部结构法、缩短跨径法等。
由于更换拱桥上部结构法、缩短跨径法造价和对施工要求较高，且需要中断交通，因此在这里不提倡采用这两种加固方法。
（1）增厚拱板加固法
①适用范围
圬工拱桥拱圈顶部产生裂缝，或沿砌缝发生的环向裂缝，这种情况下，可以采取增厚拱板的加固方法。
加厚时先将拱上填料拆除，再沿全桥宽浇筑混凝土拱板，内设钢筋网，加厚拱板的截面形式如图（图1-1）所示，如果是与旧混凝土结为整体，施工时需要将原混凝土表面进行凿毛，然后冲洗干净再浇筑新混凝土，其主要工序就是拆除旧拱背填料，重新浇筑钢筋混凝土的过程。浇筑的混凝土板长于桥头约3～4m，并处理好桥头排水问题，必要时增设部分排水设施，禁止水流冲刷主拱圈。
②拱板构造
a．加厚时必须采取凿毛被加固拱板的表面，在原拱板上设置预埋抗剪钢筋等措施，保证新老拱板之间紧密粘结。
b．新增拱板应按照构造要求设置钢筋网，钢筋网设置在现浇层上表面并保证保护层厚度，钢筋间距可按桥梁施工规范中对构造钢筋的规定。
③施工工艺流程
将原混凝土凿毛、清洗表面 → 绑扎钢筋网 → 现浇混凝土 → 设置桥头排水盲沟，与纵向排水相连接 → 按照公路桥涵施工规范要求养生
（2）锚喷混凝土加固法
锚喷混凝土加固是将锚杆锚入拟补强部位结构内，挂设补强钢筋网，然后在喷射一定厚度混凝土，形成与原结构共同承受外载作用的组合结构。
①锚喷混凝土的特点
混凝土的运输、浇灌和捣固结合为一道工序，大大简化了施工工序；设备占地面积小，机动灵活；节省劳动力，具有广泛的适应性；施工快捷简便，不中断交通等特点。
喷射混凝土能射入宽度2mm以上的裂缝，与被加固的结构紧密结合，形成一个整体。锚喷混凝土施工时可在混合料中加入外加剂或外掺料，大大改善喷射混凝土的性能。比如加入速凝剂，则喷射混凝土具有凝结快、早期强度高等特点。
②锚喷混凝土强度
采用的喷射混凝土与钢筋的强度等级，不应低于原结构的强度等级。
a.钢筋网。钢筋网主要弥补原结构抗弯能力不足，或需要提高旧桥的承载能力所增加的外荷载作用由钢筋网承担。钢筋网一般采用Ⅱ级螺纹钢。
b.喷射混凝土
抗压强度。是评定喷射混凝土质量的主要指标。抗压强度受多种因素影响，如材料的品种和质量，混凝土的配合比，以及施工工艺等。
试验资料表明，分层喷射混凝土对抗压强度没有影响，因此，对于需要较厚喷射混凝土时可采取分层喷射的施工方法。
黏结强度。为确保锚喷混凝土和旧桥原有结构能够共同受力，其黏结强度是特别重要的。
国内外资料表明，喷射混凝土与旧桥混凝土的黏结强度为0.7～2.85MPa，界面抗拉黏结强度1.47～3.49MPa。
③锚喷混凝土的施工工艺要点
根据喷射混凝土的搅拌和运输方式，喷射混凝土一般有干式和湿式两种。而目前我国广泛采用喷射技术。
凿毛并加固拱圈的表面；
b．按设计要求在构件表面安设锚固钢筋；
c．绑扎钢筋网与锚固钢筋焊接，钢筋周围应有足够的间隙，以便混凝土能够完全包裹钢筋；
d．按照试验配合比将混合料送进湿喷机；
e．表面修整。喷射面应自然整平；
f．混凝土养生，养生时间不小于7天。
（3）勾缝注浆加固法
①特点与运用范围
勾缝注浆加固，顾名思义就是将产生的裂缝用高标号砂浆勾缝，再打孔注浆的加固方法，主要适用于拱圈裂缝较小的情况，该方法具有较小程度影响旧桥原貌，设备占地面积小、机动灵活，经济型合理，施工方便快捷，具有广泛适应性等特点。该方法主要适用于我市农村公路石拱桥的加固。
②技术要点
根据桥梁具体病害情况，采用不同的砂浆强度标号，一般情况下不低于M10，或者用环氧树脂胶砂勾缝，环氧树脂胶①粘结力强、稳定性好、机械强度高等特点，目前被广泛采用。
①环氧树脂胶一般是指以环氧树脂为主体所制得的胶粘剂,环氧树脂胶一般还应包括环氧树脂固化剂，否则这个胶就不会固化。
环氧树脂胶又分为软胶和硬胶。环氧树脂软胶：它是一种液型，双组份、软性自干型软胶，无色、透明，具有弹性，轻度划擦表面即自行恢复原形。适用于涤纶、纸张、塑料等标牌装饰。环氧树脂硬胶：它是一种液型，双组份硬性胶，无色、透明，适用于金属标牌同时可制作各种水晶钮扣、水晶瓶盖、水晶木梳、水晶工艺品等高档装饰品。
待勾缝施工结束、养生达到强度后进行注水泥浆，所注水泥浆水灰比②一般为1：1，注浆压力不大于1MPa。
②水灰比：拌制水泥浆、砂浆、混凝土时所用的水和水泥的重量之比。水灰比影响混凝土的流变性能、水泥浆凝聚结构以及其硬化后的密实度，因此在组成材料给定的情况下，水灰比是决定混凝土强度、耐久性和其他一系列物理力学性能的主要参数。对某种水泥就有一个最适宜的比值，过大或过小都会使强度等性能受到影响。
③施工工艺要点
a.水泥砂浆勾缝后应注意养生，待砂浆到达强度后，方可进行下一步工序；
b.果有不同的砌石出现断裂或鼓凸，应注意只能处理一块，待强度形成后再处理下一块，禁止同时处理几块砌石；
c.砌石接缝处打孔注浆。
（4）钢筋混凝土套箍封闭主拱圈法
该方法主要适用于双曲拱桥。拱肋加固应根据地形环境、地质水文、气象情况、施工质量、病害严重程度、调查检测结果、荷载试验、计算结果、桥梁重要性及社会影响等综合考虑，进行方案设计。以下是一些常见的处理方案：
1、如果施工质量有问题，首先应该对拱肋进行修补。
2、如果拱肋只是局部强度不足，可局部粘贴钢板或碳纤维进行补强。
3、如果拱肋病害是由于墩台变位引起的，则重点应加固墩台，让墩台复位稳定。例如可采用顶推拱座的办法复位基础水平变位。
4、如果两拱肋在荷载作用下相对变形较大，横系梁较弱，则应加强横向联系，在拱肋、立柱、纵梁间增设横系梁，以加强横向整体性。
5、对于特别重要的桥梁，例如一旦断道加固施工就会造成整条路线的交通中断，附近还没有绕行路线，社会影响较大，在设计加固方案时应考虑更为安全可靠、安全储备较大、经久耐用、一劳永逸的加固方案。此时可改变拱肋的结构形式，例如在中间加肋将肋拱变为板拱，或改变拱上构造将肋拱变为析架拱，或加拉索拉住拱肋将肋拱变为斜拉拱桥，或增加墩柱减小跨径等，必要时也可撤掉肋拱桥重新修建其它桥型。
6、为了提高原桥的受力整体性和承载能力，增强结构的整体耐久性，可采用变截面钢筋混凝土套箍封闭主拱圈技术对主拱圈进行加固，即沿主拱圈外环现浇增设一层钢筋混凝土套箍层，利用截面增大、断裂力学及“套箍效应”三个机理，达到提高原桥承载力的目的，其施工工序如下：
主拱圈表面凿毛→安设主拱圈砂浆锚杆→主拱圈纵横钢筋就位→现浇钢筋混凝土套箍层→混凝土养生。为使主拱圈受力更为合理，钢筋混凝土套箍层沿纵向采用变截面的型式。
⑴ 立柱：一般立柱强度及稳定性均不会有问题，如有强度及稳定性不足，可采用增加纵横系梁或环包碳纤维的方法处理。立柱端头局部混凝土压碎，可采用环裹钢筋网加大柱截面的方法处理。
⑵ 桥面板：
a.部分换板：由于桥面板的强度不足，可重新预制安装或现浇强度和配筋均加强的桥面板。
b.改善胀缝状况：对于桥面板的纵缝，要冲洗干净并风干后，采用环氧树脂砂浆进行灌缝。
c、改造板间铰缝：桥面板设计是按铰接板法计算内力，铰缝的浇注质量决定板间内力，所以应注视铰缝的浇筑质量，从而保证桥面板强度。
⑶ 轻质拱上填料
对于旧桥更换拱上填料时尽量采用轻质的陶粒混凝土③，并严格保证陶粒混凝土的密实度使得拱桥结构协同受力。
③陶粒混凝土又称为轻骨料混凝土。 它是由胶凝材料和轻骨料配制而成的，容重不大于1.9t/m3。 可分为全轻混凝土(用轻砂)与砂轻混凝土(用普通砂)。
按用途可分为保温用的：密度为0.8t/ m3以下；结构保温用的：密度为0.8～1.4t/ m3；结构用的：密度为1.4t/ m3以上。轻骨料混凝土的耐热、防火性能较普通混凝土的好，但弹性模量则较低。
以陶粒为粗骨料，以普通砂或陶砂为细骨料的轻骨料混凝土称为陶粒混凝土。 结构用陶粒混凝土的强度可大于40MPa，保温及耐热性能较好。可用于房屋建筑、桥梁、船及窑炉基础等。
⑷ 改善排水
桥面排水系统是桥梁结构非常重要的组成部分。损坏的排水系统应进行改善或更换，必要时在桥头增设截水沟、盲沟或其它排水设施，确保桥梁上部结构不被雨水冲刷，从而延长桥梁使用寿命。
四、实例分析
实例一：阿底大桥
（一）阿底大桥检测情况
1、桥梁概况
阿底大桥位于昆明市官渡区大板镇，该桥为单跨石拱桥，在四级公路上，桥梁长度28.4m，宽度为7.46m，主拱圈宽度8.5m，跨径3.95m，矢高为2.05m，主拱圈实测矢跨比1/2.34，修建于1991年。该桥为东西走向，东侧为官渡城区方向。
由于增加桥面填料厚度较大，恒载增加较多，导致主拱圈纵向、斜向开裂严重，桥台前墙和侧墙出现较多的竖向裂缝，对桥梁的承载能力造成较大影响，因此对该桥进行了详细检测及承载能力检算。
图4-1 阿底大桥正面照
图4-2 桥台侧面编号图
2、病害检查及成因分析：
（1）桥面铺装冲刷严重，形成水沟是由于桥面纵坡较大，雨水从山上沿桥面流下且水流较大，水流冲刷而形成；1号桥台后铺装形成车辙是由于桥面是沙石路面，降水导致铺装松软，车辆行驶到桥面时导致桥面形成较深的车辙。
（2）主拱圈上病害主要是出现纵向、斜向裂缝，裂缝宽度较大，最大开裂6cm，是由于恒载增加导致主拱圈产生纵向、斜向裂缝，导致桥台的台后填土侧向土压力增加，裂缝一直从主拱圈延伸到桥台，桥台出产生较大的竖向裂缝。
（3）桥台前墙及侧墙出现较多竖向裂缝，裂缝最大宽度为2.5cm，是由于桥上恒载增加导致侧墙侧向压力增加较大，导致桥台侧墙外鼓，造成桥台产生竖向裂缝。
4、检测结果要点
根据检测单位检测报告，检测结果要点如下：
（1）桥面铺装冲刷严重，形成水沟；1号桥台后铺装形成车辙。
（2）主拱圈上病害主要是出现纵向、斜向裂缝，裂缝宽度较大，最大开裂6cm，是由于恒载增加导致主拱圈产生纵向、斜向裂缝，导致桥台的台后填土侧向土压力增加，裂缝一直从主拱圈延伸到桥台，桥台出产生较大的竖向裂缝。
（3）桥台前墙及侧墙出现较多竖向裂缝，裂缝最大宽度为2.5cm，是由于桥上恒载增加导致侧墙侧向压力增加较大，导致桥台侧墙外鼓，造成桥台产生竖向裂缝。
（4）由于无设计图纸，结构设计尺寸未知，因此此项调查主要工作是现场测量结构的实际尺寸，为后续工作提供依据。
（5）主拱圈实测矢跨比1/2.34，拱轴线曲线总体比较平顺，在距西拱脚处0.344m处出现凸起，原因是由于此处主拱圈底面产生纵向、斜向裂缝，主拱圈产生变形。
（6）从桥面线形曲线可以看出：桥面桥头处不平顺，引起桥头跳车，对行车行驶造成不利影响；三条桥面线形基本一致，桥面纵向坡度较大，坡度为15.6%；曲线左桥面桥头处有凸起，原因是由于桥面坡度较大，水流冲刷桥面，造成泥土堆积在此处，造成此处标高较高。从桥面防撞墩线形曲线可以看出：两条桥面线形基本一致，线形比较平顺，桥台台后高填土无明显沉降。
（7）石材的强度等级为MU60，因该桥无设计图纸，实测石材强度可为桥梁承载能力评定提供依据。
（8）根据现场检测结果，推定砂浆强度平均值按强度较低的数值取用，推定砂浆强度取14.5MPa。
（9）在四级公路等级公路Ⅱ级0.8倍折减荷载作用下，主拱圈截面强度满足规范要求；拱脚截面直接抗剪验算满足规范要求；挠度验算满足规范要求。
5、结论
根据桥梁技术状况检测结果：主拱圈上病害主要是出现纵向、斜向裂缝，裂缝宽度较大，最大开裂6cm；桥台前墙及侧墙出现较多竖向裂缝，裂缝最大宽度为2.5cm。桥台前墙出现3条竖向裂缝，最大裂缝宽度2.5cm。桥台侧墙出现6条竖向裂缝，最大裂缝宽度1.5cm。该桥技术状况处于差的状态。
（二）维修加固建议
根据检测单位检测报告，经省公路局专家、官渡区交通局工程师研究决定，建议采取以下维修加固方案：
1.将桥面碎石除去约30cm，现浇水泥混凝土面板，内设钢筋网，厚度不小于24cm，面板铺筑长过桥头约3～4m，面板起到承受荷载的作用；（见图4-3）
2.在桥头两端设置排水盲沟，并与纵向排水相衔接，防止水流冲刷主拱圈；
3.水泥混凝土面板应设接缝，按照《水泥混凝土路面施工规范》施工；
4.拱圈裂缝处用水泥砂浆勾缝，缝内注浆，注意勾缝处养生，杜绝形成施工裂缝，然后观察裂缝发展情况，及时向主管部门汇报。
5、建议该桥设置限载标志牌5t。
图4-3
实例二：大村石拱桥
（一）大村石拱桥现状
大村石拱桥位于昆明市官渡区大板镇，修建于清朝嘉庆8年，距今已有一百多年历史，桥梁全长18m，跨径1×8m，桥面净宽6m，拱桥矢跨比1/2，上部结构形式为石拱桥，下部结构为扩大基础，桥台为重力式桥台，桥面铺装为碎石路面。
据专家现场勘查，目前存在严重病害：拱底跨中区域裂缝，多块砌石(5块)纵向开裂，形成纵向通逢；拱底跨中区域错位，存在3块砌石错位下滑；拱上侧墙砌石鼓凸变形。
现成原因：修建年代年代久远，随着车辆荷载逐渐增加，拱底跨中区域裂缝，多块砌石(5块)纵向开裂，形成纵向通逢，对桥梁的承载能力造成较大影响，
图4-4 大村石拱桥侧面照
（二）维修加固建议
本着保护文物、恢复桥梁原貌的原则，经省公路局专家、官渡区交通局工程师研究决定，建议采取以下维修加固方案：
1.待雨季过后，河流流量小，在河床上垫一块厚为1.5cm以上的木板，搭设支架，支架顶端设有垫块，垫块与砌石留有5cm空隙，将支架固定后，用准备好的木楔慢慢塞紧空隙，从而将坠落的砌石恢复（见图4-5）；
2.用强度等级为M10的水泥砂浆进行勾缝，待砂浆达到强度后在砌石接头处打孔注浆（水灰比1：1，压力不大于1Mpa），等到水泥浆凝结达到强度后再处理下一块断裂的砌石，严禁同时处理几块错位下滑的砌石；
3. 拆除拱上鼓凸变形的侧墙，重新砌筑侧墙，补新填料；
4.由于桥头与路基弯道相连，应将路基弯道适当前移，确保桥梁基础受力均匀。
5.施工时应注意安全，采取确保施工安全的措施。
6.在桥头增设排水沟或其它排水设施，确保排水顺畅。
图4-5
参考文献
[1] 张劲泉 王文涛 桥梁检测与加固手册 [M].人民交通出版社，2007
[2] 杨振华 农村公路养护与管理 [M].人民交通出版社，2007
[3] 袁雪戡 公路桥涵养护规范 [M].人民交通出版社，2008
[4] 秘书处 都市公路 [N].全国中心城市公路信息网，2009
[5] 张学亮 阿底大桥检测报告 [M].广西交通科学研究院，2009
注：[J]指期刊，[M]指著作，[N] 指报刊，[D]指学位论文
浅析农村公路拱桥的加固技术.doc
