石拱橋病害分析及加固方案

山區(qū)石拱橋修建年代久遠，社會快速發(fā)展車輛通行量增加快，遠橋梁設計荷載不滿足現(xiàn)行要求。導致原石拱橋出現(xiàn)各種病害，本文就石拱橋出現(xiàn)的典型病害行進分析并提出切實可行的加固方案。1、石拱橋主要病害1.1上部結構石拱圈砌縫砂漿脫落、滲水析白、砌體風化、拱上側墻裂縫垮塌、拱腳出現(xiàn)裂縫。1.2下部結構主要病害為橋臺滲水、基礎沖刷、外露基巖風化。1.3橋面系橋面鋪裝裂縫、局部破損。2、病害分析2.1上部結構石拱圈的砌體砌縫砂漿脫落嚴重、滲水析白、砌體風化、拱上側墻裂縫垮塌、拱腳出現(xiàn)裂縫。該類型病害是石拱橋的通病，主要原因是由于當時建設條件如資金、修建工藝等的限制，采用的砂漿強度較低且砌縫砂漿不飽滿，經(jīng)過幾十年的風雨侵蝕、活載震動，導致砌縫砂漿逐漸掉落。又因缺乏防、排水措施，橋面雨水滲入拱腔內，沿拱體砌縫滲漏，在拱底形成滲水、結晶析白的現(xiàn)象；行車荷載增加超過原橋設計荷載導致橋梁拱圈出現(xiàn)裂縫。2.2下部結構橋臺基礎沖刷嚴重。主要原因是基礎未設置防護，常年洪水沖刷導致基礎沖刷。2.3橋面系原橋拱腔填料長期受水侵泡，在車輛荷載作用下導致橋面鋪裝裂縫，局部破損。3、加固方案3.1石拱橋加固遵循的基本原則：(1)維修處治設計嚴格按照相關規(guī)范進行。(2)盡量減少對原結構的損傷；(3)加固技術成熟可靠，具有長期加固效應，能滿足結構耐久性要求；(4)施工設備簡單，施工操作方便；(5)材料用量少，費用低；(6)后期養(yǎng)護工作量少；(7)加固施工時盡量不中斷交通。3.2加固方案討論通過對老橋的核算分析，不滿足公路現(xiàn)行荷載等級要求；為提高橋梁的承載能力，應對老橋進行加固。結合該橋實際情況，討論以下幾種加固方案：3.2.1.1貼鋼板法加固補強方案本方案一般采用環(huán)氧樹脂將鋼板材料粘貼在鋼筋混凝土構件表面，使之與結構物形成整體，從而取得提高構件的抗彎、抗剪能力，以及減少裂縫擴展的效果。該加固方案以下特點：(1）施工方便；（2）粘貼鋼板所占空間較小，不減小橋梁凈空；（3）加固施工工期短，消耗材料少；（4）粘貼加固部位、范圍與強度可視設計構造需要靈活設置，并可在不影響或少影響交通的情況下施工。（5）采用環(huán)氧樹脂系列的粘結材料將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉或薄弱部位，使之與原結構物共同受力，以提高其剛度，改善原結構鋼筋及混凝土的應力狀態(tài)，限制裂縫的進步發(fā)展，從而達到加固補強，提高橋梁承載力的目的。3.2.1.2外包〈現(xiàn)澆〉混凝土加固補強方案外包混凝土加固又稱加大截面加固法，它是增大構件的截面和配筋，用以提高構件的強度、穩(wěn)定和抗裂性，也可用來修補裂縫等，梁式橋和拱式橋等舊橋加固均可采用此方法。根據(jù)被加固構件受力的特點和加固目的、構件部位與尺寸、施工方便等，可設計為單側、雙側和三側加固，以及四周外包加固。根據(jù)不同的加固目的和要求，又可分為以加大截面尺寸為主的加固和加大配筋為主的加固，或者兩者同時采用的加固。加大截面為主的加固，為了保證補加的混凝土正常工作，亦需適當配置構造鋼筋。如以配鋼筋為主加固，為了保證配筋的正常工作，需按鋼筋的間距和保護層等構造要求決定適當增大截面尺寸。加固中應將新舊鋼筋以焊接，或用錨桿聯(lián)接補強鋼筋和原構件，同時將舊混凝土表面鑿毛清洗干凈，確保新舊混凝土良好結合。外包混凝土加固法使用普通混凝土，強度不低于C30號，當加固層較薄，鋼筋較密時，可用細石子混凝土，在條件許可的情況下亦可用鋼纖維混凝土加固，配置的鋼材除普通鋼筋外，還可采用型鋼和鋼板。外包混凝土加固法的缺點是現(xiàn)場濕作業(yè)工作量大，養(yǎng)護期較長，并對結構外觀和凈空有一定影響。3.2.1.3錨噴混凝土加固補強方案“錨噴混凝土”實際有兩部分組成，首先是將錨桿錨入擬補強結構內，掛設補強鋼筋網(wǎng)，然后再噴射一定厚度的混凝土形成與原結構共同承受外荷載作用的組合結構。所以錨噴混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣將新混凝土混合料，通過管道高速噴射到己錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面上，待其凝結硬化形成鋼筋混凝土結構物。錨噴混凝土具有以下特點：(1）錨噴混凝土在施工時不用或只用單面模板，混凝土混合料的運輸、澆灌和搗固結合為一道工序。(2）可通過輸料軟管在高空、深坑或狹小的工作區(qū)間向任意方位視作薄壁的或復雜造型的結構噴射。(3）設備與工序簡單、機動靈活、節(jié)省勞動力、具有廣泛的適應性。(4）施工時可在混合料中加入各種外加劑和外摻料，大大改善了噴射混凝土的性能。（5）施工快速簡便、經(jīng)濟可靠、不中斷交通。3.3加固方案比選：老橋不滿足公路現(xiàn)行荷載等級要求，只依靠碳纖維加固或粘貼鋼板加固雖然可以滿足加固了老橋的目的，卻較難滿足通行重載車輛的要求，而且以上加固方式用在拱橋中施工難度較大，不便于完全采用，基于上述原則，從整個社會經(jīng)濟效益出發(fā)，我們選擇了以增大受力截面和配筋為主的外包混凝土加固方案。在采取增大截面法的基礎上，為選取更經(jīng)濟的加固方案，本次設計選擇兩種方案進行比較，即“鋼筋混凝土套拱”加固方法和“鋼筋混凝土拱肋”加固方法進行比選。老橋主要結構為石拱橋，結合石拱橋的受力特點和橋梁的病害類型，按照《公路橋涵加固設計規(guī)范》（JTG/TJ22-2008）的加固指導方法及查閱國內相關資料，并結合湖北地區(qū)已經(jīng)實施的石拱橋的成熟加固方案，“增大截面法”是石拱橋拱圈經(jīng)常采用的主要加固方法。“增大截面法”主要有：（1）在石拱圈下部設鋼筋混凝土層，即“套拱”加固法，增大主拱圈的受力截面。主要采用的材料為混凝土、鋼筋、植筋膠；施工方法為搭設滿堂支架后現(xiàn)澆混凝土。采用“鋼筋混凝土套拱”加固方法的主要設計要點：根據(jù)本橋上部結構拱圈的承載能力狀況，在石拱圈的拱底增設40cm厚的鋼筋混凝土層，混凝土層與石拱圈之間采用植筋錨固連接形成復合式拱圈。（2）在石拱圈下部增設鋼筋混凝土拱肋，增大拱圈受力截面。主要采用的材料為混凝土、鋼筋、植筋膠；施工方法為搭設滿堂支架后現(xiàn)澆混凝土。采用“鋼筋混凝土拱肋”加固方法的主要設計要點：在石拱圈的拱底增設5片斷面為60cm×50cm鋼筋混凝土拱肋，拱肋之間采用30cm厚的混凝土層連接，拱肋、混凝土層與石拱圈之間采用植筋錨固連接。以上兩種方法均采用普通混凝土及鋼筋等材料對石拱圈進行加固，加固方式均為常規(guī)的現(xiàn)澆混凝土施工操作方式，采用的設備和施工工藝均成熟簡單，其加固的效果相同。3.4加固方案選取但兩種方法施工難易程度不一樣，在石拱圈下部設鋼筋混凝土層，即“套拱”加固法在施工階段整體模板安裝較容易、混凝土澆注及鋼筋制作安裝較簡單，工期相對短；在石拱圈下部增設鋼筋混凝土拱肋加固法在施工階段拱肋轉角多，模板安裝、支撐較難，混凝土及鋼筋安裝較難，工期相對長。根據(jù)工施工難易程度的比較，采用“拱圈下增設混凝土層”即“套拱”方案相對比較合理。4、全橋加固方案設計要點及施工要點4.1設計要點4.1.1石拱圈加固結合已經(jīng)施工完成的其他拱橋的加固經(jīng)驗和考慮施工操作空間問題，石拱圈拱腹采用40cm厚的鋼筋混凝土層進行加固，增大石拱圈的受力截面，新舊拱圈之間采用植筋現(xiàn)澆混凝土連接形成整體，使石拱圈與新增鋼筋混凝土拱圈構成復合式拱圈，通過復合式拱圈增強磚石的抗彎拉應力和整體剛度。新舊拱圈之間的連接錨桿錨固深度為25cm，錨桿沿拱圈圓弧方向的間距為30cm，橫橋向的間距為25cm，縱、橫排跳躍交錯布置。主拱圈的縱向主筋均鉆孔錨固在老橋漿砌塊石橋臺內，錨固深度不小于40cm。4.1.2橋臺、橋墩前墻橋臺、橋墩前墻采用外包混凝土進行加固，拱圈下墩臺身的混凝土層厚度均為40cm。墩臺新舊接觸面均采用植筋錨桿連接，連接錨桿的錨固深度均為25cm，橫向間距為25cm，豎向間距為25cm。4.1.3全橋砌體勾縫壓漿對橋臺、拱圈及側墻等所有外露的砌體采用M10砂漿進行勾縫，并按照1.0m×1.0m的間距預埋注漿管，待砌縫封閉后從注漿管注入水泥漿，對橋梁砌體進行灌漿處治，封閉砌體間的縫隙，提高砌體強度。4.1.4橋墩基礎在橋梁橋臺前墻基礎處設置設M7.5漿砌片石鋪砌層，橋墩基礎四面設M7.5漿砌片石鋪砌層，厚度為50cm，鋪砌周邊設置2.5m深截水墻，防止基礎繼續(xù)受到洪水沖刷。4.2施工要點4.2.1主要施工順序①橋臺加固②主拱圈加固③其他附屬工程。4.2.2主拱圈施工“套拱”混凝土澆注時以拱跨為中心，自拱腳至拱頂同時對稱進行，在拱頂及1/4跨處設置混凝土澆筑孔，混凝土澆筑孔從橋面打孔至套拱澆筑面，混凝土澆筑孔直徑20cm每個斷面設置兩個混凝土澆筑孔，待套拱混凝土澆筑完畢后澆筑孔用混凝土灌注密實。（1）主拱圈表面清理與鑿毛對舊拱圈砌體進行清理與鑿毛，是使新澆注的混凝土與原結構間具有足夠的粘結力，保證兩種混凝土達到整體受力的設計要求。清理時，用鋼刷子、鐵錘和鐵鑿等工具，清除砌體表面雜物。鑿毛則用人工鑿毛法鑿成深度約5mm小坑。鑿毛工具為鋼釬和鋼錘。（2）植筋操作要點鉆孔和插入錨桿的施工程序為放樣、鉆孔、清空及填充孔眼和插入錨桿：1）施工所需機具、設備一覽表

種類名稱鉆孔工具沖擊電鉆、水鉆清空工具孔刷、棉紗、吹氣筒放線工具墨斗、卷尺、鉛垂、記號筆注膠工具注膠槍、混合管、延長管植筋工具鋼筋切割機、鋼絲刷、手錘安全用具安全帽、安全帶、防護眼鏡、橡膠手套、防塵口罩

2）鉆孔（a）在需植筋的位置用記號筆標作出記號。（a）鉆孔位置正在砌縫處可適當移動鉆孔位置。（b）用沖擊鉆鉆孔，鋼筋的鉆孔直徑參照相關的性能指標；直尺設定成孔深度。（c）初鉆時要慢，待鉆頭定位穩(wěn)定后，再全速鉆進。（d）在薄壁端墻上鉆孔，可用水鉆成孔，以減少鉆孔時的振動，防止造成蹦邊破壞、但必須用鑿毛器將孔壁鑿毛。（e）成孔盡量垂直于植筋結構平面。3）清孔、吹孔（a）植筋孔鉆到設計深度后，用刷子刷落孔壁灰渣。（b）將氣筒導管插入孔底，來回打氣吹出灰渣。（c）用水鉆成孔時，必須等孔內干燥，再用上述方法清孔，并保持孔內干凈、干燥至注膠前。（d）按上述工序進行刷孔及吹孔各三遍，直至孔內清潔干燥為止。4）注膠（a）注膠前，須詳細閱讀植筋膠使用說明書，掌握其正確的使用方法，查看膠的有效期，過期的不能使用。（b）當環(huán)境條件（溫度、濕度）不滿足時，應停止施工。（c）檢查植筋孔是否干凈、干燥。（d）當上述條件滿足后，把植筋膠放入膠槍中，接上混合管（必要時接上延長管）。每支膠最先擠出來的膠體顏色不均勻的部分（約10cm）應棄之，見到顏色一致的膠體后再將混合管插入孔底，從孔底向外注入粘結劑，注滿孔洞的2/3，保證植筋后飽滿。向上注入植筋膠時，可先用薄膜袋將膠水送進孔底，再插入鋼筋撐破膠水袋。（e）植筋用膠料見表植筋膠用膠量表

鋼筋直徑埋置深度鉆孔直徑用膠量每孔用膠量（mm）（mm）（mm）（ml/cm）（ml）12250162.00033.516400203.14083.720400254.906130.8

5）植入鋼筋（a）將加工好并除銹后的鋼筋輕砸擊至孔底，鋼筋插入要緩慢，防止粘結劑在鋼筋的快速擠壓下噴出，造成鋼筋與膠體之間不能完全緊密結合。（b）鋼筋插到孔底后，調整好外露部分位置，用綁絲或其它方法固定好鋼筋。（c）由下向上進行植筋施工時，應先將內裝結構膠的膠袋或玻璃管埋入植筋孔中（若有膠槍則直接用膠槍將膠水噴入孔中），再將鋼筋植入，通過鋼筋的擠壓將膠袋或玻璃管破碎，并使流出的植筋膠將孔洞填滿，并對鋼筋緊密包裹。（d）植筋膠必須無毒，有抗腐蝕，抗疲勞的性能；符合GB50367《混凝土結構加固設計規(guī)范》的要求。有質量合格證；植筋膠由廠家拌和，施工單位不得私自拌和。植筋膠的性能指標可參照RE500植筋膠性能指標，其性能指標如下表：

檢驗項目性能指標要求試驗方法標準膠體性能劈裂抗拉強度（MPa）≥13GB50367-2013附錄G抗彎強度（MPa）≥94GB/T2570抗壓強度（MPa）≥99GB/T2569粘結能力鋼－鋼拉伸抗剪強度標準值（MPa）≥22GB50367-2013附錄J約束抗拔條件下帶肋鋼筋與混凝土的粘結強度（MPa）C30Φ25L=150mm≥12GB50367-2013附錄KC60Φ25L=125mm≥19不揮發(fā)物含量（固體含量）≥99％GB/T2793鋼－鋼粘結抗剪性能濕熱老化試驗（MPa）鋼－鋼拉伸抗剪強度降低的百分率不得大于4%GB50367-2013附錄L

6）養(yǎng)護：在不低于5℃的環(huán)境溫度下養(yǎng)護30分鐘，固化期間防止振動。（3）掛設鋼筋網(wǎng)當錨桿插定兩天后可開始掛設鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)的設計為滿布于拱圈底面。單根鋼筋在鋼筋棚加工成形，再運送到施工現(xiàn)場。掛設時，單根鋼筋掛在錨桿底部彎鉤上，并綁扎牢固。鋼筋接頭為搭接焊，掛設鋼筋網(wǎng)的順序，為沿著施工的前進方向，從一端拱腳開始逐段完成至另一端。（4）拱圈現(xiàn)澆混凝土施工鋼筋網(wǎng)掛設完畢，開始進行混凝土澆注作業(yè)；拱圈混凝土施工順序應全橋同時對稱分段施工，所有支架應具有足夠的剛度、強度和可靠的穩(wěn)定性；主拱圈底部混凝土澆注工程介紹如下：1）施工機械和拌和材料場地布置施工機械的安置和拌和材料堆放的地點，布置在橋上的一側，以適合混凝土拌制、混凝土運送距離短、不影響交通為宜。2）拱圈混凝土的澆注現(xiàn)澆混凝土的拌合采用常規(guī)的拌制方法；在缺乏泵送設備且混凝土澆注量較少情況下，混凝土入模均采用人工手鏟方法；拱圈混凝土澆注分拱腳和拱頂兩段，拱頂段長度為兩側距離拱頂約1米的范圍。3）拱腳混凝土澆注可采用帶滑輪的鐵料斗配合滑輪升降機吊運混凝土至澆注平臺（每次吊運混凝土量1m3左右），把料斗推至將澆注混凝土部位，人工用鐵鏟或其他工具將混凝土鏟入模板內，再用棒式振搗器對混凝土進行振搗；因采用人工手鏟入模，施工進度慢，混凝土拌制時合理控制混凝土坍落度。4）拱頂段混凝土澆注拱頂合攏段相對平緩，混凝土入模難度大，當兩側拱腳混凝土澆注至距離拱頂約1米處，可采用從兩側灌注混凝土方式進行澆注。5）拱圈混凝土應從拱腳至拱頂對稱進行澆注，澆注過程應注意混凝土的振搗質量，防止出現(xiàn)蜂窩和混凝土離析現(xiàn)象發(fā)生。6）拱圈混凝土施工應在橋臺前墻外包混凝土層及基礎加固施工完成且達設計強度后進行。7）主拱圈混凝土施工過程中，在拱腳、L/4，L/8及拱頂軸線中心設置鋼釘監(jiān)測點，施工過程觀察其高程及位移變化情況。8）施工單位應采取全面的安全措施保證高空作業(yè)的施工安全。以上拱圈混凝土施工方法僅提供參考，施工單位可采取其他更好的方法，但必須保證整個施工過程的安全和工程質量。4.2.3勾縫施工勾縫包括主拱圈、橋臺側墻、拱上側墻外露的砌體縫隙；將砌縫內老化松動的砂漿及泥巴鑿除，并對砌縫清洗干凈，勾縫采取凸縫形式。砂漿勾縫應完全封閉砌體縫隙，并且按照圖紙要求預埋壓漿嘴，以便后期對其進行壓注水泥漿。勾縫宜采用M10的水泥砂漿，并應嵌入砌縫內約2cm。勾縫前，應先清理縫槽，用水沖洗濕潤，再在縫內抹適量水泥凈漿。勾縫應保持砌后自然縫，不應有瞎縫、丟縫、裂紋和粘結不牢等現(xiàn)象。成活的灰縫水平縫與豎直縫應深淺一致、交圈對口、密實光滑，搭接處平整，陽角方正，陰角處不能上下直通，不能有丟縫、瞎縫現(xiàn)象?；铱p應整齊、拐角圓滑、寬度一致、不出毛刺，不得空鼓、脫落。4.2.4壓漿施工為使新舊拱圈之間的構件連接更緊密及封閉舊石拱圈砌體縫隙，在套拱混凝土施工