（道路与铁道工程专业论文）公路危旧石拱桥病害分析及加固方法的研究.pdf

摘要 在我国现有桥梁中，石拱桥无论在绝对数量上还是在比例上，均排在前列， 并且大都修建年代久远，普遍存在承载力不足，病害较多的缺陷，尤其在经济不 发达的西部地区。如何通过维修加固来提高石拱桥的承载能力和通行能力，使之 更好的适应社会经济发展，是我国交通建设面临的一项紧迫任务。在这种背景下， 本文主要做了如下的研究： 通过对重庆市辖区内公路危旧石拱桥运行现状进行调查，并在收集、整理拱 桥病害诊断方面资料的基础上，对该地区石拱桥的常见病害进行了归纳，从桥面 系、桥梁的上部结构、下部结构等几方面总结了桥梁常见病害并对病害原因进行 了分析。以重庆万州纸皮沟桥为具体研究对象，分析其病害，利用桥梁平面计算 软件对其内力进行计算，并对其承载力和安全性进行评估，为桥梁的加固和改造 设计提供具体的技术资料。 总结了常用的石拱桥维修加固方法。在分析其加固原理的基础上分别介绍了 桥梁上部构造、下部构造的常用加固方法和施工工艺。由于每一种加固方案都有 一定的适用范围，并且公路桥梁结构形式多样，病害种类繁多，因此在加固时， 需结合桥梁的具体情况，灵活运用各种加固方法。本文以纸皮沟为具体研究对象， 提出了具体的加固方法，即钢筋混凝土复合主拱圈加固技术，该加固改造技术对 实腹式石拱桥的加固和改造具有一定的实用参考价值。 关键词：石拱桥；常见病害；加固方法 a b s t r a c t e x i s t i n gb r i d g e si nc h i n a ，t h es t o n ea r c hb r i d g e sa l w a y sr a n kt h et o pr o ww h e t h e r i nt e r m so fa b s o l u t en u m b e r so ri np r o p o r t i o n ，a n dm o s to ft h e mh a v eb e e nu s e df o r m a n yy e a r sw i t hl a c ko fc a p a c i t y ，e s p e c i a l l yi ne c o n o m i c a l l yu n d e r d e v e l o p e dw e s t e r n r e g i o n h o wt or e p a i ra n dr e i n f o r c es t o n ea r c hb r i d g e st oi m p r o v et h e i rc a p a c i t yt o m e e tt h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n th a v eb e c o m ea l lu r g e n tt a s k i nt h i sc o n t e x t , t h i sp a p e rm a d et h ef o l l o w i n gs t u d i e s ： b yt h ei n v e s t i g a t i o nt h es t a t i o no fr u n n i n go fd i l a p i d a t e dr o a da r c hb r i d g e si nt h e r e g i o no fc h o n g q i n g ，a n di nt h eb a s eo fc o l l e c t i n gt h ei n f o r m a t i o no na r c hb r i d g e d i s e a s ed i a g n o s i s , t h i sp a p e rs u m m a r i z et h ec o m m o nd i s e a s e so fs t o n ea r c hb r i d g e s ， a n da n a l y s i st h ed i s e a s er e a s o n sf r o mt h ed e c kd e p a r t m e n ta n db r i d g es u p e r s t r u c t u r et o s u b s t r u c t u r e a n dt ot h es p e c i m e nz h i p i g o ub r i d g e ，a n a l y s i si t sd i s e a s e ，a s s e s si t s c a r r y i n gc a p a c i t ya n ds a f e t y ，a n dt h e s ew i l lb ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h ed e s i g no f s t r e n g t h e n i n ga n di m p r o v i n gt h ed a m a g eb r i d g e s u m m a r i z e st h ec o m m o n l yu s e dm e t h o do fr e p a i r i n ga n ds t r e n g t h e n i n gs t o n ea r c h b r i d g e f r o mt h eb r i d g es u p e r s t r u c t u r et ol o w e rs t r u c t u r e ，t h er e i n f o r c e m e n ta n d c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r ep r e s e n t e do nt h eb a s e o fa n a l y s i s i n gt h e t h e o r y o f s t r e n g t h e n i n g s i n c ee a c hr e i n f o r c e m e n th a sac e r t a i ns c o p ea n dt h es t r u c t u r e so fr o a d b r i d g eh a v ev a r i o u sf o r m s ，w i t ha 晰d er a n g eo fd i s e a s e s ，s o i ti si m p o r t a n tt o c o m b i n i n g t h e s p e c i f i c c i r c u m s t a n c e so ft h e b r i d g e a n du s i n gf l e x i b l et h e r e i n f o r c e m e n tm e t h o d s t h i s p a p e r t a k e st h e z h i p i g o ub r i d g e f o r s p e c i f i c o b j e c t s u p p o s e sas p e c i f i cs t r e n g t h e n i n gm e t h o d st h a tm a i na r c hr e i n f o r c e d 、析t l l c o n c r e t ec o m p o s i t et e c h n o l o g y a n dt h i st e c h n o l o g yr e i n f o r c e m e n th a sac e r t a i n p r a c t i c a lv a l u ef o rt h es a m et y p es t o n ea r c hb r i d g e k e yw o r d s ：s t o n ea r c hb r i d g e ；c o m m o nd i s e a s e ；r e i n f o r c e m e n t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：沙，p 年月，p 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：孕参为易步 日期，p 年么月o 日 ， 指导教师签名：讹九 日期：t 扫年么月，秒日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：黝 日期：加，口年占月厢 指导教师签名： 牺 日期：m 年痧月一日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在漫长的世界石拱桥发展史上，中国一直占据重要的地位。我国古代无数的 能工巧匠和当今众多不懈奋斗的桥梁工作者，共同把中国的石拱桥建设水平推向 了一个又一个高峰。 世界著名的石拱桥一赵州桥( 图1 i ) ，修建于公元6 0 5 年左右，到现在已 经1 5 0 0 多年，是建成后一直使用到现在的最古老的石桥。赵州桥主跨净距3 7 0 2 米，矢高72 3 米；主拱上左右各叠有两个腹拱，净跨分别为28 米和3 8 米。西 方达到这样程度的扁圆弧拱和主撰上设置腹拱的拱桥是在7 0 0 多年后的1 4 世纪。 即使以今天的结构理论来看，赵州桥的设计完全舍乎科学原理，施工技术更是巧 妙绝伦。赵州桥的技术在单孔石拱桥方面达到了当时难【三l 超越的高度，其高超的 技术水平和不朽的艺术价值充分显示了我国劳动人民的智慧和力量。 圉11 河北赵州桥 f 疃】1 1 1 _ e z h a o 曲o u m d g e i n h e b e l 1 9 7 2 年，我国在四川省丰都县( 现属重庆市) 九溪淘，建成当时世界上最大跨 径的石拱桥一丰都九溪沟桥( 图1 2 ) 。该桥跨径为1 1 6 米，保持记录1 8 年之 久，其世界第一的位置被1 9 9 0 年建成通车的湖南风凰县乌巢河桥所取代( 主跨 1 2 0 米) 。 第一章绪论 图12 丰都九淫沟桥 f i 9 12 t h ej i a x i g o u b r i d g e i n f e n g d o u 图13 山西丹河大桥 f i 9 13 f i n e d a n h e b r i d g e i ns h a n x i 当今世界上虽大跨径的石拱桥一丹河大桥( 图13 ) ，位于山西省晋城市太 行山西麓，该桥主孔净跨1 4 6 米全空腹式变截面石板拱桥。大桥主控净跨1 4 6 米、 净矢高3 24 4 米，桥面宽度2 48 米，桥粱高度8 06 米，其跨径组成为2 3 0 米 + 1 4 6 米+ 5 x 3 0 米，桥梁全长4 1 37 米，于2 0 0 7 年7 月建成。 丹河太桥解决了许多关键技术问题，完成了原材料试验及砌体力学性能试验、 实桥静动载试验以及大跨度分步施工石拱桥的设计分析方法对比研究、仿真技术 与施工控制技术等多项研究，填补了国内高强度等级小石子混凝土砌体物理力学 性能指标的空白：首次发现了分布施工拱桥脚高应力区，找到了理想的拱上轻质 填料，掌握了大跨径分步施工石拱桥的仿真技术与施工控制方法，补充了有关规 范内容，为大跨径石拱桥的设计与施工控制以及安全性评价提供了可靠的科学参 数与技术保障。 近2 0 年来，我国公路建设事业蓬勃发展，公路的通行能力和服务水平进步 改善和提高，尤其是“九五”以后，国家进一步加大了基础设施建设投赞公路 面貌日新月异。但是，在我国国民经济整体中，公路交通基础设施的“瓶颈”制 约因素并没有得到根本的缓解。据交通部统计，至2 0 0 4 年底，全国公路网中尚有 危桥1 3 3 0 3 座，4 6 8 8 7 延米。在现有的公路上，数以万计的旧桥，囡设计荷载标 准低，年久失修，缺乏保养，正逐步成为危桥，成了技术等级不断提升的公路上 的卡脖子路段。 1 2 桥梁加固技术研究的重要意义 桥梁一方面是公路的咽喉，其承载力更是沟通公路全线的关键，全国的5 0 余 万座公路桥梁是加快我国现代化建设步伐的希望之桥。另一方面，桥梁这种跨江、 第一章绪论 跨海、跨深谷的特殊结构一旦发生安全事故，后果不堪设想。 仅2 0 0 7 年一年间，已经发生了多起震惊世界的桥梁悲剧，留下了沉痛的教训。 2 0 0 7 年6 月1 5 日晨，一艘大型运沙船撞向3 2 5 国道上的九江太桥桥墩( 图14 ) ， 造成九江大桥百多米桥跨坍塌，事故造成4 辆汽车坠江，肇事船上2 人受轻伤， 另有8 人死亡1 人失踪；2 0 0 7 年8 月1 3 日下午4 时4 0 分，位于湖南省湘西自治 州，风凰县至贵州铜仁地区大兴机场的二级公路堤溪段的沱江大桥发生坍塌事故， 6 4 人死亡、2 2 人受伤( 图15 ) 。 围14 九江大桥垮塌 f 培14 t h ec o l l a p s e o fj i l l j i a n g b r i d g e 图15 沱江丈桥垮塌 f 嘻1 4 t h ec o l l a p s e o f t u o j i a n g b r i d g e 沉痛的教训使人们认识到，桥梁的安全性不仅仅是建设期间的质量控制问题， 更是全社会关注的重大问题。在交通建设中，既要实现公路桥梁的建设目标 安全、畅通、高效益和低成本，又要对建成的桥梁加强日常管理和养护，预防发 生病害，使用期间及时根治缺路，加固维修保养，保证其持续安全运营。确保桥 梁结构在建设、投入使用、最终完成其使命的整个寿命期间，能够保证结构、运 营荷载和人员的安全，以合理的经济成本维持自身较高的服务水平和通行能力， 并满足持续增长的需要。 面对数量众多、使用范围极广的旧危桥，拆除重建不仅投资巨大，而且在新 建期间全社会为之付出的“综合”代价更加昂贵。因此，各国都视旧桥加固为宝 贵财富，力图通过修复予以利用。 美国为了使普通桥梁达到高速公路桥梁的标准，对大量的桥粱进行了加固改 造。印度在近2 0 年间，对过道上承载力较低的桥粱也普遍进行了加固并对能够 承受较高等级的桥梁进行了加宽处理，以发挥更大的作用。 4 第一章绪论 1 3 石拱桥在我国桥梁中的地位 拱桥因其具有造型优美、取材方便、造价低廉、承载潜力大等有点，在我国 特别是西南地区被广泛应用。据统计，拱桥在我国所有桥梁种的比例超过6 0 0 5 ， 在西部地区更是高达8 成。旧桥中拱桥的比例更大。因此针对拱桥提出有效的加 固技术、方法，对我国的旧桥加固工作具有特殊意义。在为数众多的拱桥中，以 石拱桥为主的圬工拱桥又占了绝对多数。表1 1 为重庆市某区县省道、县道和乡 道桥梁统计数据。 表1 1 重庆市某区县省道、县道和乡道桥梁统计数据( 单位：座) t a b l e1 1t h es t a t i s t i c so f b r i d g ei nt h ep r o v i n c i a la n dc o u n t yr o a do f c h o n g q i n g 桥型 钢筋混钢筋混 石拱桥 双曲拱箱形板拱箱形肋拱t 形桥 凝土简凝 道路 桥桥桥梁 支板桥板拱桥 、 鳜 县道1 6 361113o 乡道 7 920o111 省道 8oo0oo0 总计 2 5 081l24 1 因此，对拱桥特别是石拱桥的加固、增强方法进行系统深入的理论研究与技 术开发，无疑有着重大的经济和社会效益，对促进我国公路建设、支持国民经济 发展，尤其是广大县乡地方发展具有重大意义。 1 4 国内外加固技术研究现状 目前，在世界范围内，桥梁维修、养护、加固的技术己成为交通研究领域中 的重要课题。由西方2 4 个发达国家参加的联合国“经济合作与发展组织( o e c d ) ， 于1 9 8 1 年召开“关于道路桥梁维修管理国际会议 ，很多国家对现有桥梁的安全 性评价、检查及维修加固等方面提出众多有价值的论文。1 9 8 0 年在巴黎和布鲁塞 尔，1 9 8 2 年在华盛顿，都曾召开关于旧桥问题的国际专题讨论会跚。然而，就石 第一章绪论5 拱桥加固增强理论而言，国内外就此展开的理论研究很少，极少见诸于报告和文 献。 目前，国内外应用较广泛的上部结构加固技术有：增大截面加固法、锚喷混 凝土加固法、黏贴加固法、体系转换加固法、体外预应力加固法、增加辅助构件 法、钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固技术等；下部结构加固技术有：扩大基础加 固法、增补桩基加固法、钢筋混凝土套箍加固法等。上述加固方法与技术各有优 点和不足，都已在世界范围内广发应用，并取得了一定的经济社会效益。在现有 加固技术的基础上，经过土木工程界的学者多年努力，一大批新型加固技术不断 涌现，诸如：聚合物浸渍混凝土加固技术、高性能符合砂浆钢筋网( h p f ) 加固技 术、绕丝加固法3 。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国在旧桥加固改造技术的研究试验方面进行了大量 的工作。交通部在“六五 、“七五 计划期间下达了一系列有关旧桥检测、承载 力评定及加固技术的科研课题，举办了多次桥梁维修、养护、加固、改造技术的 学术会议，在公路梁桥和拱桥等旧桥承载力的加固改造技术和施工工艺等方面都 取得了许多宝贵经验，有不少旧桥改造、加固的成功范例。近年来，由于新材料、 新理论和新技术的发展，出现了大量新的加固维修技术，大大提高了旧桥的承载 力和通行的可靠性，取得了显著的经济效益和社会效益。 1 5 桥梁加固的特点和一般计算原则 拱桥维修加固是一项十分灵活的工作，它所需要考虑的因素和涉及的问题很 多： 维修加固桥梁的工作必须在不妨碍交通的条件下进行，因此，往往会增加 不少困难。 桥梁加固施工是在荷载存在的情况下进行的，因此必须保证施工每一阶段 结构的安全。特别是混凝土的修理、凿毛和拆换部分受力构件，均应作出分析评 定。 桥梁维修加、可行固工作是一项新出现的技术，许多施工工艺是全新的， 因此， 其工艺的可靠性性、合理性、耐久性等必须经过反复的科学试验和实践论证。只 有在车辆的反复作用下，才能充分验证是否获得了预期成效。 加固结构属于二次受力结构，加固前原结构已有荷载作用，内部存在一定 的应变形；而加固一般是在未卸载或为完全卸载的条件下进行，新加的加固部分 在自身强度形成之后，才开始参与承担后来的新增荷载。因此，加固层的应力和 6 第一章绪论 应变均滞后于原结构；在极限状态下，原结构应力早于加固层达到材料的极限强 度，也更快地破坏口1 。 由于加固增强结构的二次受力特性，原结构在加固前应力水平很高、变形很 大的情况下，很有可能在加固施工完成后所有荷载作用下，加固层应力和应变始 终处于一个较低的水平，材料强度不能充分发挥，加固后既不经济，效果也不好； 如加固层自重较大，消耗了桥梁原本已剩不多的承载潜力，则加固后的原结构可 能处于一种比加固前更不利的状态，从而威胁加固后桥梁的使用安全。因此在设 计过程中，加固层材料选择、尺寸拟定等基本问题都需要系统分析，以得到较好 的加固效果。 从某种意义上讲，旧桥加固的难度往往比新建桥梁还大。一般计算原则如下： 应按现行规范进行计算，加固后的拱桥在加固要求的使用荷载作用下， 原有结构构件及新增加结构构件各部分的强度、裂缝限值等均要符合规范要求。 仅要求提高原桥的承载能力时，可在原有结构保持恒载应力状态下进行。 此时，原有结构的全部恒载及加固所增加的恒载，可考虑由原构件( 截面) 承担， 活载则由原结构和新增构件( 截面) 共同承担。 若原有结构构件的应力己接近或超过容许限值，需要减少恒载时，则应 采取卸载措施，使拱桥在卸除部分恒载的状态下进行加固维修。此时，新增构件( 截 面) 除与原有构件共同承担活载外，还承担原有结构的一部分恒载，也就是说，新 旧结构按整体受力计算。 维修加固时应考虑并采取一定的措施保证新旧结构整体性并能共同工作。 1 6 本文主要内容 我国西部山区由于地形地貌的原因，建有大量的石拱桥，并且大都修建年代 久远，目前普遍存在承载力不足、病害较多的缺陷。所以，对石拱桥的维修加固 方面的研究有着较大的现实意义。本文在导师的指导下，主要进行了以下工作： 通过对重庆乡县公路危旧石拱桥现状的调查，并在收集、整理拱桥病害诊 断方面的资料的基础上，对重庆地区石拱桥的常见病害进行了归纳，从桥面系、 桥梁的上部结构、下部结构等几方面总结了桥梁常见病害并对病害原因进行了分 析。 对石拱桥的常用的加固方法进行了总结。在分析其加固原理的基础上分别 介绍了石拱桥上部构造、下部构造的常用的加固方法以及施工工艺。 对重庆万州纸皮沟桥( 实腹式石拱桥) 采用平面计算软件建模进行内力计 算，分析其现有的承载能力及受力状况；并在此基础上，采用换算截面法按照规 第一章绪论7 范要求进行荷载组合，对加固后纸皮沟桥的强度与稳定进行了检算。根据计算结 果，对桥梁加固前、后的内力进行分析对比，得出一定的结论。 8第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 2 1 主拱圈常见病害及成因分析 主拱圈是拱桥的主要承重构件，拱圈病害的产生、发展、病害特征与其下的 基础和墩台、其上的拱上建筑有着密不可分的联系，也与桥上运行的荷载、大气 环境等息息相关。其常见病害及其可能原因简要介绍如下： 主拱豳出现过大的变形 拱圈出现明显的下挠变形( 图2 1 ) ，特别是在拱顶区段，主拱圈不再是一条 圆滑的曲线，局部呈现出折线状。主拱圈发生较大的难以恢复的变形，其主要原 因如下： 图21 重庆城口双桥拱嚼变形 f i g2 】t h ea r c hd e f o r m a t i o no f s h u a n g q i a o i n c h o n g q j i n g 1 ) 由于施工时拱架放样与设计图不完全一致，近而导致主拱圈发生了永久性 变形。 2 ) 设计时拱轴系数选择不当或施工造成拱圈变形，使荷载压力线与拱轴中心 线偏离太大而开裂。 3 ) 主拱圈施工时拱架刚度不足，而此时浆砌块石主拱圈未达到设计强度，造 成主拱圈随拱架一起发生了不可恢复的永久性变形。 4 ) 卸落拱架后，困砂浆不饱满或强度偏低造成主拱圈在卸落拱架后的短期内 由于砂浆层的破碎而发生主拱圈永久性变形。 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 5 ) 荷载运营引起变形，由于主拱圈强度偏低，在后期荷载作用下，随着裂缝 的扩展、砂浆的脱落而发生不可恢复的永久变形。 6 ) 施工质量差，如砂浆不饱满、砌筑工艺不规范、或施工过程中受到较大的 环境因素的影响。 拱圈的过大变形会导致桥粱的实际拱轴线发生了变化，拱轴线已不是合理的拱 轴线或设计拱轴线，桥粱内力发生了不利的变化。 主拱圈开裂 主拱圈出现顺桥向、横桥向或斜向裂缝：一部分裂缝沿砂浆裂缝扩展，一部 分裂缝出现在拱石上，也有的裂缝同时贯穿了砂浆和拱圈石料；裂缝宽度，有的 宽度较一致，有的由宽变细或由细变宽，也有的中间宽而两头细：裂缝深度，不 同病害导致缝深浅不一。拱圈上的裂缝走向、长度、宽度和深度因不同的病原而 呈现不同的特征( 囤2 2 、固2 3 ) ，裂缝的特征也反过来为分析、判定其病困提 供直接的依据。 田22 重庆城口庙儿老桥拱顶横向裂缝 f i 9 22 t h e t r a n s v 盯s ec r a c k so n t h e o f t h e m i o l db r i d g e i n c h o n g q t h g 圈23 重庆开县白鹤桥拱圈纵向开裂 f i g23 t h ev e r t i c a lc r a c k so n t h ea r c ha r c h t o p t o po f l l b a i h e 嘶d 醇i a c b o n g q l n g 主拱圈裂缝的诱发因素多种多样，主要有如下几种： 1 ) 建桥年代久远，原设计荷载标准较低，施工水平和施工材料有限。 2 ) 处于弯道上的桥，由于长期承受汽车离心力的作用，而产生一些裂缝( 图 2 4 ) 。 3 ) 在重车长期碾压下，对拱圈产生偏心压力，造成腹拱圈拉裂。 4 ) 拱圈整体强度不足或拱圈厚度太薄。石拱桥主拱圈的内力分析表明，拱顶 正弯矩最大，拱脚负弯矩最大，拱顶、拱脚为设计控制截面，若截面抗力小于设 计荷载内力，将造成拱顶下部或拱脚上部开裂。当主拱圈整体强度不足时，就会 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 造成主拱圈在弯、拉、压、剪作用下发生横向、纵向、斜向的裂缝。 5 ) 块石强度不足。一些主拱圈因块石强度不均匀，部分块石强度偏低，造成 主拱圈开裂。这类主拱圈往往足整体强度满足要求，但部分块石园强度低，在剪 压作用下开裂，裂缝方向一般为纵向，且裂缝发生于单块块石。 6 ) 块石本身材性原因) f 裂。部分桥梁的主拱圈采用的是石灰岩块石，这些块 石在使用多年以后，由于同积月累的自然作用，造成块石沿节理方向开裂。 7 ) 墩台、基础等的位移引起拱圈开裂。石拱桥多数按无铰拱设计，为超静定 结构。基础沉陷或墩台位移引起的主拱圈附加应力非常大。往往会导致主拱圈开 裂，造成主拱圈截面强度下降，甚至形成横向贯通裂缝，引起主拱圈的受力体系 改变，产生受力铰等，对桥梁受力非常不利。 圉24 重庆开县新黄栗桥拱顶裂缝 f i 9 2 4 t h ec r a c k s o n t h ea f c h t o p o f g l e n e w h u a n g l lb r i d g e i n c h o n g i n g 图25 重庆城口猫儿碥桥拱圈横向偏移 f i g25 t h e l a t e r a ls h i f t o f m a o e r b r i d g e a r c h i n c h o n g q i n g 拱圈发生横向位移 拱圈相对横墙发生相对位移( 图25 ) ，其原因主要是拱座基础被冲刷掏空后， 主拱圈发生了倾斜导致拱圈横向受力不均而产生偏移。 拱脚位移 拱脚相对外移、内移或者发生沉降( 图26 ) ，导致拱圈和侧墙的分离。 拱脚相对内移可能是台后填土压力和桥头路面荷载作用所致，但更多情况是地 震或山区的地质滑移所致。拱脚外移多是由于桥台基础软弱和台后填土缺失造成 的，有时也是地震和地质灾难所致。拱脚的沉降则可能是由于当初设计荷载较低， 再加上今年来重车不断增多，拱脚基础被掏空后，在重载的不断作用下拱脚发 生了沉降，拱腹填料不断跟着拱圈滑移，拱圈和侧墙发生分离。 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 围26重庆城口干龙研桥拱脚沉降、 拱圈和侧墙分离 f i g26 t h ea r c h f o o ts e t t l e m e n ta n d t h ea r c h s e o o n f r o ms i d e w a l l o f c h e n k o u g a n l 唧b n o g e i n c h o g q i n g 围27 重庆城口煤厂湾桥拱石风化 f i g i7 t h ea r c hg t o l a e w e a t h e h n g o f c h e n k o u m e i c h a n g w a n b r i d g e i n c h o n g q i n g 拱石风化、水蚀 拱石表面呈粉状并伴有白色或灰色屑末状覆盖层，致使拱石强度、耐久性等削 弱，呈鳞片状脱落( 图2 7 ) 。 其原因主要是周围环境中空气污染严重，各种有害气体、污水( 未导离桥梁) 长期侵害、腐蚀拱石，或桥龄较长，石料自然风化。 拱圈溘水( 图2 8 ) 、拱脚渗水( 图2 9 ) 水滴、水流从拱石或砂浆缝问渗出，或沿拱上建筑侧面流到拱圈表面，或桥 面排水直接流到主拱上，再沿着拱墨或横墙流到拱脚。 图28 重庆城口亲家榜桥撤圈渗水 f i g28 t h e a r c hs - p a g e o f c h e n k o u y u j j a b a i l g b r i d g e i n c h o , w q i n g 图29t 庆城口斜角桥拱脚渗水 f i 9 2 9 t h e a r c h f o o t 辩印a g p o f c h e n k o u x l e j i a o n r i d g e i n c h o n g q i n g 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 其原因主要是拱上建筑填料不密实，填料防水效果不好，或砂浆缝不饱满， 或桥面排水系统设置不合理等导致桥面积永渗透至拱圈。 渗 拱石中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏拱石的微观结构。经多次冻 融循环后，损伤积累将使拱石剥落酥裂，强度降低。冻融循环破坏的拱石剥落， 开始时在表面出现粒径较小的片状剥落，随着使用年限的增加，剥落量及剥落块 直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。水流长期对拱圈和拱脚的腐蚀会影响 桥梁结构耐久性，进而影响桥梁的使用性能。 拱石脱落 拱腹局部区段( 特别是拱顶段) 拱石被压裂后脱落( 图2 1 0 ) ，拱豳表面极不 平整，截面面积急剧变化，可能引发应力集中，加速各种病害的产生与发展。 其原因主要是砂浆不饱满或脱落；拱顶填料厚度不够而导致超载超速车辆对拱 圈造成极大的冲击。 固21 0 重庆巫山巫山黑湾持拱石脱落 f i g21 0 t h e a r c hr o c k o f f * h e w u s h a n h e i w a nb r i d g eh c h o n g q i n g 圈21 1 重庆彭水烽火桥砂浆脱落形成空隙 f i g2 】i t h e f o r m a t i o n o f g a p f o r t h e m o l q i a ro f f t h eb r i d g eo f p e n g s h u if e n g h u o i nc h o n g q i n g 拱石砌筑材料( 砂浆) 强度低，空隙大甚至大面积脱落 砂浆等砌筑材料强度和密实度低：砂浆脱落形成空隙( 图2 1 1 ) 。 其成困主要是材料自身强度低，或园风化、水蚀致使强度降低；因渗水或汽车 冲击力作用导致砂浆等砌筑材料脱落。 2 2 拱上建毓、桥面系常见病害及成因分析 拱上建筑和桥面系是拱桥的主要传力构件，同时也起着分布荷载的作用；桥面 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析1 3 系还承担了保护拱圈、拱上建筑，避免它们受车聊冲击和雨水等侵蚀作用。拱上 建筑和桥面系的工作状态对石拱桥承载能力和耐久性有极大的影响。 腹拱是拱上建筑中的重要组成部分，其受力形态与主拱圈类似，因此腹拱的病 害类型、特征和成因与主拱圈亦相当。以下为拱上建筑和桥面系主要病害。 侧墙开裂 侧墙常出现顺桥向、横桥向裂缝( 图2 1 2 ) ：裂缝沿砂浆或石料发展，裂缝 也可能同时贯穿砂浆和拱圈石料：裂缝宽度，多为上宽下窄形态；裂缝深度，不 同病害导致裂缝有深有浅。裂缝走向、长度、宽度和深度因不同的病害根源而呈 现不同的特征。 引起侧墙开裂有以下主要有： 1 ) 建桥时未设置沉降缝，当桥台有沉降时候拱上侧墙就发生不规则的裂缝。 2 ) 荷载过大，或其冲击作用太强使倒墙承受的土侧压力增大。 3 ) 拱上建筑中的填料不密实，或填料质量不好，桥面破损后积水渗透至拱上 填科，降低其强度：侧墙的砌筑砂浆或石料强度低。 田21 2 重庆睾节新增拱桥侧墙裂缝 f i g21 2 t h ec m c h s o i l t h e a r c hs i d e w a l lo f f e n g j i e x h t z e n g b a d g e i n c h o n g q i n g 围21 3 重庆台川窝家桥侧墙鼓胀、外悔与 拱圈分离 f i g 21 3 t h es i d e w a l l ss 即r a t i o n f r o m t h e a r c h o f h e c h u a n w o j i a b r i d g e i nc h o n g q i n g 侧墙外鼓甚至外倾 拱上局部区段( 尤其是拱顶段) 侧墙外鼓呈曲面( 图2 1 3 ) ：如外鼓严重则 易引起侧墙发生侧倾与开裂。侧墙外鼓甚至外倾常与侧墙开裂相伴产生。其形成 因素主要有以下几种： 1 ) 交通荷载过大，或其冲击作用太强使侧墙承受的土侧压力增大。 第二章 公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 2 ) 拱上建筑中的填科不密实。或填料质量不好，桥面破损后积水渗透至拱上 填料，经过浸泡后发生膨胀对侧墙产生挤压，使得侧墙发生外鼓甚至外倾等。 3 ) 侧墙的砌筑材料( 砂浆或石料) 强度较低，不能满足使用要求。 4 ) 侧墙开裂严重，大大削弱了侧墙的刚度。 5 ) 设计、施工等原因。 侧培与主拱圈脱离 侧培与主拱圈之间的砂浆开裂，使两者分离开来。侧墙与主拱圈分离的瘸( 图 2 1 3 ) 常与侧墙外鼓、开裂病害同时出现。 主要因为拱上建筑与主拱圈的联合作用较大：侧墙与主拱圈之间砌筑材料( 如 砂浆等) 强度不足或显著降低；因病害严重等致使主拱圈的副度不足，变形增大。 桥车行道不平整 车行道有坑槽、不平整，增加了汽车荷载对桥梁的冲击作用。 桥粱养护尚待加强；超重车对桥粱的损害；桥面排水等相关措搪不力、设施 损坏。 图g1 4 重庆台川三元桥面开裂破掼 f i 9 21 4 t h ec r a c k s o f h e c h u a ns a n y u a n b r i d g ef l o o ri nc h o n g q l n g 图21 5 重庆彭水当门桥桥面破损 f i g21 5 t h e d a m a g eo f p e n g s h u i d a n g m e n b r i d g ef l o o ri nc h o n g q i n g 桥面开裂和破损( 图21 4 、21 5 ) 桥面出现大量的裂缝和破损，局部桥面铺筑材料脱落。 车流量较大、近年来重载车辆不断增多、设计施工及材料方面的缺陷以及 风雨的侵蚀，都会造成桥面开裂破损。破损的桥面又会使交通荷载冲击力增大， 同时降水浸入桥梁内部，侵蚀桥梁构件，进而加速桥面的开裂和破损。 桥面排水系统失效 桥面堆满杂物，桥身杂草丛生( 图2 1 6 ) 堵塞桥面排水管道。这主要因为圬 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 工拱桥多见在低等级公路上，人畜车混行，桥面易存杂物和垃圾并且未得到相关 部门的重视。 围21 6 重庆奉节坛子口桥身长满杂草 f i g 21 6 t h e d e c kc o v e r e d w i t h w o 曲 o f f e n g j i e b d g e i n c h o n g q i a g 圈2 ”t 庆彭水乐地桥栏杆破损 f i 2 1 7 t h er a i l i n g d a m a g e o f p e n g s h u i l e d l b a d g e i n c h , n g q h “g 栏杆变形或损毁( 圈2 1 7 ) 栏杆发生错位、破断、扭盐和线性不匀顺。 对于由车辆撞击和其他原因造成的破断一般能得到即时修复，因为这直接危 及行人的安全和社会的恐慌，但对于栏杆的变形和外观要求往往没有引起人们足 够的重视，因为人们认为栏杆是附属架构，它的状况不影响结构安全。 2 3 墩台、基础常见病害及其成园分析 拱桥的墩、台，除了承受上部结构传来的恒载、括载垂直力，并将之传递给 地基。此外，还同时承受着恒载和活载产生的水平推力及弯矩，这是与梁式桥墩、 台区别的重要受力特点。为抵抗水平推力，拱桥的墩、台常比粱式桥墩、台的体 积大，构造形式也相应的有所变化。 基础与墩台的使用状况是确保桥梁运营安全的重要因素之一。下部结构的病 害将直接引发桥梁承载能力不足( 或降低) 和全桥的其他病害。 对于砖石拱桥来说，一般跨度较小，其墩台基础多采用简单的扩大基础，基 础埋置浅，易产生基础冲刷病害，其常见病害还有以下几种； 基础或墩台不均匀沉降、位移和转动 墩台、基础的位移( 含竖向不均匀沉降和水平方向移动) 和转动使其上的墩 台外移、倾斜，上部结构可能产生附加内力。甚至因过大的位移、转动而导致构 1 6第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 件开裂。 这些病害主要是由于外部荷载太大或地基承载力不足等原因致使墩台、基 础发生沉降、位移和转动，或者由于水流冲刷，将墩台基础掏空，使得墩台处于 悬空状态( 图2 1 8 ) ，很容易就发生沉降或转动。 围21 8 重庆城t 3 来j z 桥桥墩悬空 f i 9 2 18 t h e p i e rs u s p e n d o f c h e n g k o u l a i f e n g a d a g e i n c h o n g q i n g 图21 9 重庆彭水汉三沱桥桥台裂缝 f i g21 9 t h e a b u f f a e n tc r a c k so f p e n g s h u i h a i l s a n t u o 墩台开裂 侧墙常出现顺桥向、横桥向( 或竖桥向) 裂缝( 图2 1 9 ) ；裂缝沿砂浆或石 料发展，有的裂缝同时贯穿砂浆和砌筑石料；裂缝宽度，多为中间宽两头窄的形 态；裂缝深度。可能为表面裂缝也可能为深层裂纹。裂缝走向、长度、宽度和深 度因不同的病害根源而呈现不同的特征。其成因主要有： 1 ) 交通荷载引起的侧向水平压力太大，使侧墙产生倾斜和外移，特别是一些 车辆太靠侧培边缘行驶，无形中加大了侧墙所受的水平压力。 2 ) 墩、台发生了不均与沉降。 3 ) 砌筑材料( 砂浆或石料) 强度过低，不能满足实际使用中的要求。 4 ) 台内填料没有充分压实，台内填料含水量过大，多余的水不能充分排出。 5 ) 设计不合理、施工质量差等原因。 洪水冲刷 扩大基础的基底冲刷严重甚至被掏空( 图2 2 0 、2 2 1 ) 。桩基础冲刷后承悬 空；墩台表面粗集料外露，甚至出现劲缩现象。 其主要原因是，圬工拱桥一般建在小沟、小河上，建筑高度一般不高，当桥 下淤积堆积杂物时，没有采取相应的防护清淤措旌直接会影响了河流的行洪 严重时河水直接冲刷桥体。当基础在长期遭受冲蚀的情况下，材料的强度逐渐下 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 降、基础整体性也逐渐被破坏了 圈22 0 重庆开县牛蹄桥桥台基础冲刷田 f i g22 0 t h e a b u m a e n t f o u n d m i o no f k j h 蛔n n i u t i b r i d g es c o u m db y “新 i n c h o n g q i n g 圈22 1 重庆城口上峡口桥桥台基础被冲刷掏空 f i 2 2 1 ma b m e m f o t m d a f i o n o f c h c n k o u s h a n g x l a k o u b r i d g es c o u r e db y w a r i f i n c h o g n q l n g 桥台侧墙外鼓 拱上局部区段特别是拱顶段侧墙外鼓呈曲面；当外鼓变形较大时常常引起侧 墙发生侧倾与开裂。这两种病害常常相伴产生。 桥台侧墙外鼓的病害成因，除与桥台开裂病害成因相似外，侧墙开裂比较严 重的情况也会极大削弱侧培的刚度，进而可能引发侧培外鼓病害。 桥台跳车 在桥台前墙之上的行车道出现坑槽，对行车舒适性影响很大。 桥台跳车的根源在于该处行车道出现刚度不连续、变形不协调的现象( 桥粱 属刚性结构，接线道路则偏柔性) ，而未采取增设措板或加大道路填料密实度等相 应的工程措施。 2 4 纸皮沟桥病害分析及内力计算 2 4 1 纸皮沟桥病害分析 重庆万州纸皮沟桥( 图2 2 2 ) 位于s 1 0 3 、渝巴路i ( 3 4 0 + 6 4 6 处，该桥为单孔 净跨1 6 m 的实腹式圆弧形等截面石板拱桥，矢跨比1 3 ，桥宽为1 3 5 m ，车行道为 1 2 5 m ，两侧钢筋混凝土防擅护栏各为0 5 m ，下部结构采用重力式u 型桥台。该 第二章公路危旧石拱桥的常见病害及原因分析 桥1 9 9 8 年1 0 月建成，在2 0 0 8 年的定期检查中发现拱桥项和拱跨1 4 的位置出现 较多裂纹和渗水。拱圈较薄，侧墙为浆砌块石，并且有局部裂纹，承载能力不能 满足日益增长的车流需要，已经严重影响行车安全，经专家鉴定为危桥，影响行 车的安全性和舒适性。 圉22 2 加固后的重庆万州纸皮沟桥 f i 9 22 2 t h e r i n f o r c e d w a n z h o u z h l p i g o u b r i d g e 根据现场调查分析： 由于砌筑块石时砂浆极不饱满，砂浆配合比极不严格因而砌体抗剪能力 较差，造成拱架卸掉后主拱轴线发生变形； 主拱圈存在纵横向裂缝。主要因为主拱圈厚度不足及拱顶、台后填料不符 合要求等原因。横向裂缝较细微，但会引起截面应力重分布；随着裂缝的发展，桥 梁结构体系发生转换，无铰拱变成有铰拱直到桥梁破坏。 主拱局部有渗水现象，其主要原因： 1 ) 拱上填料施工时，填料没有充分压实： 2 ) 少量砌石尺寸彳i 足，凹陷深