硕士论文：山区实腹式石拱桥病害成因分析及整治对策研究

1、硕士论文：山区实腹式石拱桥病害成因分析及整治对策研究第一章 绪论1.1 石拱桥发展概述石拱桥在我国桥梁建设中有着悠久的历史和卓越的成就。在古代，石拱桥主要采用天然石料作为基本材料，取材方便，且建造的石拱结构造型优美，承载能力强，历经千年仍能使用。随着近代桥梁工程技术的发展，石拱桥仍保持着旺盛的生命力，并借助现代的桥梁建造技术，石拱桥的发展趋向于多样化，以满足不同场合下的不同需要。最早的拱桥，由于经受数千年环境的作用（地震作用、火山爆发、风暴等），可能早已消失了。对于拱桥的起源，一般有三种假说，即天生桥说1（naturalbridge）、叠涩拱说（corbel arch）及折边演进说（the e

2、dgefold evolution ofthe arch）。天生桥说（natural bridge），见图 1-1 和图 1-2，既岩石经受水文、环境的长期影响，被练就成了千奇百怪的类桥状物，古人由此产生启发，领悟到建造石拱桥。对于叠涩拱说（corbel arch），见图 1-3，即逐层砌筑砖或石，然后外挑跨空，以构筑一个可跨越一段距离的拱状物。而对于折边演进说（theedgefold evolution of the arch），这种假说主要来源于墓穴建筑的研究，据刘敦桢先生的中国古代建筑史记载，在西汉南北朝时期，墓穴建筑结构由最初的平板，逐步变为折边拱，最后演变为圆拱，见图 1-4。现存最

3、古老的石拱桥阿瑞凯比克桥;(Arkadiko Bridge，见图 1-5），来自于迈锡尼文明，坐落在希腊南部的摩里亚半岛上，修建于前 1300 到前 1190 年之间。该石拱桥用石块堆砌而成，桥长 22m，桥高 4m，跨度 2m 左右。桥梁上下宽度不一致，顶宽 2.5m，底宽 5.6 m2。同时，在同一时期，同一地区，还修建了 3 座类似石拱桥，都没有被加工过的痕迹，统称为迈锡尼桥。在公元前 323 年到公元 30 年期间，即在希腊文化时期，按叠涩法砌筑的埃利弗瑟娜（Eleutherna）桥，见图 1-6，现依然在希腊克里特岛上，此桥长 10m，宽5m，跨度 4m 左右。据文献资料记载，这在希

4、腊克里特岛上还存在其它建造时间更早的跨度稍小的类似桥梁3。随着叠涩拱桥与拱券技术拱桥的不断发展，大约在公元前 5 世纪到公元前 4 世纪之间，石拱桥（非叠涩拱桥）出现了。.1.2 石拱桥在我国桥梁中的地位由于拱桥在各种桥梁形式中优点突出，如承载潜力大、取材方便、造型优美等，在我国大量建造，尤其在西部地区。据 2014 年桥梁统计数据显示，我国公路桥梁总数为 757130 座，长度达 42578912 米，特大桥数量达 3404 座，大桥 72979座，中桥 168488 座，小桥 512259 座，小桥数量占总桥梁的 67.7%，各类型桥梁中最多的桥梁，而小桥中绝大多数为石拱桥。据统计，在我国

5、所建的各种桥梁类型中，拱桥的数量最多，超过桥梁总数的六成，而在西部地区所占比例更高，接近桥梁总数的八成。而在建造的拱桥中，石拱桥在数量上占绝对优势。以西部地区中的重庆地区为例，基于中国交通年鉴统计数据，将北京、上海、天津及重庆地区不包括城市的公路桥梁进行统计，见表 1.212，由表中数据可知，到 2006 年，重庆市公路桥梁已达 8567 座，占我国直辖市桥梁总数的 37.0%，是我国桥梁数量最多的直辖市。据统计，重庆地区桥梁总数也是我国最多的。而在重庆地区中，石拱桥在各种桥梁中占八成以上，表 1.3 为对重庆市某区县桥梁的统计13，由表格数据可知，石拱桥的数量占全区县桥梁总数九成，而村道桥梁

6、大多为石拱桥，由于未对村道中桥梁进行统计，所以，石拱桥所占比例应该更高。因此，对石拱桥的病害进行详细成因分析，对我国的旧桥加固及改造石拱桥具有重要意义。.第二章 石拱桥病害深度调查与统计分析通过现场调查及收集各类文献资料，本文总共收集了重庆市及周边地区 500座在役实腹式石拱桥的病害资料，并对大量的数据进行了详细的分类统计分析。2.1 概述本文所收集的 500 座石拱桥，经统计，发现这些石拱桥修建完成于 1938 年到2009 年之间，即这些桥梁的运营时间在 7 年到 78 年之间，详细统计情况见表 2.1，再将表中数据做成饼状图，见图 2-1。从表 2.1 与图 2-1 中统计数据与饼状图中

7、我们可以看出，运营时间在 10 年到20 年之间的石拱桥有 149 座，占统计桥梁总数的 29.8%；运营时间在 10 年到 20年之间的石拱桥有 143 座，占 28.6%；即修建于 1986 年与 2006 年之间的石拱桥有292 座，占 58.4%，超过桥梁总数的一半，故可认为石拱桥主要在这段时期修建。而近 10 年所修建的石拱桥仅有 16 座，可见近 10 年修建石拱桥数量显著减少。桥梁病害是桥梁结构损伤的直接表征和体现，是合适地选择施工工艺与加固方法的重要依据，也是合理改进石拱桥的重要参考。在长期运营使用过程中，由于石拱桥材料、所处环境及运营中不断加重的活荷载等原因及石拱桥结构形式的

8、局限性，会使石拱桥产生各种病害。本章从下部结构、主拱圈与拱上建筑及桥面系三个方面调查统计分析石拱桥的病害及特征。.2.2 石拱桥下部结构病害统计分析石拱桥下部结构分为墩台与基础两部分，一般需要考虑风力、材料收缩作用、制动力、拱脚推力、恒载、温度变化及浮力等影响，况且此结构受力较大，易损坏15。石拱桥下部结构病害情况按基础及墩台两部分进行分析。从表 2.2 与图 2-4 中的统计数据与柱状图可知，有基础冲刷病害的石拱桥 89座，占所统计石拱桥数量总数的 17.8%；有裂缝病害的石拱桥 31 座，占 6.2%；有基础沉降、滑移、倾斜病害的石拱桥分别有 3 座、2 座、2 座，分别占 0.6%、0.

9、4%、0.4%。可见，基础冲刷病害在石拱桥基础病害中所占比例最大，病害桥梁数量较多，再将这些病害桥梁按运营时间进行详细统计分析，数据如表 2.3 所示，再把表中数据做成饼状图，如图 2-5。从表 2.3 及图 2-5 中统计数据与柱状图我们可以看出，运营时间大于 60 年有基础冲刷病害的石拱桥数量为 6 座，病害率最高，为 46.2%；运营时间小于 10 年的石拱桥有 6 座，病害率仅次于运营时间大于 60 年桥梁的病害率，为 46.2%。可见，基础冲刷病害率与桥梁运营时间关系不明显，即基础冲刷病害率不直接决定于桥梁运营时间的长短。从本次基础病害数据统计显示，冲刷病害在石拱桥基础病害中所占比例

10、最大，因此，我们可以认为冲刷病害石拱桥基础最主要病害。另外，冲刷病害率不直接决定于桥梁运营时间的长短。.第三章 石拱桥病害详细成因分析及链式机理研究.283.1 风化病害.283.2 渗水病害.353.2.1 渗水病害的介绍.353.2.2 石拱桥渗水病害成因分析.353.3 裂缝病害.383.4 拱上侧墙变形病害.413.5 石拱圈永久性变形病害.433.6 墩台沉降倾斜滑移冲刷病害.453.7 石拱桥病害的链式机理.463.8 本章小结.50第四章 实腹式石拱桥整治对策研究. 514.1 石拱桥整治的基本原理.514.2 新材料在石拱桥整治措施中的运用.514.3 石拱桥典型病害整治对策.

11、584.4 东方桥实例分析.704.5 小结.77第五章 结论与展望.785.1 主要结论.785.2 展望.79第四章 实腹式石拱桥整治对策研究根据石拱桥链式机理及断链措施，对石拱桥的各种病害提出整治措施。本章首先阐述实腹式石拱桥的整治原理，把国内外新材料或还未在石拱桥加固中用到的材料引入到石拱桥加固治理中，然后依次从下部结构、上部结构及桥面系分别提出相应的维修加固措施，引入石拱桥整治实例，对改造后的石拱桥结构进行全真模拟分析其加固后的效果。4.1 石拱桥整治的基本原理拱桥的主要承重结构主要是压弯构件，其加固处治方法主要从 的决定因素（轴力N 、弯矩M 、截面面积 A、截面抗弯刚度W ）入手

12、，降低主拱圈截面应力 ，同时增大截面的容许应力，从而提高结构承载力。石拱桥主要材料有砌石、填料与砂浆，砌石主要采用花岗岩石料，花岗岩石料的特点已在 3.1.2 节介绍过，花岗岩强度较大、颜色美观、结构均匀、质地坚硬，是优质的建筑石料，但抗风化能力需进一步增强；过去填料大多采用粘土，严重影响了石拱桥的使用性能；从前面病害统计情况看，石拱桥灰缝脱落病害严重。因此，在本小节中，依次对防风化材料、新型填料及新型砂浆进行介绍。.结论本文以重庆市及周边地区 500 座在役实腹式石拱桥为依托，通过现场调研、现场检测、数据统计、理论分析、数值模拟等手段，分析不同病害成因与产生机理，总结了相应的实腹式石拱桥病害

13、整治措施。主要结论如下: 对重庆市及周边地区 500 座实腹式石拱桥病害进行统计，发现渗水病害、风化病害、灰缝脱落病害、拱石破损病害及裂缝病害是石拱桥各结构的共有病害且是石拱桥的主要病害，除了以上几种病害，下部结构的主要病害有基础冲刷病害，上部结构主要病害有侧墙与主拱圈脱裂病害、桥面铺装层病害及排水设施病害。另外，随着运营时间的增加，风化病害病害率与桥面系排水设施病害率显著增加，渗水病害率、裂缝病害率及灰缝脱落病害率缓慢增长，侧墙与石拱圈脱裂病害率和基础冲刷病害率呈无规律变化。 运用病害链式机理分析了石拱桥各种病害之间的关系，提出了石拱桥病害断链措施建议。石拱桥病害断链措施主要有以下几个要点：1）及时的修补石拱桥出现的病害；2）采用高强度材料或新型材料；3）控制超重车辆；4）加强路面的排水措施，保证路基排水通畅；5）防止石拱桥风化病害及灰缝脱落病害的发生及发展；6）防止侧墙病害及石拱圈病害的发生及发展。 据石拱桥病害的断链措施，分别从材料方面、结构方面及防水方面提出了实腹式石拱桥的整治措施。材料方面主要提出了防风化材料、轻型拱上填料与干混砂浆；结构方面主要提出了侧墙、石拱圈及基础等结构的加固措施，并对侧墙加固措施全真模拟验证了其合理性；防水方面主要提出了防排水整治措施。发现现阶段比较突出的石拱桥防风化材料主要有环氧树脂材料、丙烯酸脂