常见拱桥病害分析

常见拱桥病害分析

拱桥是一种非常古老的桥梁类型。它在设计实践中越来越应用于优美的线性、合理的压力特性和潜在的交叉能力。特别是在山地桥梁建设中，拱桥是第一个解决方案。从20世纪60年代至今,我国许多重要城市或者旅游景点都建有大量的拱桥。拱桥的形式多种多样,较常见的主要有圬工拱桥、双曲拱桥及肋拱桥。随着时间的推移,这些桥梁都出现了不同程度的病害,因此,正确分析这些病害产生的原因并找出相应的处治措施十分重要。1几种常见的拱桥疾病分析1.1工拱拱圈裂缝圬工拱桥由于具有就地取材、施工简单、不需要大型设备等特点,50年代至80年代得到大量推广使用。桥的设计荷载较小,而多年来车辆荷载逐年增大,因此,大多数拱桥处于超负荷使用状态,出现病害情况较多,需要维修加固,以提高承载能力。拱圈裂缝是圬工拱桥最常见的病害,多发于拱顶附近的下部和跨径四分之一附近上部,其裂缝有时可延伸到结构(侧墙),在拱圈表面有时会产生纵向裂缝。造成圬工拱桥病害产生的原因主要有拱圈破坏、拱上侧墙鼓胀破坏以及石料或混凝土表面风化或腐蚀等。(1)拱圈破坏。因为拱圈的抗拉强度非常低,拱圈裂缝一旦出现,则说明拱圈已经产生了弯拉应力。拱圈裂缝可能是因为荷载过大造成的,也可能是由于墩台沉陷或发生水平位移所致,应及时采取加固措施,否则将导致桥梁的垮塌。纵向裂缝主要是由砌石未错缝砌筑或墩台局部沉陷所造成。(2)拱上侧墙鼓胀破坏。拱上侧墙鼓胀破坏一般是由于排水不良,拱上填土内聚积大量水分而造成,也有可能是砌筑质量不佳造成的。(3)石料、混凝土表面风化或腐蚀,造成表面缺陷,从而影响其耐久性。1.2拱肋受力分析方面,拱肋与拱波分离,产生严重损伤和自双曲拱桥是江苏省无锡市于1964年首创的一种新型桥梁形式。由于这种桥梁结构具有结构新颖、轻巧、省料、便于施工等优点,一经出现就很快在全国范围内得到了推广应用。然而,由于设计、施工的经验不足等各种原因,不少拱桥使用一定时期以后出现了不同程度的病害和损坏。(1)墩台位移引起破坏。双曲拱桥由于自重较大,其相应的水平推力也较大,当设计和施工不当时,往往容易引起墩台的较大位移和沉降。由于位移和沉降较大,必然出现拱圈下沉、开裂,拱肋与拱波分离,空腹小拱开裂,立柱产生严重裂缝等损坏现象。(2)拱肋强度不足而引起承载能力降低。拱肋是拱桥主拱圈的重要组成部分,它与拱圈共同承受全部恒载和活载,是主要受力构件。因此,当其抗弯强度和刚度不足时,往往使承载能力降低,同时也会引起其他构件的损坏。(3)横向联系不足而引起失稳。双曲拱桥中设置横向联系梁很重要。当拱肋间无横向联系或无填平层,在集中荷载(车辆荷载)作用下,各片拱肋的变形在横桥方向很不均匀;有横向联系或填平层的拱圈,各肋间的变形则比较均匀,随着横向联系的加强,各肋间的变形更趋一致。横向联系的设立使单片的拱肋在横向联成整体,增强了拱肋的稳定性。当横向联系布置不够或强度不足而产生损坏时,将会使拱桥横向稳定性减低,拱波顶出现纵向裂缝。(4)拱上填料、排水不畅而引起侧墙膨胀破坏。双曲拱桥侧墙发生鼓胀,一般是由于排水不良,填土内聚积大量水分而造成膨胀,也可能是砌筑质量不佳引起的。1.3拱拱上建筑抗侧力肋拱桥是80年代末在四川开始兴建的一种桥梁结构形式。箱形肋拱桥是在肋拱桥的基础上将实心肋挖空形成的另一种结构形式,其拱肋刚度更大,更节约材料,结构更轻,跨越能力更大,可采用预制安装,很快得到推广使用。肋拱桥由于跨度都不大,病害发生不多,现有的病害与圬工拱桥类似。箱形肋拱拱上建筑为排架、配纵置板的桥梁发生病害的情况也不多。箱形肋拱拱上建筑为立柱、纵梁配横置车道板的桥梁,近年来则频频出现病害情况,特别是在高速路上修建的这种桥梁,通车不久就发生病害且情况相当严重。病害现象及原因分析如下:(1)桥面出现横向裂缝,裂缝走向与行车道板方向一致,而且多数发生在板间和伸缩缝附近板间铰缝,这主要是行车道板与纵梁之间所垫砂浆被破坏和铰缝施工质量差等原因造成的。(2)桥面板跨中、下缘开裂,多发生于伸缩缝附近的车道板,其原因主要是荷载和冲击过大。(3)纵梁下缘开裂,其原因主要是荷载过大、冲击过大等。(4)拱肋的拱顶下缘开裂,其原因是荷载过大、冲击过大、拱肋刚度较弱等。(5)行车高速过桥时声响和振动太大。行车高速通过桥面伸缩缝时发出巨大声响和较大振动,主要是桥面伸缩缝两边行车道板刚度太弱,车轮通过时在桥面伸缩缝处形成“高差”冲击所致,据对某桥桥面伸缩缝处加重车荷载状态下形成的“高差”计算值达24mm;其次行车道板与纵梁之间所垫砂浆因长期反复荷载作用而被破坏,导致车道板支垫不平,行车过程中也会发出声响。综上所述,导致上述病害的原因主要是桥型结构自身的局部刚度较弱、整体刚度较弱和联结缺陷等。因此,这种桥型结构不宜继续推广使用。2一些常见的拱桥维护和加固措施2.1拱桥裂缝处理2.1.1环氧砂浆填缝(1)砂浆填缝。操作时,应将缝隙清理并冲洗干净,根据不同的裂缝宽度分别用勾缝刀、抹子、刮刀等工具将砂浆填入裂缝并将表面抹平。这种处理方法可对美观、耐久性起到一定的作用,但对砌体整体性和强度提高所起的作用不大。(2)环氧砂浆或环氧浆液填缝。先在裂缝处凿一V形槽,用水冲洗干净并烘干,在裂缝四周先涂一层环氧浆液,最后嵌入环氧砂浆,用刮刀使平面低于原圬工面lcm左右,待环氧砂浆硬化后,用水泥砂浆将裂缝填满并敷面,以使裂缝处外观与其余部位一致。环氧砂浆养护期间应禁止车辆通行,不宜受潮、受震。(3)采用进口化学粘结剂封闭微裂缝。目前比较常用的处理微裂缝的方式是采用进口化学材料灌浆,如瑞士的“喜利得”化学粘结剂,采用封闭注射灌浆法,操作非常简便,且粘结强度相当高。2.1.2碳纤维布和土的配合(1)加大拱圈断面。依据拱圈的受力情况,对薄弱断面在拱背或拱腹浇筑混凝土或钢筋混凝土加大断面,先将原有拱圈结合面打毛,并冲洗干净,为增强新旧结构的结合,有时还需在原结构中植筋。(2)在受拉区粘贴碳纤维布。碳纤维布具有很高的抗拉强度,可提高拱圈抗拉能力,增强其整体性,根据受力情况可设多层,重量增加很少,操作简便。此方法得到了大力推广。2.2双拱桥的加固和改造2.2.1大跨拱肋钢板的安装(1)环氧浆液粘贴钢板加固拱肋。作为补强用的钢板,一般均设在拱肋底面,其所需数量可根据拱肋截面单独受拉开裂强度进行计算确定。补强范围宜沿整个正弯矩区段并向外延伸,为满足拱肋底面曲线的需要,钢板不宜太厚,沿粘贴面设置一定数量的夹紧螺拴,以保证粘贴面的紧密和增加粘贴面的抗剪能力。钢板的长度也不宜过长,钢板接头处再设置搭接盖板或错位搭接。(2)碳纤维布粘贴加固拱肋或拱圈。碳纤维布具有很高的抗拉强度,可对拱肋(拱圈)受拉薄弱断面进行局部加固,也可沿拱肋全面进行粘贴,提高其抗拉强度,增加其整体性。粘贴层次需经计算确定。(3)用外包混凝土加大拱肋断面。2.2.2厚拱板加固有的双曲拱桥拱肋截面比较强,但拱波较显薄弱,尤其是当横向联结较弱时,往往在拱波顶部产生纵向裂缝。采用加厚拱板的方法,既可以增加拱肋强度,又能增强拱波及拱圈的整体性。加固时先将拱上填料拆除,用混凝土将波谷填平,再沿全桥宽浇筑混凝土拱板,内设钢筋网和纵向主筋。如果是拱肋下缘抗拉强度不够,也可以在下缘用混凝土将拱波填平,增大断面,内设纵向主筋和横向分布钢筋,且锚固筋可将原拱肋主筋凿露连接,也可采用植筋技术加设锚筋。2.2.3加固原横系梁为混凝土加强横向联结的加固方法一般有以下几种:(1)用外包混凝土加大横系梁断面。对于实体切面的横系梁,如果截面偏小,刚度不足,可在原横系梁外包以混凝土,并在新增的混凝土中沿全桥宽设置通长钢筋。(2)横系梁改造为横隔板。将原横系梁截面加高使之与拱波相联结,并增设横向通长钢筋将其连成整体。(3)对于原来设置套管拉杆横向联结或未设横向联结的双曲拱桥,其套管只起横向拉结作用,对拱波的抗扭刚度作用不大。加固时可拆除原套管而改为横隔板,也可沿拱圈增加桥的横系梁或横隔板。2.2.4钢筋混凝土立柱腹拱体系的改造(1)调整拱上的恒载分布。(2)减轻拱上建筑自重。减轻拱上建筑自重的方法一般有以下几种:(1)降低桥面标高,减少或完全取消拱上填料,或使用轻质填料;(2)将腹拱的重力式横墙挖空,或改为钢筋混凝土立柱;(3)用预制的钢筋混凝土T梁、空心板等轻型桥面结构取代笨重的腹拱体系;(4)采用钢筋混凝土刚架或精架式拱上建筑。2.3厚桥面铺装混凝土(1)更换伸缩缝相邻的横置车道板。新预制的车道板应重新设计,增大跨中附近底面厚度,可设计成折线型或曲线型,以增强其刚度。其余部位的行车道板如下缘开裂超过允许范围,也应进行更换,重新处理铰缝。(2)加厚桥面铺装混凝土。为了增大桥面板刚度,也可以凿除原桥面铺装混凝土,增加桥面钢筋,增厚桥面铺装混凝土。(3)行车道板下的橡胶支座。凿除桥面和铰缝混凝土后,用千斤顶或吊车将板提升一定距离,凿除原支垫砂浆并清扫干净,支垫板式橡胶支座,若支垫不平,可塞薄钢板。(4)纵梁裂缝修补。对于纵梁裂缝不多、裂缝宽度不大的情况,可对纵梁裂缝进行修复,一般采用注射灌浆先将裂缝封闭,再用环氧浆液粘贴钢板或粘贴碳纤维布,以达到补强效果。对于破坏严重的纵梁,应进行更换。(5)拱圈加固改造。拱圈强度和刚度不够,需要对拱圈进行加固改造。一般采取外