混凝土空腹拱桥病害原因分析及维修加固设计
杨广庭
【摘要】本文通过对混凝土空腹拱桥的病害调查及原因分析，针对桥梁的病害形成原因，对桥梁进行维修加固研究。
【关键词】空腹拱；裂缝；维修加固
【Abstract】Fasting for disease investigation concrete arch bridge and analysis of the causes of the causes for the disease bridges， bridge maintenance and reinforcement of research conducted by this paper.
【Key words】Fasting arch；Crack；Repair and reinforcement
1. 桥梁概况
K187+190中桥位于河北某高速公路K187+190处，该桥行车方向与水流方向交角90°，上部结构为钢筋混凝土无铰拱，下部结构为浆砌块石空腹桥台，扩大基础。大同方向桥面铺装结构为4cm粗骨料纤维沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+25cm30号防水混凝土；宣化方向桥面铺装结构为4cm粗骨料纤维沥青混凝土+5cm粗粒式沥青混凝土+26cm30号防水混凝土。最大跨径30m，桥长46.635m。设计荷载汽车-超20，挂-120。主拱圈为等截面悬链线无铰拱 ，矢跨比为1/5，拱轴系数m=3.142，腹拱拱圈为圆弧拱，矢跨比1/4。桥梁位于R=10779.7m的凸曲线和R=2150m的平曲线上，纵坡（指竖交点与竖交点连线坡度）4.4%桥面右超高2%，主拱及腹拱均采用正拱斜置的做法，即以跨径中心为原点顺时针旋转2°17′26″，纵坡主要在拱脚调整，两拱脚连线纵坡4%。腹拱圈、腹拱墩在桥外侧两米采用现浇混凝土预制。原设计拱圈合拢温度为5～15℃，桥梁竣工时间为1999年10月。
2. 桥梁病害
2011年定期检查中该桥已被评定为三类桥。2012年春融后，特别是进入4月下旬，此桥病害发展迅速，其中表现最为严重的是宣化方向8号腹拱，该腹拱跨径2.198m，拱圈厚为30cm，腹拱顶出现1条横桥向贯通裂缝并伴有渗水碱蚀现象，缝旁混凝土脱落，缝宽约2mm，腹拱拱圈出现5条纵向贯通裂缝并伴有渗水碱蚀现象。同位置桥面病害表现明显，行车道下沉2cm并伴有多条裂缝，面积约4×2.2m。车辆过桥时病害处有明显错动，并伴有异响。
3. 病害原因分析
根据现场检测，发现该桥主要病害表现为：各腹拱拱圈均存在多条纵横裂缝，大部分横缝超限且伴有渗水；宣化方向8#腹拱上方桥面沉陷。经初步分析腹拱开裂的原因可能有以下几点：
（1）温度应力的影响。原设计在运营阶段所考虑的温度变化范围为±25℃。而当地的室外最高气温可达37℃左右，最低气温可达-32℃左右，年相对温差可达80℃左右，再考虑到桥梁处于深切的山丘间的冲沟处，会使温差进一步加大。显然设计所取得温度范围较小，从而影响到结构截面尺寸，板厚等参数的选取，造成实际的温度应力与理论计算结果存在较大的偏差。
（2）重车的影响。重型超载车是对该桥产生影响的另一个主要因素。比较轻重两半幅腹拱的裂缝情况，明显可以看出重型超载车的影响。
（3）坡桥的影响。由于该桥处于坡道上，在桥面上会产生一定的斜向力（沿桥面方向），另外在坡道上一般重车会减速或匀速行驶，即使是保持匀速行驶也会沿桥面产生一定的惯性力，由于重车吨位较大就使得重车沿桥面方向产生较大推力，使该桥腹拱出现裂缝等破坏的特征。
（4）冻融影响。裂缝位置存在渗水现象，裂缝中的水在冬季凝结成冰对裂缝起到一定的扩张作用，同时冻融作用侵蚀了裂缝界面的混凝土导致裂缝进一步扩大。
（5）腹拱拱脚损坏的影响。经检测发现该桥宣化方向8#腹拱拱脚存在一定程度的损坏，拱脚的损坏加剧了腹拱拱顶裂缝的扩张。
4. 维修加固措施
根据桥梁的检测评定结果及原因的初步分析，制定以下维修加固措施：
（1）处理腹拱裂缝：对缝宽小于0.3mm的裂缝采用环氧树脂胶封闭；缝宽大于0.3mm的采用低压压力灌浆修补。
（2）对其它部位的裂缝用灌缝胶进行封缝处理，对混凝土脱落的部位用聚合物砂浆进行修补。
（3）对宣化方向桥面沉陷部位进行局部挖补处理。
（4）对两铰腹拱进行套拱加固（3#、8#腹拱），在立墙上植筋锚固两个牛腿，在牛腿上垫设橡胶板，在腹拱下布置钢筋架立模版，通过桥面钻孔（每个腹拱拱顶断面均匀布置4个，共16个）浇筑灌浆料。
（5）将原桥TST伸缩缝及干砌式变形缝改为BJ200高弹式桥梁无缝伸缩缝。
5. 施工要点
5.1施工程序。
（1）封闭裂缝：对缝宽小于0.3mm的裂缝采用环氧树脂胶封闭；对缝宽大于0.3mm的裂缝采用低压灌浆修补。
（2）聚合物砂浆修补：混凝土脱落部位用聚合物砂浆修补。
（3）腹拱加固：对腹拱采用增设套拱的方式加固。
（4）桥面局部挖补：挖除桥面沉陷部位沥青层，并用热拌沥青混合料修补。
5.2腹拱加固。
施工顺序：桥面钻孔→构建表面处理→钻孔植筋→浇筑牛腿→浇筑套拱
（1）表面处理：混凝土表面要清除破碎部分，并凿平凿毛，使骨料露出，再用钢丝刷或压缩空气清除浮尘。
（2）钻孔植筋：具体施工工艺及注意详见第四项，植入混凝土的锚栓钢筋与牛腿横向钢筋焊接。
（3）浇筑牛腿：在腹拱两侧立墙上钻孔植筋后浇筑牛腿。
（4）设置橡胶垫：浇筑套拱前，在牛腿与套拱的接触面满铺1cm厚橡胶垫。
（5）浇筑套拱：在原腹拱拱圈上钻孔植筋后布设钢筋网，浇筑15cm厚混凝土套拱，套拱内钢筋与植筋焊接。架立底模后（模版应预留通气孔）通过桥面钻孔灌注灌浆料。
5.3BJ200高弹式桥梁无缝伸缩缝。
（1）用切割机在伸缩缝位置进行切割，切割深度控制在12～17cm，宽度为30cm。用风镐清除旧料，注意不要损坏桥基面。
（2）用刷子对伸缩缝槽底及两侧进行清理并进行表面打磨，并清理和烘干。用快凝水泥将槽底修复平整并控制槽深为10cm。
（3）用耐高温泡沫垫衬条填实桥缝，不留空隙。
（4）将BJ200接缝料加热到170℃～190℃后覆盖槽底，用刮板刮平，在槽的两侧也涂刷一层。注意要将整个槽底完全密封。
（5）在槽底铺设1×0.1×0.08m的钢板并用钉子固定，固定间距0.3m。固定好钢板后，再铺一层BJ200接缝料并用刮板刮平。
（6）将强度及压碎值指标符合规范要求的单粒径碎石加入搅拌机，用热喷枪对准旋转着的敞口搅拌机的口，将石料加热到最少150℃，但石料的温度不得高于190℃。用手持红外线温度计监测温度。
（7）将加热的石料均匀摊铺在伸缩缝槽内，用耙子将石料刮成不低于20mm不高于40mm的厚度。用刮板将加热的BJ200密封胶均匀的覆盖在石料上，要使每个石头间没有空隙，石头不外露。等上几分种， BJ200会将石料间气泡排出.然后按一层石料一层BJ200的步骤层层铺盖。直 到倾倒的接缝料离路面只剩下20到30mm，进行下一步骤。
（8）将石料和加热的BJ200密封胶加入到旋转着的搅拌机里混合搅拌，密封胶和石料的比例约1：5。快速将混合料倾倒于伸缩缝槽内，用刮板刮平，混合料铺筑高度比相邻的路面高出约 10mm。
（9）在离切割线4到5cm的路面上覆盖两条胶带，用于表面防水、防污染物，保证接缝处与路面接合均匀。用V形桶装规定温度的BJ200密封胶通过刮板盒倾倒于槽面及两边胶带上，不要太 多，只要填充石料间的空隙就可以。用刮板刮平，确保路面平滑没有凹坑。
（10）为充分发挥密封胶的粘接性能，所有的操作都要具有连贯性。接缝料要实行分段施工，每段长度为3～3.5m，进行下一段的施工时应把两段的连接处加热至BJ200熔化，否则两段间会出 现连续性不好的情况，可能会导致裂痕的出现。
（11）BJ200混合料压实后，待混合料冷却后即可开放交通。
6. 结语
桥梁病害的维修加固设计应先对病害的形成原因进行细致、全面的分析，结合病害成因，因地制宜的制定维修加固方案。本文混凝土空腹拱桥的腹拱病害的维修设计进行了阐述，仅供同行交流参考。
参考文献
[1]《公路工程技术标准》JTG B01-2003.
[2]《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004.
[3]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004.
[4]《公路桥涵养护规范》JTG H11-2004.
[5]《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000.
[6]《公路桥梁加固设计规范》JTG/T J22-2008.
[7]《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2004）.
[8]《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）.
[文章编号]1619-2737（2014）04-15-590
【摘要】本文通过对混凝土空腹拱桥的病害调查及原因分析，针对桥梁的病害形成原因，对桥梁进行维修加固研究。
【关键词】空腹拱；裂缝；维修加固
【Abstract】Fasting for disease investigation concrete arch bridge and analysis of the causes of the causes for the disease bridges， bridge maintenance and reinforcement of research conducted by this paper.
【Key words】Fasting arch；Crack；Repair and reinforcement
1. 桥梁概况
K187+190中桥位于河北某高速公路K187+190处，该桥行车方向与水流方向交角90°，上部结构为钢筋混凝土无铰拱，下部结构为浆砌块石空腹桥台，扩大基础。大同方向桥面铺装结构为4cm粗骨料纤维沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+25cm30号防水混凝土；宣化方向桥面铺装结构为4cm粗骨料纤维沥青混凝土+5cm粗粒式沥青混凝土+26cm30号防水混凝土。最大跨径30m，桥长46.635m。设计荷载汽车-超20，挂-120。主拱圈为等截面悬链线无铰拱 ，矢跨比为1/5，拱轴系数m=3.142，腹拱拱圈为圆弧拱，矢跨比1/4。桥梁位于R=10779.7m的凸曲线和R=2150m的平曲线上，纵坡（指竖交点与竖交点连线坡度）4.4%桥面右超高2%，主拱及腹拱均采用正拱斜置的做法，即以跨径中心为原点顺时针旋转2°17′26″，纵坡主要在拱脚调整，两拱脚连线纵坡4%。腹拱圈、腹拱墩在桥外侧两米采用现浇混凝土预制。原设计拱圈合拢温度为5～15℃，桥梁竣工时间为1999年10月。
2. 桥梁病害
2011年定期检查中该桥已被评定为三类桥。2012年春融后，特别是进入4月下旬，此桥病害发展迅速，其中表现最为严重的是宣化方向8号腹拱，该腹拱跨径2.198m，拱圈厚为30cm，腹拱顶出现1条横桥向贯通裂缝并伴有渗水碱蚀现象，缝旁混凝土脱落，缝宽约2mm，腹拱拱圈出现5条纵向贯通裂缝并伴有渗水碱蚀现象。同位置桥面病害表现明显，行车道下沉2cm并伴有多条裂缝，面积约4×2.2m。车辆过桥时病害处有明显错动，并伴有异响。
3. 病害原因分析
根据现场检测，发现该桥主要病害表现为：各腹拱拱圈均存在多条纵横裂缝，大部分横缝超限且伴有渗水；宣化方向8#腹拱上方桥面沉陷。经初步分析腹拱开裂的原因可能有以下几点：
（1）温度应力的影响。原设计在运营阶段所考虑的温度变化范围为±25℃。而当地的室外最高气温可达37℃左右，最低气温可达-32℃左右，年相对温差可达80℃左右，再考虑到桥梁处于深切的山丘间的冲沟处，会使温差进一步加大。显然设计所取得温度范围较小，从而影响到结构截面尺寸，板厚等参数的选取，造成实际的温度应力与理论计算结果存在较大的偏差。
（2）重车的影响。重型超载车是对该桥产生影响的另一个主要因素。比较轻重两半幅腹拱的裂缝情况，明显可以看出重型超载车的影响。
（3）坡桥的影响。由于该桥处于坡道上，在桥面上会产生一定的斜向力（沿桥面方向），另外在坡道上一般重车会减速或匀速行驶，即使是保持匀速行驶也会沿桥面产生一定的惯性力，由于重车吨位较大就使得重车沿桥面方向产生较大推力，使该桥腹拱出现裂缝等破坏的特征。
（4）冻融影响。裂缝位置存在渗水现象，裂缝中的水在冬季凝结成冰对裂缝起到一定的扩张作用，同时冻融作用侵蚀了裂缝界面的混凝土导致裂缝进一步扩大。
（5）腹拱拱脚损坏的影响。经检测发现该桥宣化方向8#腹拱拱脚存在一定程度的损坏，拱脚的损坏加剧了腹拱拱顶裂缝的扩张。
4. 维修加固措施
根据桥梁的检测评定结果及原因的初步分析，制定以下维修加固措施：
（1）处理腹拱裂缝：对缝宽小于0.3mm的裂缝采用环氧树脂胶封闭；缝宽大于0.3mm的采用低压压力灌浆修补。
（2）对其它部位的裂缝用灌缝胶进行封缝处理，对混凝土脱落的部位用聚合物砂浆进行修补。
（3）对宣化方向桥面沉陷部位进行局部挖补处理。
（4）对两铰腹拱进行套拱加固（3#、8#腹拱），在立墙上植筋锚固两个牛腿，在牛腿上垫设橡胶板，在腹拱下布置钢筋架立模版，通过桥面钻孔（每个腹拱拱顶断面均匀布置4个，共16个）浇筑灌浆料。
（5）将原桥TST伸缩缝及干砌式变形缝改为BJ200高弹式桥梁无缝伸缩缝。
5. 施工要点
5.1施工程序。
（1）封闭裂缝：对缝宽小于0.3mm的裂缝采用环氧树脂胶封闭；对缝宽大于0.3mm的裂缝采用低压灌浆修补。
（2）聚合物砂浆修补：混凝土脱落部位用聚合物砂浆修补。
（3）腹拱加固：对腹拱采用增设套拱的方式加固。
（4）桥面局部挖补：挖除桥面沉陷部位沥青层，并用热拌沥青混合料修补。
5.2腹拱加固。
施工顺序：桥面钻孔→构建表面处理→钻孔植筋→浇筑牛腿→浇筑套拱
（1）表面处理：混凝土表面要清除破碎部分，并凿平凿毛，使骨料露出，再用钢丝刷或压缩空气清除浮尘。
（2）钻孔植筋：具体施工工艺及注意详见第四项，植入混凝土的锚栓钢筋与牛腿横向钢筋焊接。
（3）浇筑牛腿：在腹拱两侧立墙上钻孔植筋后浇筑牛腿。
（4）设置橡胶垫：浇筑套拱前，在牛腿与套拱的接触面满铺1cm厚橡胶垫。
（5）浇筑套拱：在原腹拱拱圈上钻孔植筋后布设钢筋网，浇筑15cm厚混凝土套拱，套拱内钢筋与植筋焊接。架立底模后（模版应预留通气孔）通过桥面钻孔灌注灌浆料。
5.3BJ200高弹式桥梁无缝伸缩缝。
（1）用切割机在伸缩缝位置进行切割，切割深度控制在12～17cm，宽度为30cm。用风镐清除旧料，注意不要损坏桥基面。
（2）用刷子对伸缩缝槽底及两侧进行清理并进行表面打磨，并清理和烘干。用快凝水泥将槽底修复平整并控制槽深为10cm。
（3）用耐高温泡沫垫衬条填实桥缝，不留空隙。
（4）将BJ200接缝料加热到170℃～190℃后覆盖槽底，用刮板刮平，在槽的两侧也涂刷一层。注意要将整个槽底完全密封。
（5）在槽底铺设1×0.1×0.08m的钢板并用钉子固定，固定间距0.3m。固定好钢板后，再铺一层BJ200接缝料并用刮板刮平。
（6）将强度及压碎值指标符合规范要求的单粒径碎石加入搅拌机，用热喷枪对准旋转着的敞口搅拌机的口，将石料加热到最少150℃，但石料的温度不得高于190℃。用手持红外线温度计监测温度。
（7）将加热的石料均匀摊铺在伸缩缝槽内，用耙子将石料刮成不低于20mm不高于40mm的厚度。用刮板将加热的BJ200密封胶均匀的覆盖在石料上，要使每个石头间没有空隙，石头不外露。等上几分种， BJ200会将石料间气泡排出.然后按一层石料一层BJ200的步骤层层铺盖。直 到倾倒的接缝料离路面只剩下20到30mm，进行下一步骤。
（8）将石料和加热的BJ200密封胶加入到旋转着的搅拌机里混合搅拌，密封胶和石料的比例约1：5。快速将混合料倾倒于伸缩缝槽内，用刮板刮平，混合料铺筑高度比相邻的路面高出约 10mm。
（9）在离切割线4到5cm的路面上覆盖两条胶带，用于表面防水、防污染物，保证接缝处与路面接合均匀。用V形桶装规定温度的BJ200密封胶通过刮板盒倾倒于槽面及两边胶带上，不要太 多，只要填充石料间的空隙就可以。用刮板刮平，确保路面平滑没有凹坑。
（10）为充分发挥密封胶的粘接性能，所有的操作都要具有连贯性。接缝料要实行分段施工，每段长度为3～3.5m，进行下一段的施工时应把两段的连接处加热至BJ200熔化，否则两段间会出 现连续性不好的情况，可能会导致裂痕的出现。
（11）BJ200混合料压实后，待混合料冷却后即可开放交通。
6. 结语
桥梁病害的维修加固设计应先对病害的形成原因进行细致、全面的分析，结合病害成因，因地制宜的制定维修加固方案。本文混凝土空腹拱桥的腹拱病害的维修设计进行了阐述，仅供同行交流参考。
参考文献
[1]《公路工程技术标准》JTG B01-2003.
[2]《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004.
[3]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004.
[4]《公路桥涵养护规范》JTG H11-2004.
[5]《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000.
[6]《公路桥梁加固设计规范》JTG/T J22-2008.
[7]《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2004）.
[8]《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）.
[文章编号]1619-2737（2014）04-15-590
