石拱桥常见病害与预防措施

石拱桥常见病害与预防措施
石拱桥具有因地制宜、就地取材、造价低、桥型雄伟壮观的优点。

我国修建了许多大跨径且经济又美观的石拱桥，如湖南省凤凰县乌巢河大桥，主跨120m，高42m，全长241m，成为该旅游区的一道风景。

但石拱桥运行过程中经常出现一些病害，给养护带来一定困难，甚至影响桥梁的安全。

1、石拱桥常见病害及原因分析
1.1主拱圈开裂
主拱圈开裂严重影响桥梁的安全，主要有横向开裂与纵向开裂。

主拱圈横向开裂多发生在拱顶下部或拱脚上部，有时甚至会开裂至拱壁。

造成主拱圈横向开裂的主要原因：1）主拱圈厚度太薄或材料强度不够。

石拱桥主拱圈内力分析表明，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。

2）基础沉陷，墩台移动。

石拱桥多按无铰拱设计，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相当大。

3）拱圈受力不对称。

主要发生在坡桥与弯桥上。

有些坡桥坡度较大，而主拱圈设计采用平置，造成拱上建筑不对
称，使拱圈受力不对称。

车辆在弯桥上转弯时产生向心力，造成拱圈弯道外侧开裂。

4）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。

5）施工质量差。

如砂浆不饱满、砌筑工艺不规范等。

主拱圈纵向裂隙主要由施工引起。

拱圈多采用分环砌筑，如在施工时未注意环与环交错搭接，则会在拱圈下部腹石上发生纵向裂缝。

1.2腹拱圈开裂
腹拱圈开裂最严重且普遍，是石拱桥最主要的
病害。

主要原因：
1）如果腹拱太坦，就会产生较大的腹拱推力，
而施工质量较差，则不能满足设计要求。

2）铰缝处理不当。

石砌腹拱圈的铰石应选择石质坚硬且无裂纹的石料，一对铰石的接触面应较一般拱石多加修凿以增大实际接触面积，如果施工中未达到要求，会造成铰石破坏而开裂。

3）拱与拱上建筑的联合作用显著影响拱上建筑的内力，拱上建筑刚度越大，影响就越大。

考虑拱上建筑与拱共同工作所计算的内力与分开计算的结果可能迥然不同，如构造处理不妥而按分开计算设计，则拱上建筑可能严重开裂甚至破坏。

4）腹拱的开裂造成桥面破坏，加上养护不到位，引起桥面渗水，进一步加剧了腹拱圈的开裂。

1.3桥面破损
桥面破损影响行车安全，轻则使行车轻微颠簸，重则产生跳车。

且车辆经过跳车处时，会引起腹拱严重振动，增加构件的疲劳，势必缩短桥梁的使用寿命。

引起石拱桥桥面破损的主要原因：
1）实腹式拱桥多采用柔性填料（砂砾或碎石），柔性填料在车辆荷载作用下的不均匀压缩变形或台后排水处理不当，造成填料积水，填料强度降低，引起路面破坏。

2）空腹式拱桥由于腹拱铰的存在，为适应变形的需要，侧墙与桥面结构需相应设置伸缩缝或变形缝，由于缝的存在，构造上又不进行改善，易引起桥面从变形缝处开始破坏。

3）桥面伸缩缝设置构造过于简单，不能满足桥面变形的需要，造成桥面破坏。

1.4防水层破坏或失效
防水层破坏或失效，使拱圈漏水，影响结构安全，缩短了桥梁的使用寿命。

引起防水层破坏或失效的主要原因：1）实腹式拱桥多采用胶泥或三合土作防水层，在施工现场纯粘土很难找到，施工时就用一般亚粘土代替，防水效果不佳；胶泥和三合土的水固比难把握，特别是在填料夯实过程中，容易破坏或开裂。

如桥面有渗水，胶泥或三合土易
软化而失效。

2）空腹式拱桥多采用沥青、油毛毡防水层，油毛毡容易老化，特别是变形缝处，很难保证沥青麻絮密实。

2、石拱桥常见病害的预防措施
2.1精心分析石拱桥结构，做到主拱圈与拱上建筑高度统一
1）合理确定拱轴系数。

拱是主要承受压力的结构，为保证拱圈不出现拉应力，合理确定拱轴系数，使恒载压力线与拱轴线基本重合是关键。

对于悬链线实腹式拱桥，拱轴系数m为：
M=g j/g d
式中：g d、g j分别为拱顶及拱脚处的恒载集度。

g d=r1hd+r2d
g j=r1h d+r2d/cosΦj+r3h
式中：r1、r2、r3分别分别为拱顶填料、拱圈及拱腹填料的单位体积恒载；h d为拱顶填料厚度；d为拱圈厚度；
h＝f+d/2-d/（2cosΦj）。

悬链线空腹拱采用五点重合法，要求拱顶、两个1/4点和两脚与恒载压力线重合。

具体作法：先用数解法求出空腹拱恒载压力线在拱跨1/4点的纵坐标y1/4与f的比值，然后从悬链线拱轴坐标表中找出相应的m 值，通过试算确定m。

y1/4
∑M1/4 =
f ∑M j
从以上2种拱轴系数确定方法及公式可知，跨径和矢跨比相同，甚至拱上建筑型式相同，但由于不同的桥梁有不同的桥面结构、不同的拱顶填料厚度、不同的材料，因此恒载压力线是变化的，设计者不能死套标准图纸。

笔者通过改变! 系数对主拱圈进行分析，内力影响较大。

2）重视拱上建筑联合作用，应用平面杆件系统程序或有限元程序对桥跨做整体内力分析。

有些设计者往往只重视主拱圈的内力计算，认为拱上建筑与主拱分开计算对主拱圈是偏安全的，拱上建筑仅凭经验、按构造要求处理。

有些设计者任意加大腹拱墩的尺寸，其后果是加大了拱上建筑的刚度，联合作用影响更大。

3）注重墩台位移与连拱计算。

石拱桥对地基承载能力要求较高，对墩台位移敏感，过大的基础沉降或墩台位移，给超静定拱产生过大的附加内力，使主拱圈开裂。

采用电算手段对多跨拱桥进行连拱计算，在计算过程中，根据地质情况考虑墩台沉降，是保证石拱桥在运营过程中内力与计算相符的关键。

2.2优化构造，消除质量隐患
1）材料的优化。

①用小石子砼筑砌拱圈，降低施工难度。

主拱圈设计多采用10号或12.5号水泥砂浆砌筑石料，根据我国水泥生产情况，325号水泥很少出产，10号或12.5
号水泥砂浆只能采用425号水泥配制，因水泥含量少造成砂浆和易性与流动性差，捣实困难，难以保证砌筑质量。

如改用15～20号小石子砼砌筑，质量容易保证。

②主拱拱脚及腹拱脚是关键部位，设计多采用五角石砌筑，如改为钢筋砼构件，质量容易保证。

2）优化拱上结构。

①梁式拱上建筑因拱上结构采用钢筋砼，拱上建筑的病害比拱式拱上建筑要少得多。

②全空式拱上构造值得推广。

全空式拱上构造主拱顶无实腹段，腹拱采用变截面，增大了其抗推刚度，采用薄立墙，减少了立墙刚度。

荷载推力H按刚度分配，绝大部分推力由邻孔传到两岸桥台和主拱顶上，高而窄的立墙因刚度小，所分配的H也很小，立墙可近似按压杆状态计算，且使拱上结构适应主拱圈的变形能力大大提高。

3）采用刚性填料，减少桥面病害。

砂砾或碎石填料在荷载作用下因“拱”容易造成不均匀压缩变形，使桥面开裂，填料积水使其强度降低，进而加剧桥面的破坏。

采用刚性填料，可克服柔性填料的弱点。

拱式拱上结构的石拱桥腹拱圈采用刚性填料，辅以桥面铺装15～20m厚的砼或钢筋砼，同时通过在立墙处砌缝或预设小变形缝这种化整为零的形式来取消桥头伸缩缝，效果很好。

无论采用砼还是钢筋砼桥面铺装，都宜在变形缝处设置传力构造，防止桥面铺装在变形缝处破坏。

4）改善防水措施。

防水砼防水效果好，耐久性强。

在刚性填料上铺设一层5～10m厚的小石子防水砼抹平层，既可调整桥面横坡，又可起到防水作用。

如再在抹平层上涂1～2道沥青，防水效果更佳。

变形缝或伸缩缝处是防水重点，建议采用锌铁皮处理，既简单，效果又好
5）合理布置坡、弯石拱桥。

对大跨径石拱桥，纵坡不宜超过4％，最好在3％以内，为使拱圈受力均匀，拱圈宜按纵坡斜置。

如平曲线半径较小，不宜修建大跨径石拱桥，如采用小跨径（20m以内），墩台宜按径向楔形布置，以保证拱圈垂直于起拱线，受力均匀。

2.3精心施工，确保施工质量
1）合理设置预拱度，使成桥后拱轴线符合设计要求。

拱架承受荷载后将产生弹性变形和非弹性变形，另外，当拱圈砌筑完毕，强度达到要求而卸落拱架后，拱圈由于承受自重、温度变化及墩台位移等因素影响，也会发生弹性下沉。

为使拱轴线符合设计要求，必须在拱架上预留施工拱度，以抵消这些可能发生的垂直变形。

2）精心设计加载程序与卸架程序。

大、中跨径拱桥一般采用分段或分环与分段相结合的砌筑方法，当拱圈厚度较大时，可将拱圈全厚分环砌筑。

无论采用何种方法，均要使拱架变形尽可能均匀，避免拱圈发生反复变形。

卸架时一般是从拱顶开始，向拱脚对称卸落。

对于大跨径的悬链线拱圈，
为避免拱圈发生“M”形变形，可从两边L/4处逐次对称地向拱脚和拱顶均衡卸落。

3）完善施工工艺，注意关键部位的施工。

《公路桥涵施工技术规范》已明确规定了石拱桥的砌筑工艺，这里不再赘述。

石拱桥有几个关键部位，施工时要特别注意：①主拱座与腹拱座。

构件端部应力分布复杂，拱座质量差将严重影响整座桥梁的安全。

以往拱座多采用精心加工的五角石砌筑，可改用钢筋砼。

②腹拱铰是保证拱桥实际受力与结构计算图式尽量相符的构造措施，是避免拱上建筑开裂的关键，
施工时要特别注重对拱铰石的选择与加工。