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橋梁病害及加固設計方法超強圖文詳解,瀝青網,sinoasphalt.com
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橋梁病害及加固設計方法超強圖文詳解
2020年12月14日    閱讀量:5611    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

橋梁工程同新建相比,改建可節省大部分資金。合理利用原有主體結構,改變功能配置、改善空間質量、擴大功能空間等,可以減少開發商的初期投資費用(包括拆遷費、土建費等)、縮短建設周期,體現較高的經濟價值。目前橋梁加固設計與計算方面的研究還相對滯后,有些方面甚至連公認的算法都沒有,使設計者感到難于動手瀝青網sinoasphalt.com。 

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橋梁加固設計師除了有扎實的專業知識外,最好既有相當的設計經驗,又有相當的施工經驗,所完成的設計施工圖才較合理、可靠、現實、施工質量容易保證、修改變更少、造價合理、加固效果好,不僅能治“標”,能治“本”的盡量治“本”。

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如果只有施工經驗,所出加固方案及施工圖,可能缺乏對結構系統地受力分析及病害成因及趨勢分析,往往該加固的部位加固不夠或太多,不需要加固的地方也加固,造成多花了錢,加固效果還不好。很多設計者在加固材料的用量上比較隨意,憑經驗、憑感覺用材料的人不少,是否浪費材料或是達不到最好的加固效果,自己不清楚,業主更不知道,大多沒有作加固計算,有的高資質設計單位也只對加固前的結構作些復核性計算,最多作加固后的承載力計算。但大家知道構件的病害往往在正常使用階段中表現出來,承載能力主要說明構件是否安全,能安全使用的構件并非就沒有病害,因此還要作截面上各材料的應力強度計算,才能反映出構件是否有病害、程度如何及發展趨勢。

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“應力強度計算是反映構件病害的必要依據,承載能力計算是構件安全使用的最后保障”兩者均不可缺?,F實加固計算中,常出現承載能力極限狀態滿足要求,但構件確實存在許多病害,于是一種做法是加大車輛設計荷載使承載力不滿足要求,但又缺乏可靠的超載資料;另一種做法是根據各種病害及程度通過一些算法得出各種折減系數,對承載力進行折減,以說明構件不滿足承載力要求,構件加固后又補足大于等于被折減的承載力,這種做法雖有一定科學依據,但也有不少人為評判因素,同樣不能反映控制截面上各種材料的工作狀況。

橋梁加固設計計算應該既作截面上各材料的應力強度計算,也作承載力計算,由于材料的應力強度往往優先控制設計,再加上承載力計算中有時要用到應力計算的結果,因此先作應力強度計算,后作承載力計算,兩者均應符合要求。


橋梁上部結構病害概述


以鋼筋混凝土或預應力混凝土材料修建的各類橋梁占我國現役橋梁的絕大多數,由于各種原因,使用多年后,或多或少都出現一些病害,特別是近些年來許多地區交通流量增大及重車增多,橋梁出現的病害較多,相當一部分橋梁已到了不得不加固或者是不加固不讓人放心的地步。

對于裂縫寬度的限制值,縫寬小于規范要求的,采用涂刷環氧膠封閉??p寬大于規范要求的,若是非結構受力裂縫,則采用壓力灌縫處理,若是結構受力裂縫,則不僅要治標,還要治本,采用各種加固方法來消除或部分消除裂縫產生的原因。

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1、鋼筋混凝土整體現澆簡支板橋

簡支板橋是小跨徑橋梁常用的結構型式,鋼筋混凝土板橋的跨徑常為5~13米,有空心板和實心板,施工方法有預制裝配和整體現澆。預應力板橋的跨徑常為10~20米,一般為空心板,預制裝配的較多。

常見的病害有:

(1)跨中附近板底由下而上的豎向裂縫,一般有多條,靜態裂縫寬度有可能超過規范限制值,有時還伴隨著跨中下撓,表明抗彎能力已不足。

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(2)跨中附近板底縱向裂縫,一般也可能有多條,有的靜態裂縫寬度也會超過規范要求,這很可能是設計圖采用了預制裝配的標準圖配筋,施工時卻改用現澆,將單向板變成整體式雙向板,改變了板的受力方式,導致板底橫向配筋嚴重不足,在橫向彎矩作用下,引起板底產生縱向裂縫。 

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2、鋼混及預應力混凝土預制裝配簡支板橋

常見的病害有:

(1) 裝配式簡支板可有橋面鉸接縫處出現縱向裂縫,這主要是鉸接縫施工質量差,造成各板塊的整體性連接差; 

(2)也可有支座脫空現象產生,由于每塊板的兩端各有2個支座,每跨橋都有較多支座,如果施工時支座墊石標高有誤差,或預制安裝時板有翹曲,或墩臺有不均勻沉降都會導致部分支座脫空;

(3)鋼筋混凝土的簡支板跨中附近板底有由下而上的豎向裂縫,縫寬有可能超過規定要求,或有跨中下撓,抗彎能力不足。

(4)板底出現縱向裂縫,預應力混凝土裝配式簡支板橋大多采用先張法施工,如果由于施工原因造成底板太薄,使得預應力筋周圍混凝土局部應力過大,或者由于混凝土中的氯鹽添加劑或者混凝土碳化造成鋼筋生銹,均可能產生沿著鋼筋的板底縱向裂縫。

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(5)一般的空心板在支承端附近不會出現剪切斜裂縫,但近幾年來有的橋梁采用了單塊寬度達1.5米甚至更大的大空心板,其實相當于小箱梁,腹板厚度不大時,邊板的腹板上有可能發現斜裂縫。 

對上述各種病害可選的加固方法有: 

(1)對板底產生的縱、橫向裂縫,當縫寬超過規范的限制時,均可采用粘貼鋼板法或粘貼纖維復合材料法加固。但對解決跨中下撓的效果不好; 

(2)預應力加固法,在板底錨固多根平行的預應力細鋼絲,張拉后覆蓋特制混凝土(板底錨固多根預應力鋼絲),或者設轉向托架后折線形布鋼束張拉,預應力鋼索穿過兩端板中斜孔錨固于鋪裝層下(折線形布置體外預應力索)。 

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(3)改變結構體系法,如簡支板變連續板,小跨徑板橋可在跨中或跨中附近增設橋墩或斜撐,采用“跨中增加支撐變簡支為連續”,但應注意在中支點負彎矩區,應結合橋面改造,增設足夠的受拉鋼筋。以上兩種方法對解決跨中下撓效果較好; 

(4)錨噴混凝土加固法,在板底錨固鋼筋網后,噴射混凝土覆蓋。其實質是增加板底配筋,類似于“

板底錨固多根預應力鋼絲 ”圖,只不過板底增加的是普通鋼筋網; 

 (5)對橋面鉸縫處的縱向裂縫,只有通過橋面改造來解決,如增加橋面橫向鋼筋布置,加厚鋪裝層等; 

 (6)對板橋支座脫空現象,可采用更換,加鋼墊板,楔緊等方法解決。

3、鋼筋混凝土及預應力混凝土連續板橋

鋼筋混凝土及預應力混凝土連續板橋一般采用實心板截面或空心板截面,大多采用現澆施工,跨徑在20米以下,預應力混凝土連續板跨徑偏大些,一般采用后張法,有等高度的,也有變高度的。城市橋梁中的跨線橋、人行橋應用多一些。鋼筋混凝土連續板的應用更多。 

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常見病害有: 

(1)筋混凝土連續板橋各跨中附近板底由下而上的多條豎向裂縫,橫向有可能貫通,屬彎曲裂縫,表明抗彎能力不夠;

(2)筋混凝土連續板橋各墩頂處橋面開裂,橋下滲水,一般都橫向貫通,裂縫可有一條到多條,可由活荷載引起,也可由墩臺不均勻沉降引起,如圖,說明負彎矩較大,支點截面抗彎能力不足。

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 (3)各跨中附近板底出現縱向裂縫,類似于“整體式板橋跨中段板底縱向裂縫 ”圖,要么是鋼筋混凝土板底橫向鋼筋配置不足,要么是混凝土保護層太薄,預應力筋周圍混凝土局部應力過大,或是混凝土中的添加劑等原因使鋼筋生銹,導致沿鋼筋產生裂縫;

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(4)跨中下撓,要么是施加的預應力不足,要么是跨中鋼筋混凝土板底豎向裂縫過多過寬導致剛度降低,撓度增大。

上述病害可選的加固方法有:

(1)對板底裂縫,當縫寬超過規范要求時,可采用粘貼鋼板或粘貼纖維復合材料法加固;

(2)對墩頂處橋面開裂,可采用在負彎矩區的混凝土鋪裝層內增設受拉普通鋼筋或預應力鋼筋,提高支點截面抗彎能力;

(3)預應力加固法,在板底設轉向托架,按折線形布束張拉,此法對各種因受力產生的病害均有利,如下圖:

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(4)改變結構體系法,如在跨中或跨中附近增設斜支撐,解決跨中下撓過大,或預應力不足,類似于下圖,但應增強支撐截面負彎矩區的受拉鋼筋。 

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4、鋼筋混凝土及預應力混凝土簡支梁橋

鋼筋混凝土及預應力混凝土簡支梁是所有運營中橋梁數量最多的梁橋,其斷面形式常有T形、Ⅰ字形、箱形和各種形式的組合。鋼筋混凝土簡支梁的跨徑一般在10~20米,預應力混凝土簡支梁跨徑一般在16~50米,少量有更大的。施工方式大多采用預制裝配,少量采用現澆施工。由于呈肋板形截面,自重輕抗彎能力及跨徑比板橋大,病害種類也要多些。

1)鋼筋混凝土簡支梁橋

常見病害有:

(1)跨中附近梁底由下而上的豎向彎曲裂縫,數量隨跨徑增大而增多,恒載裂縫寬度有可能超過規范限制值,有的還伴有跨中下撓過大;

(2)兩支承端附近腹板上的斜向裂縫系主拉應力過大或腹板抗剪不足等引起的剪切病害,如圖:

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(3)梁腹板上的豎向裂縫,多位于薄腹板的中部,中間寬兩頭細,未向上、向下延伸,多系混凝土養護差、或溫度、或腹板上的水平筋太少等原因所致的收縮裂縫,主要影響結構的耐久性;

(4)橋面上沿翼緣板接縫處的縱向裂縫,較多發生在預制裝配T梁橋翼緣采用鉸接或橫向聯系受損較大的裝配式簡支梁橋。此種病害會造成惡性循環,加重單片梁的其他病害程度;

(5)其他施工原因產生的裂縫,這些裂縫在工程竣工前就能發現。

2)預應力混凝土簡支梁橋

如果是按部分預應力混凝土B類構件設計的簡支梁,鋼筋混凝土簡支梁有的病害它都可能有,只是程度不同而已,不再復述。但也與全預應力混凝土簡支梁有一些共同的病害。對于全預應力及部分預應力混凝土A類構件正常使用條件下不允許出現裂縫,如果出現,不論縫寬大小都應找出原因進行處理或加固。

預應力混凝土簡支梁不同于鋼筋混凝土簡支梁的其他常見病害:

(1)張拉錨具的錨下縱向裂縫,長度一般不超過梁高,主要為錨下局部應力集中產生的劈裂拉力所致;

(2)沿預應力鋼束的縱向裂縫,主要為預應力鋼束保護層過薄,鋼束處局部應力過大產生劈裂或是混凝土保護層碳化后預應力筋生銹所致;

(3)跨中下撓過大超過規范容許值,跨中截面不一定開裂。主要為施加預應力不足或預應力損失過大所致。

上述各種病害可選的加固方法有:

(1)對梁底彎曲裂縫和沿預應力筋的縱向裂縫可采用粘貼鋼板、粘貼纖維復合材料的方法加固,也可采用增大截面法加固,增加鋪裝層厚度,加大截面受壓區面積對提高抗彎強度和剛度有利,但增加高度有限,同時也增加自重,如果增加梁底截面高度,實際上是增加配筋;

(2)對于腹板上的斜裂縫,可在與裂縫反向并近似與水平線成45°,即大致正交于斜裂縫的方向粘貼鋼板或纖維復合材料,對梁高度矮,鋼板或纖維錨固長度不足時,可粘貼成U形箍和加壓條的形式,如圖:

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(3)對于腹板上的收縮裂縫和錨固區的裂縫,視縫寬大小采用環氧膠封閉或灌縫處理;

(4)對橋面縱向裂縫,可結合鋪裝層改造增加厚度和橫向配筋,或者增加或者加大橫隔板;

(5)上述各種因受力引起的病害,均可采用體外預應力加固法,具體的做法有多種,如下圖示意,此法的設計、施工復雜,但效果較好。

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(6)對病害較多,較重的某一單片梁,條件許可時,可割開橫向聯系更換增大剛度后的新梁,同時減少其它梁的荷載分布。多數情況下邊梁病害較重,如圖:

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5、鋼筋混凝土及預應力混凝土連續梁及懸臂梁橋

連續梁橋及懸臂梁橋的截面形式常有T形、I形和箱形,跨徑30米以上的大多采用箱形,并采用變高度的不等跨梁,等高度的鋼筋混凝土連續梁一般跨徑在30米以下,變高度的鋼筋混凝土連續梁或懸臂梁一般跨徑在50米以下,跨經偏大仍采用鋼筋混凝土材料的此類橋梁比較費材料,而且橋面負彎矩區易出現橫向裂縫。等高度的預應力混凝土連續梁一般跨徑在60米以下,而變高度的預應力混凝土懸臂梁跨徑大多100米以下,但100米以上也是常有的,連續梁跨徑大多在200米以下,但200米以上也是常有的。這類橋梁在跨越障礙物或城市立交橋中較多采用,不論跨徑大小均容易出現各種病害。

常見病害有:

1)鋼筋混凝土及預應力混凝土懸臂梁

(1)懸臂梁牛腿端下撓過大,常有墩頂橋面開裂。主要是懸臂部分剛度不夠,尺寸偏小,超重車影響,或者是縱向預應力損失較大,施工質量差等造成;

(2)懸臂梁牛腿處局部裂縫,如下圖,原因主要是配筋不足,高度偏小,溫度影響或者是掛梁與牛腿連接不順,形成跳車,局部沖擊過大等所致;

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(3)如果懸臂梁的錨固孔跨徑過大,在尺寸偏小或配筋不足時,很有可能出現跨中下撓或跨中梁底豎向裂縫;

(4)預應力筋錨固齒板后的斜向裂縫,這是所有預應力箱梁可能出現的病害,如下圖,主要是齒板附近應力集中過大,普通鋼筋配置偏少、預應力束錨固過于集中等引起。

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(5)箱梁頂、底板縱向裂縫,如下圖,主要是頂、底板橫向彎矩過大,無橫向預應力、箱梁橫向彎曲空間效應、板厚偏小,橫向配筋不足,箱梁內外溫差過大產生溫度應力等原因所致;

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(6)箱梁頂、底板梗腋處的縱向裂縫,頂板梗腋處主要是該處有大量預應力縱向鋼束通過,局部應力過大,或者是箱梁的正剪力滯效應考慮不足,或者是偏心荷載下箱梁畸變扭轉引起腹板上下端局部應力過大等所致;

(7)箱梁腹板中部的豎向裂縫,常發生在脫模2~3天內,上下沒有延伸,施加預應力后大多會閉合,這主要與混凝土收縮或箱梁內外溫差或腹板水平筋不足,或混凝土混合料質量有關;

(8)箱梁腹板上的斜裂縫,如下圖,一般發生在墩臺支承點至反彎點間的梁段上,屬剪切裂縫,產生原因比較復雜,主要有縱向或豎向預應力不足,或損失過大,箱梁內外溫差過大,箱梁的抗彎或抗扭剛度不足,偏心荷載下箱梁畸變應力過大,腹板厚度偏小,剪力滯效應影響,非預應力鋼筋配置不足,混凝土混合料及添加劑影響,施工不當,縱向預應力束直線形布置,跨徑布置不合理等原因引起。

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(9)箱梁腹板上的水平裂縫,如下圖,主要由箱梁橫向彎曲空間效應與內外溫差應力使腹板內側或外側產生較大的豎向應力、箱梁橫向剛度不足,畸變應力影響,豎向預應力不足等原因引起。

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(10)懸臂施工時各分段接縫或合攏段接縫出現裂縫,多由于施工接頭處理不好,成為薄弱截面,在縱向彎矩、混凝土收縮或較大溫差應力等作用下開裂,或者由于預制拼裝接縫不密實,橋面開裂后,接縫滲水、鋼筋銹蝕等。

(11)在箱梁較寬時,也容易出現橫隔板或橫梁跨中產生豎向裂縫,如下圖,這主要是橫隔板或橫梁中施加的橫向預應力不足或損失過大,或箱梁抗扭能力差等引起。

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2)鋼筋混凝土及預應力混凝土連續梁

跨中下撓過大,往往伴隨著跨中梁底橫向開裂,墩頂處橋面開裂或腹板斜裂縫,主要原因是抗彎剛度不夠,如梁高偏矮,腹板偏薄,縱向預應力不足或損失過大等原因造成。

其他病害與鋼筋混凝土及預應力混凝土懸臂梁的相同。上述各種病害可選的加固方法有:

(1)對于懸臂梁牛腿端下撓過大,最有效的方法是補加預應力,利用變高度梁的特點,在鋪裝層中布置通長無粘結預應力索,錨固在牛腿上,鋪裝層與箱梁頂板間應通過植入大量錨筋傳遞橋面預應力,如下圖1,單箱多室截面并有足夠箱高時,可在中腹板頂部兩側布置通長體外束,錨固在腹板上,如下圖2,但均要注意對錨固孔的影響。

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(2)對于牛腿處裂縫,常在兩側粘貼塊形鋼板或鋼板條,如圖3。如果箱內牛腿處能進人操作,可考慮從外面鉆斜孔后穿預應力筋張拉錨固,如圖4;

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(3)對連續梁跨中和懸臂梁錨固孔跨中下撓過大,最有效的方法是體外預應力加固,利用變高度梁的特點,在箱內腹板兩側布置直線形或折線形體外預應力束加固,如圖1和圖2,對等高度連續梁宜采用折線形布束加固,如圖3。

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(4)對預應力錨固齒板附近的裂縫一般采用灌縫后粘貼薄鋼板或碳纖維等復合材料加固;

(5) 墩頂處橋面橫向裂縫,可采用鑿除鋪裝層混凝土,在頂板面增設縱向普通受拉鋼筋或無粘結預應力筋,預應力鋼束錨固在現澆層中,類似于圖1?;蛟谙鋬雀拱鍍蓚鹊慕孛嬷匦妮S以上設體外預應力索加固,類似于圖2。

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(6)對連續梁跨中梁底橫向裂縫,或分段接頭橫向裂縫,常采用縱向粘貼鋼板或碳纖維等復合材料加固;或采用體外預應力索加固。對于分段拼裝接頭裂縫,若屬于非受力引起,只需灌膠封閉即可;

(7) 對箱梁頂、底板縱向裂縫,常采用橫向粘貼鋼板或其它纖維復合材料或增設橫向聯系等方法加固。如果頂板底面縱向開裂,主要是因頂板橫向跨度過大,又未設橫向預應力所致,可考慮在頂板上面的鋪裝層中增設橫向預應力筋,如下圖,并在鋪裝層與頂板間植入大量錨筋來傳遞橋面預應力;

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(8)對箱梁頂、底板梗腋處的縱向裂縫及腹板豎向裂縫,可采用封閉、灌縫或粘貼纖維復合材料加固;

(9)對腹板上的斜裂縫,可采用在腹板上粘貼鋼板或纖維復合材料,類似于如下圖所示?;蜻m當增加腹板厚度,或在縱向或豎向施加預應力等方法加固;

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(10)對腹板上的水平裂縫,可采用在腹板上粘貼豎向鋼板或纖維復合材料,或增加橫向聯系,如增設橫隔板等,或施加豎向預應力加固;

(11)對箱梁內的橫隔板或橫梁跨中豎向開裂,可在橫隔板兩側補加橫向體外預應力,并穿出箱壁錨固,如下圖?;蛟鲈O橫隔板,增強抗橫向彎曲及扭轉的能力。

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6、預應力混凝土T型剛構橋

T型剛構橋,有帶掛梁或鉸的T型剛構,也有連續剛構。在上世紀70年代末至90年代初,我國修建的大跨梁式橋中,帶掛梁的預應力T型剛構橋是主要的橋型之一,而近十年來代換為預應力連續剛構橋。其主要特點為梁、墩固結在一起,但前者的上部結構類似于懸臂梁橋,后者的上部結構則類似于連續梁橋,只是橋墩要承受較大的縱向彎矩。當然受力上還是有差別,跨徑也增大許多,像雙薄壁墩的連續剛構已達300米左右。預應力T型剛構橋不管是帶掛梁的T型剛構,還是連續剛構,常采用變高度的箱梁,預應力懸臂梁及連續梁橋可能有的病害,它們也同樣可能存在,可選的加固方法也相同。

有所區別的是帶掛梁的T型剛構由于懸臂較長,如果施工或設計質量不好,特別是施工質量差,造成預應力損失大,懸臂抗彎剛度不足等,很容易出現牛腿下撓過大等病害。采用體外預應力索加固時,無粘結鋼鉸線可布置在箱梁頂面的鋪裝層中,錨固在兩端牛腿處,新、舊混凝土間植入大量錨筋來傳遞橋面預應力,如圖:

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當箱梁為單箱多室時,可在中腹板兩側布置通長體外預應力索加固,并穿過墩頂兩道橫隔板的鉆孔,錨固在兩端腹板兩側的錨座上,如圖:


7、鋼筋混凝土板拱、肋拱及箱形拱橋

所謂板拱、肋拱及箱拱主要是按主拱圈截面形式分的,此處主要指上承式拱橋,其組成主要有主拱圈及拱上建筑,拱上建筑包括腹孔(拱式腹孔或梁板式腹孔)、腹孔墩(立柱或橫墻)、橋面板、填料、側墻、橋面系等,視何種腹孔而定??鐝娇尚】纱?,小的10幾米,大的如箱形肋拱可達420米,構造形式繁多,花樣多變,但很多病害現象大致相同。

常見病害有:

(1)主拱圈的拱頂下緣及側面橫向裂縫及拱腳上緣及側面的橫向裂縫,如下圖。這主要是這兩個截面的抗彎強度不足,其具體原因較多,如尺寸偏小,配筋不足,拱軸線不合理、墩臺不均勻沉降或向路堤方向滑動或轉動、超重車影響、整體性差、施工質量差等引起。如果裂縫的上、下緣位置與上述相反,常為墩臺向橋孔方向滑動或轉動;

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(2)主拱圈(板拱圈)或腹拱圈出現縱向裂縫,如下圖。常伴有墩、臺帽或帽梁縱向裂縫,如果裂縫大致居中,可能是墩、臺基礎的上、下游不均勻沉降引起,如果只是邊拱箱接縫處開裂,一般是接縫的連接不好,整體性差,偏載作用下邊拱箱受力變形較大引起;

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(3)主拱圈局部出現混凝土碎裂,脫落等破壞現象,一般出現在壓應力較大的地方,如邊角處、等截面拱圈的拱腳附近等,材料的抗壓強度不夠,引起劈裂或壓碎,或者是內部鋼筋生銹膨脹所致;

(4)主拱圈拱腳處的徑向裂縫,主要是材料抗剪強度不足引起;

(5)雙曲拱橋的拱波頂出現縱向裂縫或拱肋與拱波連接處環向開裂,多為各肋間橫向聯系弱,整體性差,橫截面的組合不合理,墩臺橫向不均勻沉降等所致;

(6)拱上排架、梁、柱開裂,特別是短柱兩端開裂壓碎,靠墩、臺或實腹段的腹拱圈的拱腳、拱頂開裂經側墻到橋面,側墻與拱圈連接處脫離及側墻的其它裂縫,如下圖。主要原因為短柱及腹拱圈未設鉸,相應位置的側墻及橋面未設變形縫,在主拱圈變形或墩臺位移作用下拉裂;

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(7)橋面縱向裂縫,常伴有橫向聯系豎向開裂,特別是跨中橫向聯系開裂嚴重,說明橋梁的橫向整體性差,荷載橫向分布不好;

(8)主拱圈采用分段預制拼裝時,接縫處也可能出現裂縫;

(9)拱肋采用鋼管混凝土時,鋼管表面可能會出現收縮狀褶皺,或管內有空洞、離析,常為鋼管厚度不足,套箍作用部分散失,以及鋼管格構布置不合理,管壁加勁肋不足等引起。

上述常見病害可選的加固方法有:

(1)因主拱圈為偏心受壓構件,如果出現拱頂、拱腳橫向開裂或局部壓碎,最好采用從拱腹面或拱背面增大截面的方法加固,如鑿毛原混凝土表面、植筋和布筋后澆筑混凝土或噴射混凝土,特別是拱腳處裂縫,需要在墩臺帽中植入鋼筋,再增大拱腳段截面,如下圖:

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其次可采用粘貼鋼板或纖維復合材料,但應注意拱腹粘貼材料過長,受彎后產生徑向撕裂作用的問題。在中、小跨徑拱橋中還可考慮體外預應力加固,但應考慮對其它部位的影響。還可采用減輕拱上建筑自重,如更換填料、或挖除填料及側墻改拱式腹孔為全空腹式梁板腹孔來減輕主拱圈負擔,如下圖,但主拱軸線形有所變化,應注意驗算。如果是墩臺位移引起的病害,且還在繼續發展,則應先加固墩臺,消除病因。

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(2)對主拱圈或腹拱圈出現的縱向裂縫,墩、臺帽縱向裂縫及墩、臺身豎向裂縫,如裂縫繼續發展,則須先加固基礎及其它下部結構,拱圈裂縫應視縫寬大小,采用灌漿封閉,增大截面,橫向粘貼鋼板或纖維復合材料?;蛟鲈O多道鋼箍,并盡量做成封閉箍,或通過鋼拉桿,施加橫向預應力等方法加固,如下圖。

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(3)對雙曲拱橋拱波頂或拱肋與拱波連接處的縱向裂縫,應加強或增設橫向聯系,增大拱肋或拱板截面或者增加拱肋數量,減輕拱上建筑自重,如更換腹拱和實腹段的填料,改橫墻式腹孔墩為立柱式腹孔墩,改拱式腹孔為梁板式腹孔等,如下圖。如果是墩、臺橫向不均勻沉降引起的開裂,則應先加固地基。

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(4)對拱上矮立柱上下端裂縫,最好改成縮頸鉸,讓它能適當轉動,如下圖。對于靠近墩臺及實腹段的腹拱圈拱腳或拱頂裂縫,如果裂縫較寬至斷裂或兩側有明顯高差,則要考慮折除重建為三鉸或兩鉸腹孔,否則可暫不管它,但相應位置處側墻及橋面的變形縫要設置好,不然會漏水;

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(5)對橋面縱向開裂及橫向聯系豎向裂縫,應加強結構的橫向整體性,如加大或增加橫梁,結合翻新橋面,適當加厚混凝土鋪裝層厚度、提高標號、增強橋面橫向配筋,有填料的拱橋,將填料挖除并改為現澆混凝土等方法加固;

(6)對主拱圈接頭不好產生的裂縫可采用灌縫、植筋連接或補焊連接等方式加強;

(7)對鋼管混凝土鋼管表層的折皺,最好采用外包一層鋼筋混凝土增大截面,或加密格構間的綴體板,或增加管壁加勁肋。對管內空隙則要鉆孔注入環氧膠漿或水泥漿充滿; 

 (8)對拱頂下撓過多,底面橫向開裂的拱橋,可采用體外預應力索在拱圈彈性中心以下部位的拱背上設錨座張拉,使拱頂產生負彎矩及反拱度,如下圖,但拱腳處也同時產生負彎矩,應加大拱腳段截面來處理,體外索的具體位置及張拉力大小應根據拱圈內力(主要是彎矩) 的變化反復試算后確定;

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(9)對肋拱、雙曲拱等因拱腳水平位移及下沉造成主拱圈變形過大及開裂,拱軸線與壓力線嚴重偏離,采用其它補強措施難于奏效時,可采用拱腳頂推復原調整拱軸線的方法改善拱圈受力,但此法技術復雜,風險大,成本也不低,較少采用。

(10)以上各種加固方法中,若對拱上建筑進行改造或對主拱圈增大截面時,在卸載和加載過程中應注意單孔和多孔間的均衡對稱性,保證拱圈及墩臺的穩定。

8、中、下承式拱橋

中、下承式拱橋為肋橋拱,拱肋常為鋼筋混凝土矩形,Ⅰ形或箱形(后者較多)。也常用鋼管或鋼管混凝土,或他們的組合體。從受力體系來講有普通拱(即有推力拱)和系桿拱(即無推力拱),與上承式拱橋的主要構件區別有吊桿、吊桿橫梁(有的還有縱梁)、系桿。吊桿有剛性吊桿和柔性吊桿,后者用得較多。

系桿也有剛性與柔性之分,中承式(飛燕式)系桿拱常用柔性的高強鋼絲作為系桿,下承式系桿拱有柔性系桿剛性拱,剛性系桿剛性拱和剛性系桿柔性拱之分,前兩者較普通。除了有類似于上承式拱橋的病害外,還可能有如下病害:

(1)吊桿錨頭松脫、銹蝕或鋼絲銹蝕、剪斷,重點在橋面下的錨頭及短吊桿的兩端錨頭容易出現;

(2)吊桿橫梁作為簡支梁或雙懸臂簡支梁,常用鋼筋混凝土或預應力混凝土,可能跨中梁底會有豎向彎曲裂縫,靠吊點兩側的腹板上出現斜裂縫,此外吊點處的橫梁頂面可能出現縱向裂縫,如下圖。吊桿橫梁間有縱梁的梁格系橋面,縱、橫梁的節點附近以及拱肋與剛性系桿的節點附近也可能會出現開裂現象;

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(3)系桿錨頭的松動、銹蝕,或鋼絲銹蝕、斷絲。剛性系桿因要承受軸力及局部彎矩,類似于彈性支承的連續梁,也具有受彎構件常見的病害。

上述病害可選的加固方法有:

(1)對于吊桿或系桿的錨頭松動或個別滑絲的,條件許可時,應重新收緊錨頭張拉松弛的系桿或吊桿來調整內力或標高,柔性吊桿大多采用墩頭錨,可通過增加鋼墊塊的方法收緊,系桿若采用夾片錨則應補拉重錨。對嚴重銹蝕、斷絲或無條件張拉收緊的吊桿或系桿,應通過預留孔道換索,沒有預留孔道的,則應采取其它措施將所換吊桿或系桿臨時卸載后再換索。

(2)對于吊桿橫梁、縱梁或剛性系桿出現的各種裂縫可像本章前幾節的鋼筋混凝土或預應力混凝土簡支梁、連續梁和懸臂梁那樣進行加固,如體外預應力法、粘貼鋼板或纖維復合材料法等。

(3)對縱、橫梁節點及拱腳節點裂縫,簡便的方法是粘貼塊狀鋼板或纖維復合材料, 如下圖。

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9、鋼筋混凝土剛架拱橋

正常情況下,大跨度剛架拱最常見的病害是弦桿和剛節點處的裂縫,只要有病害的剛架拱橋,大多有這類裂縫,但對鋼筋混凝土構件來說,只要裂縫寬度不超過容許值,也屬正常使用。雖然目前有較多的業主反對再新建剛架拱橋,但通過對其病害原因的分析,應該正確地看待其承載能力及使用性能的問題。

剛架拱橋常見病害及可選的加固方法

剛架拱橋主要由外弦桿、內弦桿、實腹段、拱腿(主拱腿)、斜撐(次拱腿)、橫向聯系、橋面板及橋面鋪裝層組成,如下圖。以下將對各構件病害現象、病害原因及目前采用的加固方法逐一論述。

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(1)  橋面板:剛架拱橋的橋面板常用少筋肋腋板或微彎板兩種,極少數采用矩形實心板或空心板,前兩種就是在矩形板的基礎上優化出來的。鋼筋和混凝土用量較少,重量輕,特別是肋腋板做到了挖空心思,代價是施工復雜。少筋肋腋板和微彎板不僅配筋少,厚度尺寸也偏小,在短期設計荷載下肯定沒有問題,長期超載較多的情況下,實橋病害表明:肋腋板底出現方向不太規則的裂縫,嚴重的已露筋、漏水。如果是微彎板則微彎板的加勁肋中部底面均有多條向上延伸的豎向裂縫,其中有的裂縫可延伸至板頂,造成板頂縱向開裂。

對上述病害可選的加固方法有:

對底面開裂的肋腋板,可采用粘貼雙向編織的纖維布或粘貼鋼板,纖維的強度不必太高。

對加勁肋開裂的微彎板,采用垂直裂縫的單向碳纖維片形成U字型,粘貼于肋底比貼鋼板方便,微彎板頂的縱向裂縫視寬度大小,采用灌縫和封閉處理。

結合橋面改造,增加現澆層的厚度及強度、加強現澆層內的配筋,以改善橋面板的受力狀況。

(2)   內、外弦桿及實腹段:弦桿及實腹段常采用矩形、工字形、箱型截面,外弦桿為受彎構件,內弦桿及實腹段為壓彎(偏心受壓)構件。一般拱片產生的裂縫,常出現在外弦桿上,其次是內弦桿和實腹段。外弦桿豎向裂縫和大、小節點兩側的斜裂縫是常見的,只是程度不同而已,當然如果裂縫寬度在容許范圍內,也符合設計要求,或者還不到必須加固的地步。但對病害嚴重的剛架拱橋,外弦桿和實腹段跨中底部受拉區、內弦桿的裂縫較多、較寬,有的橫向己貫通,豎向也裂至頂部,特別是節點兩側的斜裂縫較寬,有的己貫穿。

對上述病害可選的加固方法有:

①  對剛架拱外弦桿受彎構件的加固,如果弦桿不屬于超筋梁,可采用在底面受拉區粘貼U型纖維片或粘貼鋼板或增大截面高度和配筋,如果弦桿屬于超筋梁,最好采用增大截面高度和配筋的方法,或在底面受拉區粘貼U型纖維片或粘貼鋼板的同時,增加橋面現澆層厚度。

②  內弦桿為偏心受壓構件,可采用與外弦桿相同的方法加固。

③  大、小節點兩側的斜裂縫,可在裂縫面粘貼鋼板或纖維片加固,以承受主拉應力。增大弦桿截面高度,也能減小主拉應力。

④  對跨中實腹段的微弧形底面,可采用粘貼U型碳纖維片,以承受彎曲拉應力及徑向撕拉力,或采用增大截面高度和配筋的方法。

⑤  對弦桿及實腹段其它部位的裂縫,可采用灌縫和封閉裂縫。

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(3)  橫向聯系:剛架拱橋的橫向聯系,在弦桿及實腹段約3米有一道,節點處得到加強,在拱腿及斜撐上,根據跨徑大小,也有一至多道,一般情況下都比較完好。但整體性受損的剛架拱就大不一樣,實腹段及弦桿段的橫隔板中部大多有上下貫通的豎向裂縫,挖空的橫隔板比實心橫隔板嚴重,特別是實腹段橫隔板裂縫較多較寬,個別的幾乎斷裂成只有鋼筋相連,拱腿及斜撐上的橫向聯系一般基本完好。而采用重力式墩臺的剛架拱橋,橫向聯系很少有病害,說明剛度低的輕型拱橋不宜采用柔性墩。

對上述病害可選的加固方法有:

①  中斷交通施工時,橫隔板可采用混凝土加固,即在原橫隔板的基礎上,通過植筋加厚加高橫隔板。

不能中斷交通施工時,橫隔板只有采用施工快速、簡便的鋼結構加固,如下圖。在原混凝土橫隔板的四個角,采用粘貼和螺栓固定四根角鋼,再用兩片鋼桁架夾住原混凝土橫隔板,施工時作好所有橫隔板加固準備工作,并點焊固定位置后,臨時中斷交通,將各鋼構件焊接完成后,再恢復交通。

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(4)  主拱腿及斜撐:主拱腿和斜撐為小偏心受壓構件,在恒載及車輛作用下,一般不產生拉應力,其內主要按構造配筋。但有的斜撐底部附近有較多由頂面而下的環形裂縫,有的開裂至截面高度一半左右。采用有限元計算分析可知,使用荷載下,構件不產生拉應力,但在墩、臺不均勻沉降時,斜撐底部的負彎矩就非常敏感,較小的不均勻下沉,在此處將產生較大的拉應力。實橋觀察也說明斜撐底部有裂縫出現,極可能是墩、臺有不均勻沉降。此外,溫度下降時也容易產生斜撐底部的負彎矩。

對上述病害可選的加固方法有:

對于斜撐根部的裂縫,可采用環形包裹粘貼纖維布,也可采用頂面粘貼鋼板或碳纖維條。也可考慮增大截面加固。

(5)  橋面鋪裝層:橋面現澆層對采用預制拼裝施工的橋面板來說,尤為重要,以其它類型橋梁相比,剛架拱橋的混凝土鋪裝層是組合斷面的一部分,直接參與受力,更重要的是拱片大、小節點負彎矩區的受拉鋼筋都布置于現澆鋪裝層中。如果該位置所承受的拉應力過大,將會導致橋面橫向貫通開裂,若橋梁整體性較差,還會引起橋面的拱片位置處縱向貫通開裂,這兩類裂縫均屬結構受力性裂縫,必須盡快進行加固。其他坑槽、網裂之類均屬鋪裝層本身局部病害。

對上述病害可選的加固方法有:

①  鑿除橋面鋪裝,重新澆筑鋪裝層混凝土,按新規范要求提高混凝土標號,加強橋面鋼筋網的配筋。并特別注意鋼筋網必須架起來。新澆鋪裝層的厚度,根據需要決定是否加厚。

②  進一步加強負彎矩區的縱向鋼筋配置。

10鋼混及預應力混凝土桁架組合拱橋

中等跨徑以下的桁架拱一般采用鋼筋混凝土,中等跨徑以上的桁架拱或桁式組合拱橋一般采用預應力混凝土,它們均為組合體系拱,常采用預制拼裝施工。上弦桿及跨中實腹段除承受軸力外,還承受較大彎矩,下弦桿為偏心受壓構件,腹桿有斜桿和豎桿,一般采用斜拉桿式腹桿,即斜桿為偏心受拉,豎桿為偏心受壓構件。因此跨徑大時,需在上弦桿、斜桿及實腹段中施加預應力。

常見病害有:

(1) 上弦桿及實腹段跨中附近底面及側面橫向開裂,或下撓過大,表明桿件的有效預加應力不足,或截面高度偏小,普通鋼筋配置不足;

(2)斜桿開裂,說明拉力過大,預加應力不足。

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(3)下弦桿及豎桿沿桿長方向出現多條裂縫或局部壓碎,主要是桿件截面尺寸偏小。如果出現垂直于桿長方向的裂縫,說明桿件的長細比過大或桁架片變形較大引起較大偏心彎矩所致;

(4)各桿件節點附近開裂,由于各桿件軸線一般不會相交于一點,且受其他附加應力影響使節點局部應力過大引起開裂,如圖:

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(5)橫向聯系(如橫隔板、橫系梁、剪刀撐等)中部出現豎向裂縫或其它裂縫,主要是桁片橫向整體性差,橫向聯系剛度不足、尺寸偏??;

(6) 由于桁架拱采用預制拼裝施工,接頭較多,干接頭可能因焊接質量或疲勞問題松脫,濕接頭也可能因接頭強度不足引起開裂;

(7)桁架拱橋的橋面板一般用鋼筋混凝土微彎板,鋼筋混凝土或預應力混凝土矩形空心板或實心板。桁式組合拱橋的橋面板常用鋼筋混凝土單向板或雙向板。其病害與上節剛架拱橋類似。

上述病害可選的加固方法有:

(1)對上弦桿、斜桿及實腹段裂縫,如果不太嚴重可采用粘貼鋼板或纖維復合材料方法加固,否則可采用體外預應力加固,或結合增大截面,張拉體外預應力索后用鋼筋混凝土包裹;

(2)對下弦桿及豎桿的裂縫,最好采用增大截面法加固,如果裂縫不太嚴重,可采用加鋼板箍或包裹纖維復合材料加固;

(3)對節點裂縫,可采用粘貼塊狀鋼板或纖維復合材料加固;

(4)對橫向聯系裂縫,最好采用加大橫向聯系截面尺寸,或增設橫向聯系,或施加橫向預應力加固。如果開裂程度較輕,可采用局部粘貼鋼板或纖維復合材料加固;

(5)對各種施工接頭的裂縫,可采用補焊、灌縫、植入錨筋、粘貼鋼板等方法加強。

11 圬工拱橋

圬工拱橋主要指用石材、混凝土預制塊砌筑的實腹式或空腹式拱橋。

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常見病害有:

(1)拱圈出現大面積的嚴重風化剝落、灰縫脫空。原因是砌體和砂漿的材質差,或者受到腐蝕性強的水和氣體的浸蝕;

(2) 主拱圈拱頂下緣出現1~2條橫向貫通的裂縫,如果裂縫兩側有明顯高差,說明墩臺有不均勻下沉,若無明顯高差,但拱頂有少量下沉,則可能墩臺向橋孔外滑動或轉動,或由于拱圈承載力已不足引起,若拱頂上拱且下緣出現橫向壓碎裂紋,則可能墩臺向橋孔內滑動或轉動;

(3)拱圈的個別拱石出現裂縫,灰縫脫落,壓碎或外凸;

(4)拱圈分層砌筑時,沿砌縫出現環向裂縫,這主要與施工時的砌筑工序,支架變形、砌縫處理及砂漿強度有關;

(5)砌體表層沿砌縫無規則的開裂,主要是砂漿標號低或砂漿不飽滿;

(6) 拱上側墻外傾或伴有斜向沿豎向砌縫成鋸齒狀的裂縫,特別是實腹式拱橋的側墻,主要是拱上填料在車輛作用下產生較大土側壓力所致;

(7)拱上側墻沿拱圈的拱背開裂或脫離,主要是墩臺下沉,溫度變化或車輛作用時主拱圈與拱上建筑變形不協調,或砌縫未處理好引起。

 其它一些病害與鋼筋混凝土上承式拱橋類似。

上述病害可選的加固方法有:

(1)對砌體表層風化剝落、灰縫脫空,可先鑿除松動的剝蝕層,露出新鮮面,用高標號水泥砂漿填塞灰縫,視厚度分層涂抹或噴涂水泥砂漿修補,砂漿中可添加一些化學纖維以增強抗裂性;

(2)對由于墩臺不均勻下沉引起的拱頂橫向裂縫,如果下沉還未穩定,應先加固墩臺基礎,再對裂縫注水泥漿后,在拱腹下植筋,掛鋼筋網澆筑或噴射混凝土內襯,增大拱圈截面加固。如果沉降基本終止,就只需加固拱圈,開裂不嚴重時,也可只灌漿封閉。對由于墩臺滑動或轉動引起的拱頂裂縫,如果墩臺位移尚未停止,應先加固墩臺,再對裂縫注漿封閉后,可從拱腹或拱背澆筑鋼筋混凝土,增大截面加固。對由于承載能力不足引起的拱頂橫向裂縫及下沉,除可采用拱背或拱腹增大截面外,還可同時采用減輕拱上建筑自重來減少恒載,如實腹拱改空腹拱,如下圖1

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將原填料更換為輕質填料,改拱式腹孔為梁板式腹孔或全空腹式拱上建筑。對小跨徑拱橋還可在拱頂上澆筑一鋼筋混凝土簡支板或墊板,如下圖2,將原橋改為拱梁組合體系,以減輕主拱圈活載,提高承載力。以上加固中若墩臺負擔增加較多,應考慮墩臺及基礎的承載力及穩定是否滿足加固需要。

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(3)拱圈個別拱石出現的病害,可鑿除壓碎部分,視裂縫寬度大小,用環氧膠、高標號水泥砂漿或環氧砂漿,灌縫或填縫,再用水泥砂漿或小石子混凝土修補。拱石嚴重碎裂的,要全部鑿除用混凝土填補; 

(4)主拱圈沿砌縫環向開裂時,采用鋼板或鑄件做成的楔形剪力鍵或抓釘豎向嵌入拱圈兩側,開裂范圍大且嚴重時在拱圈上徑向鉆孔穿入長錨栓,適當加壓后錨固,其間距布置視環向開裂程度而定,原裂縫用水泥漿灌縫封閉,圖3;

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(5)砌體表層砌縫開裂,可采用水泥砂漿灌縫封閉或勾縫;

(6)拱上側墻外傾,視外傾程度,采用挖出墻內填料更換成砂礫石、漿砌片石等較少側壓力的材料,對空腹式拱橋的腹拱側墻及實腹段側墻外傾,由于填料較少,可更換成低標號混凝土。對實腹式拱橋也可采用加厚側墻尺寸,或者在兩側墻鉆孔設多根鋼拉桿對錨,如下圖4。還可改變拱上建筑形式不要側墻,如實腹式改空腹式等,如上圖1;

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(7)拱上側墻沿拱背開裂或脫離,如果是基礎下沉引起并未終止的,應先加固基礎,再用高標號水泥漿或砂漿灌縫封閉。并檢查兩拱腳上方側墻上至橋面的伸縮縫是否完好,否則可能引起拱上建筑與主拱圈變形不協調。其它病害的加固方法與鋼筋混凝土上承式拱橋類似。


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