既有雙曲拱橋的常見病害對整體性影響分析

鄧 璐，譚志成

(湖南省公路設(shè)計有限公司，湖南長沙 410011)

0 引言

在我國，拱橋歷史悠久，使用范圍廣。據(jù)統(tǒng)計:20世紀(jì)80年代前，我國近7成的橋梁為拱橋，約占世界同類拱橋的1/3以上［1，2］。雙曲拱橋是拱橋的重要組成部分，當(dāng)施工設(shè)備和施工技術(shù)不發(fā)達(dá)的時候，雙曲拱橋通過“化整為零”、“集零為整”的施工方式組合對承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，在當(dāng)時非常有競爭力。但因承重結(jié)構(gòu)分期形成，呈現(xiàn)出明顯的組合結(jié)構(gòu)的受力特征，整體性較弱，在地震荷載作用下容易破壞［3－5］。

1 雙曲拱橋的主要病害及成因

20世紀(jì)60、70年代建造的大量雙曲拱橋，部分橋梁目前仍在使用，但部分橋梁在使用過程中出現(xiàn)了一些病害。病害的主要原因在于以下兩點(diǎn):

1)設(shè)計原因。30多年前修建的這些雙曲拱橋大部分沒有滿足交通部2003年頒發(fā)的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ B01－2003)的設(shè)計要求，大量橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，汽車荷載等級偏低，一般按照汽－13標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。在交通量日益增長的今天，大量舊橋的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性不能滿足要求。

2)施工及養(yǎng)護(hù)原因。由于雙曲拱橋“化整為零”、“集零為整”的特點(diǎn)，加上施工過程中的拱軸線的偏差、拼接的誤差導(dǎo)致部分橋梁整體性偏弱。另外，運(yùn)營過程中，由于材料老化、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、超載限制不當(dāng)導(dǎo)致雙曲拱橋出現(xiàn)大量病害。目前暴露的大量病害主要還包括［3－5］:

①拱波縱向開裂。

主要原因是:在車輛荷載作用下，由于施工吊裝等產(chǎn)生的初裂縫將進(jìn)一步擴(kuò)張;另外，由于雙曲拱橋拱圈橫向聯(lián)系差或者未設(shè)置橫向聯(lián)系導(dǎo)致雙曲拱橋的腹拱圈波頂出現(xiàn)大量縱向裂縫;另外，橋臺沉降、超載、混凝土的收縮徐變也可能產(chǎn)生這種縱向裂縫，典型裂縫形態(tài)如圖1－a所示。

②腹拱開裂。

在運(yùn)營過程中，腹拱圈可能出現(xiàn)橫向裂縫或環(huán)向裂縫，其中以橫向開裂較為普遍，腹拱的橫向裂縫一般為受力裂縫，設(shè)計時一般將腹拱設(shè)計為連拱形式，部分設(shè)置了簡易鉸，其變形協(xié)調(diào)滿足不了三鉸拱或者無鉸拱的要求。腹拱開裂的原因與拱波縱向開裂基本相同。典型裂縫形態(tài)如圖1－b所示。

③主拱肋開裂。

由于雙曲拱橋的主拱肋中的混凝土配筋率較低，主拱肋的承載能力及抗裂能力不高，在基礎(chǔ)沉降或者傾斜等因素的綜合影響下，主拱肋的拱頂及拱腳會產(chǎn)生徑向裂縫。

④橫系梁開裂或脫落。

圖1 雙曲拱橋的主要病害

雙曲拱橋的橫系梁截面尺寸較小，拱肋聯(lián)結(jié)處的抗剪能力也偏小。在外荷載作用下會產(chǎn)生較大的內(nèi)力和變形，進(jìn)而使橫系梁出現(xiàn)開裂、脫離現(xiàn)象。

除了以上幾種典型裂縫之外，雙曲拱橋還會出現(xiàn)產(chǎn)生在拱肋與拱波結(jié)合面上的環(huán)向裂縫，側(cè)墻鼓脹外傾，立柱(橫墻)的上下端開裂等病害。

2 雙曲拱橋的整體性評估

2.1 評估方法

雙曲拱橋由于配筋很少，整體性較差，而且由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、運(yùn)營過程管理不善、維護(hù)不力等各種自然或人為因素，出現(xiàn)了大量病害，嚴(yán)重影響了雙曲拱橋的整體性，導(dǎo)致其通行能力下降。但是，目前的研究［6］還不能確定這些病害對橋梁整體性的影響程度。

荷載作用下雙曲拱橋的的橫向分布規(guī)律與抗彎剛度、抗扭剛度、橫梁或聯(lián)結(jié)系相關(guān)，可以較好的反映主拱、腹拱及橫向聯(lián)系的整體［7］。本文以實(shí)際橋梁為基礎(chǔ)，通過模擬實(shí)際橋梁的常見病害，分析不同病害情況下橋梁的橫向分布情況對其整體性進(jìn)行評估。

2.2 工程概況

本節(jié)以某主跨為72 m雙曲拱橋?yàn)榛A(chǔ)，通過有限元軟件建立空間模型，對雙曲拱橋在病害下(橫系梁開裂、拱波裂縫)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行了研究。

該橋?yàn)殇摻罨炷岭p曲拱橋，兩孔不等跨度，兩孔跨徑分別為65.2 m、72.0 m，主拱圈采用懸鏈線雙曲拱，橋面寬9 m。橫向等間距布置4片混凝土主拱肋，肋間中心距2.1 m，截面為梯形截面;主肋間布置有13根混凝土橫系梁。在主拱圈的兩端分別設(shè)置4個腹拱，凈跨為5 m，在主拱兩端各設(shè)置有4個腹拱，腹拱的凈跨徑為5.0 m，如圖2所示。設(shè)計荷載為:汽－15，掛－80。該橋于1977年建造，現(xiàn)為限載通行。

圖2 某雙曲拱橋整體布置圖(單位:m)

經(jīng)詳細(xì)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該橋基礎(chǔ)未出現(xiàn)明顯位移，工作狀況良好;主拱圈拱肋未發(fā)現(xiàn)明顯的病害;但主拱圈拱波、腹拱圈病害較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了較多的縱、橫向裂縫，而且寬度較大;另外，該橋的主拱間的橫向聯(lián)系出現(xiàn)較多裂縫?；诖?，本文在有限元分析時重點(diǎn)討論橫向聯(lián)系損壞及拱波開裂對整體受力性能的影響。

2.3 有限元模型的建立

采用橋梁博士有限元分析軟件考慮墩的作用分別建立該橋的雙跨模型和單跨模型，不同工況作用下的豎向位移如表1所示，發(fā)現(xiàn)在不同工況下，兩跨模型及單跨模型的豎向位移差別較小，豎向位移比值約為0.97，說明其連供作用較弱。為分析雙曲拱橋的整體性，需建立空間有限元模型，本文采用ansys有限元軟件進(jìn)行建模，忽略連拱效應(yīng)采用單拱模型對其穩(wěn)定性進(jìn)行討論，采用Solid65單元進(jìn)行建模，有限元分析模型如圖3所示。

表1 不同模型拱頂豎向位移對比

圖3 有限元分析模型

2.4 病害模擬方法

依據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，本文主要對病害較重的橫向聯(lián)系損壞及拱波開裂進(jìn)行討論。

2.4.1 橫系梁損壞

通過Ansys中的生死單元來模擬橫系梁的損傷，對于出現(xiàn)開裂或者經(jīng)檢測聯(lián)系較弱(損壞或缺失)的單元就通過利用KILL命令殺死該單元，在整體剛度矩陣忽略該單元的作用。

2.4.2 波頂縱縫

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，波頂縱向裂縫寬度較大時裂縫兩側(cè)將相互脫離，不傳遞剪力。在Ansys中通過取消該處節(jié)點(diǎn)的約束來模擬拱波波頂?shù)牧芽p，這樣模擬后裂縫位置就不能傳遞剪力了。但實(shí)際中即使波頂開裂仍能傳遞部分剪力。因此，模型的分析結(jié)果偏于安全。

2.5 橫系梁損壞對拱橋荷載橫向分布的影響

結(jié)合該橋?qū)嶋H情況，分析時考慮如下工況進(jìn)行討論:對拱頂區(qū)域?qū)嵏苟螀^(qū)域的橫系梁及立柱區(qū)域的空腹段的橫隔梁缺失進(jìn)行討論。各工況如表2所示。

表2 不同工況橫系梁損壞情況描述

以單位荷載作用于拱頂截面，計算拱橋在既有病害下拱頂各肋的橫向分布影響線。橫橋向共設(shè)置9個作用點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 拱肋編號及荷載位置示意圖

橫向分布計算結(jié)果如圖5所示、豎向位移影響線分析結(jié)果如圖6所示，分析這些圖表可知:

1)所有橫向梁均缺失與實(shí)腹段橫系梁缺失的拱頂截面橫向分布影響線比較接近，由圖6可知拱頂截面橫系梁對雙曲拱橋橫向分布影響明顯，而距離拱頂越遠(yuǎn)的橫系梁對其橫向分布影響越弱。以本橋?yàn)槔?，?dāng)實(shí)腹段橫系梁全部缺失后，主拱圈邊肋的最大豎向撓度將增大8.2%，對應(yīng)的中肋撓度將增大7.9%。

2)拱頂橫系梁缺失后，雙曲拱橋中肋所分配荷載增加約10%，而邊肋的變化相對較小。橫系梁的缺失后，靠近荷載的拱肋位移增大。

3)比較圖6及圖5可知:雙曲拱橋拱肋位移變化與橫向分布影響線縱標(biāo)的變化規(guī)律基本一致，變化幅度十分接近。

4)橫系梁缺失后拱頂附近整體性減弱，荷載橫向分布不均勻性增加，當(dāng)荷載作用于截面邊緣時，各肋的橫向分布影響線縱標(biāo)差值達(dá)到最大。

2.6 拱波波頂縱縫對拱橋荷載橫向分布的影響

當(dāng)波頂出現(xiàn)縱縫時，通過取消裂縫處兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的約束方程來實(shí)現(xiàn)。拱頂、拱腳附近分別出現(xiàn)L/5長(約15 m)縱向裂縫時，不同工況下橫向分布計算如圖7所示，依據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn):

圖5 橫系梁缺失后橫向分布影響線

拱波開裂后，橋梁整體性被削弱，荷載橫向分布趨于不均勻。拱頂處出現(xiàn)L/5長(約15 m)的縱縫時，拱頂截面的橫向分布影響線變化較大。單位荷載作用在1#、5#點(diǎn)時，邊肋的影響線變化分別為－9%、21.3%，次邊肋的影響線變化分別為21.5%、－19.8%，但拱腳附近的縱縫，對拱頂截面的橫向分布影響較小。

圖6 橫系梁缺失后豎向位移影響線

圖7 拱波開裂后橫向分布影響線

3 整體性評估

通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，不同病害下雙曲拱橋拱頂位置各肋的橫向分布影響線或者位移影響線可采用雙折線來擬合。雙曲拱橋的整體性可按折線的斜率絕對值的變化值來定性評估?？砂词?1)進(jìn)行分析:

式中，kmax、kmin、k分別為結(jié)合實(shí)際觀察最嚴(yán)重病害狀態(tài)下、按設(shè)計圖紙計算的狀態(tài)下、某待評估狀態(tài)下邊肋(拱肋1)的橫向分布影響線第1段折線(1#～5#荷載作用點(diǎn)間)的斜率絕對值。

按設(shè)計圖紙計算的拱軸線下的結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)下的kmin、依據(jù)實(shí)際檢測最嚴(yán)重病害狀態(tài)下kmax分別為0.33、0.52。其他評估狀態(tài)下(不同的病害情況)的評定系數(shù)如表3所示。

表3 拱橋整體性評定

通過利用公式(1)對該橋不同狀態(tài)進(jìn)行整體性評估后建議:D＞90時可認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體性基本滿足要求;D介于60～90之間時應(yīng)進(jìn)行定期維修觀測橋梁狀態(tài)，并適當(dāng)加固;D＜60時應(yīng)進(jìn)行大修并限制交通。

4 結(jié)論

本文以某72 m雙曲拱橋?yàn)楸尘?，通過現(xiàn)場檢測并結(jié)合有限元分析對雙曲拱橋在病害條件下的整體性能進(jìn)行研究，計算了拱橋在各病害下拱頂截面的荷載橫向分布狀況，結(jié)果表明:

1)橫系梁對雙曲拱橋的橫向整體性影響明顯，拱頂位置實(shí)腹段橫系梁全部缺失后，邊肋的最大撓度會增加8.2%，中肋最大撓度增加7.9%。

2)拱波縱向裂縫對橋梁整體性的影響與裂縫長度相關(guān)，當(dāng)拱頂附近的波頂縱縫的長度不超過跨徑的L/5時，其對整體性影響較小，拱頂縱縫長度超過L/5時對整體性的影響不容忽視。但當(dāng)縱向裂縫寬度較小時，該影響將大大減小。

3)提出了能很好的反映病害對雙曲拱橋整體性評估方法。D＞90時可認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體性基本滿足要求;D介于60～90之間時應(yīng)進(jìn)行定期維修觀測橋梁狀態(tài)，并適當(dāng)加固;D＜60時應(yīng)進(jìn)行大修并限制交通。

［1］侯 擁.既有鋼筋混凝土拱橋檢測與評估［D］.成都:西南交通大學(xué)，2003.

［2］宋海斌.大跨圬工拱橋計算方法和理論初步探討［D］.西安:長安大學(xué)，2003.

［3］交通部科學(xué)研究院，江蘇交通局，湖南省交通局.公路雙曲拱橋上部構(gòu)造設(shè)計計算(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，1983.

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