雙曲拱橋橋臺(tái)受力裂縫成因分析及加固建議

李　晟

(岳陽(yáng)市交通質(zhì)量和安全監(jiān)督管理局，湖南 岳陽(yáng)　414000)

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雙曲拱橋橋臺(tái)受力裂縫成因分析及加固建議

李晟

(岳陽(yáng)市交通質(zhì)量和安全監(jiān)督管理局，湖南 岳陽(yáng)414000)

雙曲拱橋具有截面挖空率高，用材省，便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在特定的歷史時(shí)期成為了我國(guó)一種主要橋梁結(jié)構(gòu)形式，但由于其整體性和耐久性差，運(yùn)營(yíng)后雙曲拱橋均出現(xiàn)了不同程度的病害。以某運(yùn)營(yíng)期間兩側(cè)橋臺(tái)出現(xiàn)了受力裂縫的5孔連續(xù)雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元軟件ANSYS建立空間模型對(duì)該橋橋臺(tái)腹拱圈橋臺(tái)受力性能進(jìn)行計(jì)算，分析腹拱圈橋臺(tái)裂縫出現(xiàn)的成因，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及有限元分析結(jié)果提出加固設(shè)計(jì)建議，建議采用外包混凝土及張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的方式對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行加固。計(jì)算分析及加固方法可為雙曲拱橋的同類病害提供參考。

；雙曲拱橋；裂縫；有限元；成因分析；加固方法

0　引言

雙曲拱橋是1964年江蘇省創(chuàng)造的一種新型拱橋。它的主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系構(gòu)件幾個(gè)部分組成[1，2]。雙曲拱橋具有截面挖空率高，用材省，便于施工等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在整體性與耐久性差的問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共修建了雙曲拱橋4 000余座。占同期(上世紀(jì)60年代中期至80年代中期)全國(guó)橋梁總數(shù)的1/4。目前雙曲拱橋的使用年限一般為30 a左右，不同程度地出現(xiàn)了各種病害[3，4]，該橋型已基本淘汰。

雙曲拱橋出現(xiàn)的主要病害包括：主拱肋受力開裂，露筋，拱波和拱肋間砌縫滲水，拱波頂部出現(xiàn)裂縫，橫系梁破損，橋臺(tái)出現(xiàn)裂縫等。文獻(xiàn)[1，5～7]對(duì)雙曲拱橋的病害及相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行了研究和總結(jié)。橋臺(tái)提供的水平推力極大地影響拱橋的承載能力和穩(wěn)定性，因此橋臺(tái)位置出現(xiàn)受力裂縫需引起足夠的重視。

本文以某運(yùn)營(yíng)期間兩側(cè)橋臺(tái)出現(xiàn)了受力裂縫的5孔連續(xù)雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎糜邢拊浖嗀NSYS建立空間模型對(duì)該橋橋臺(tái)腹拱圈橋臺(tái)受力性能進(jìn)行計(jì)算，分析腹拱圈橋臺(tái)裂縫出現(xiàn)的成因，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及有限元分析結(jié)果提出加固設(shè)計(jì)建議。

1　工程背景

研究的工程背景為某5孔連續(xù)雙曲拱橋，始建于1973年。橋梁全長(zhǎng)196.52 m，單孔凈跨徑33.24 m，凈矢高5.54 m，矢跨比1/6，設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)2.814，主拱肋截面尺寸：0.44 m×0.648 m，橋面寬度9.3 m，其中行車道寬度6.0 m，兩側(cè)人行道寬度1.65 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為5孔連續(xù)混凝土雙曲拱，下部結(jié)構(gòu)為圬工重力式橋臺(tái)，原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-13、拖-60，屬于Ⅲ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁。經(jīng)過(guò)20多年的運(yùn)營(yíng)，該橋出現(xiàn)了較多的病害，于1994年依據(jù)85版橋梁規(guī)范按汽-20、掛-100進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算和加固補(bǔ)強(qiáng)。2008年依據(jù)04版規(guī)范按公路Ⅱ級(jí)汽車荷載進(jìn)行了維修加固設(shè)計(jì)，將橋面拓寬為10.0 m，在東、西兩頭架設(shè)了14.2 m跨徑連續(xù)板引橋。該橋現(xiàn)狀見圖1。

圖1　橋梁立面圖

2　橋臺(tái)現(xiàn)狀

該橋兩側(cè)臺(tái)為重力式，其構(gòu)造形式及尺寸如圖2所示，圖中虛線為原圬工砌石橋臺(tái)，2007年對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行加固處理，外包混凝土的厚度為20 cm，為便于引橋支座的布置將原梯形橋臺(tái)加固成矩形橋臺(tái)，加固后的順向?qū)挾葹?.9 m，橫橋向?qū)挾葹?.4 m，腹拱圈橋臺(tái)的總高度為4.7 m。

圖2　橋臺(tái)構(gòu)造尺寸圖(單位；cm)

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：該橋0#橋臺(tái)腹拱圈橋臺(tái)南北兩側(cè)表面均出現(xiàn)斜裂縫，其中：南側(cè)裂縫長(zhǎng)度4.0 m，其起始于拱肋與橋臺(tái)連接處，且裂縫豎向高度為3.23 m，其寬度在0.1～0.36 mm之間，與水平面的夾角約為50°；北側(cè)裂縫長(zhǎng)度4.5 m，其起始于拱肋與橋臺(tái)連接處，寬度在0.1～0.2 mm之間，與水平面的夾角約為50°；5#橋臺(tái)腹拱圈橋臺(tái)南北兩側(cè)表面均出現(xiàn)水平裂縫，南側(cè)裂縫起始于距橋臺(tái)頂面4.05 m距橋臺(tái)東側(cè)0.65 m處，裂縫長(zhǎng)度2.1 m，最大裂縫寬度0.2 mm，北側(cè)裂縫起始于距橋臺(tái)頂面4.03 m距橋臺(tái)東側(cè)0.65 m處，裂縫長(zhǎng)度為2.1 m，最大裂縫寬度為0.25 mm，裂縫詳細(xì)位置如圖3所示。

圖3　橋臺(tái)裂縫(單位；mm)

3　成因分析

3.1有限元模型

為研究該橋橋臺(tái)位置出現(xiàn)受力裂縫的原因，通過(guò)ANSYS建立空間實(shí)體模型對(duì)0#、5#橋臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬精細(xì)化分析，有限元計(jì)算模型如圖4所示。通過(guò)solid65模擬橋臺(tái)砌石及混凝土單元，通過(guò)link8考慮加固混凝土中的鋼筋[8-10]。數(shù)值分析模型中，加固前橋臺(tái)的材料為圬工砌石彈性模量取6.0 GPa，泊松比取0.2；第1次加固時(shí)混凝土按C30考慮，彈性模量取30.0 GPa，泊松比取0.2。

圖4　有限元分析模型

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，數(shù)值模擬單元的邊界按如下方式處理；①主拱圈橋臺(tái)底部固結(jié)；②通過(guò)彈性支撐考慮主拱圈及腹拱圈橋臺(tái)的土壓力的作用，水平土壓力的約束高度為1.5 m，如圖5所示。出現(xiàn)水平裂縫的5#橋臺(tái)與出現(xiàn)斜裂縫的0#橋臺(tái)邊界條件基本一致，僅有的區(qū)別在于由于5#橋臺(tái)內(nèi)側(cè)人行道暫未修建，5#橋臺(tái)未受到沿江人行通道土壓力水平約束。

圖5　有限元模型邊界及加載示意

3.2分析結(jié)果

3.2.1出現(xiàn)斜裂縫的0#橋臺(tái)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，0#橋臺(tái)裂縫為斜裂縫，與水平面呈現(xiàn)45°角，而且為受力貫穿裂縫，可能原因是0#橋臺(tái)受到土壓力的水平約束，在腹拱圈軸向力、剪力、彎矩及邊跨簡(jiǎn)支板豎向反力的共同作用下，導(dǎo)致橋臺(tái)剪應(yīng)力過(guò)大，呈現(xiàn)剪切斜裂縫。裂縫成因示意圖如圖6所示。

圖6　0#橋臺(tái)裂縫成因示意圖

最不利荷載組合下，ANSYS數(shù)值分析模型得到的該橋臺(tái)的應(yīng)力云圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，最大主拉應(yīng)力為2.0 MPa，最大剪應(yīng)力為2.1 MPa。應(yīng)力較大的位置與圖3a、圖3b中斜裂縫位置吻合良好。

a) 主拉應(yīng)力 b) 剪應(yīng)力

3.2.2出現(xiàn)水平裂縫的5#橋臺(tái)

5#橋臺(tái)裂縫為水平裂縫，導(dǎo)致其出現(xiàn)水平裂縫的主要原因是橋臺(tái)位置橋面伸縮縫嚴(yán)重堵塞，使得新增引橋在溫升或土壓力作用下產(chǎn)生的水平推力無(wú)法釋放，如圖8所示，過(guò)大的水平推力P3使得橋臺(tái)出現(xiàn)水平受力裂縫。

圖8　5#橋臺(tái)裂縫成因示意圖

有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)5#橋臺(tái)頂部P3與P2的差值達(dá)到3 000 kN時(shí)，橋臺(tái)將出現(xiàn)水平裂縫，此時(shí)，應(yīng)力云圖如9所示，主拉應(yīng)力達(dá)到了2.1 MPa，超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖9　5#橋臺(tái)豎向應(yīng)力云圖

4　橋臺(tái)維修加固方案

由于該橋橋臺(tái)位置所出現(xiàn)的裂縫為受力裂縫，加固處理方案如下：

1) 及時(shí)清除0#橋臺(tái)及5#橋臺(tái)未知伸縮縫內(nèi)雜物，使伸縮縫保持正常工作。

2) 清除原橋臺(tái)表面的涂裝，再通過(guò)“鑿槽嵌補(bǔ)法”及“表面封閉法”對(duì)既有裂縫進(jìn)行封閉處理。

3) 對(duì)于0#橋臺(tái)出現(xiàn)的剪切裂縫，建議采用外包混凝土或張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方式進(jìn)行加固處理，外包混凝土加固示意圖如圖10a、圖10b所示，加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮植筋、豎向鋼筋深入主拱圈橋臺(tái)、鋼筋網(wǎng)與植筋鋼筋可靠連接，外包混凝土主要在橋臺(tái)南、北側(cè)，建議加固厚度為每側(cè)30 cm；張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋加固的示意圖如圖10c所示，預(yù)應(yīng)力鋼筋可采用精軋螺紋鋼，預(yù)應(yīng)力鋼筋至少布置2排，每排不宜小于4根，預(yù)應(yīng)力鋼筋加固后，應(yīng)采用混凝土對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道及錨具進(jìn)行封閉。

4) 對(duì)于5#橋臺(tái)位置的水平裂縫建議采用外包混凝土的方式進(jìn)行處理；加固設(shè)計(jì)時(shí)豎向鋼筋深入主拱圈橋臺(tái)。

圖10　橋臺(tái)加固示意圖(單位；cm)

本文所述加固方案已通過(guò)了業(yè)主組織的專家評(píng)審，但該橋加固暫未實(shí)施，作者將及時(shí)跟蹤該項(xiàng)目的進(jìn)展，加固實(shí)施過(guò)程中對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力、變形進(jìn)行測(cè)量。

5　主要結(jié)論

1) 橋臺(tái)出現(xiàn)斜裂縫的主要原因是由于土壓力的約束，導(dǎo)致橋臺(tái)在腹拱圈軸力、剪力以及引橋支座反力的共同作用下呈現(xiàn)剪切破壞。

2) 橋臺(tái)出現(xiàn)水平裂縫的主要原因是由于橋臺(tái)位置伸縮縫堵塞，引橋溫升及土壓力產(chǎn)生的水平荷載大于腹拱圈作用于橋臺(tái)位置水平分力，導(dǎo)致橋臺(tái)出現(xiàn)水平彎曲裂縫。

3) 由于該橋臺(tái)位置裂縫為受力，且寬度較大對(duì)于 0#腹拱圈橋臺(tái)出現(xiàn)的剪切裂縫，建議采用外包混凝土或張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方式進(jìn)行加固處理，加固后應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè) 。

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2016-07-26

李晟(1980-)，男，工程師，主要從事公路工程質(zhì)量監(jiān)督管理及工程技術(shù)研究。

；1008-844X(2016)03-0130-04

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