某上承式鋼筋混凝土拱橋病害分析

顧云佳，張 波

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400015）

0 引 言

拱橋，作為我國(guó)最古老也是最具特色的傳統(tǒng)橋型，憑借其優(yōu)美的曲線和剛勁有力的形態(tài)，加之其散發(fā)的文化氣質(zhì)，歷來受到華夏人民的喜愛。按拱圈截面形式可分為板拱、肋拱、雙曲拱、箱型拱、勁性骨架混凝土拱橋［1］。按橋面系的位置，分為上承式拱橋、中承式拱橋以及下承式拱橋。拱上建筑又可分為拱式拱上建筑以及梁式拱上建筑［2］。

橋梁的造價(jià)昂貴，并且在交通運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用。因此，人們?cè)跇蛄航ㄔO(shè)的過程中，總是采取各種措施，千方百計(jì)確保工程質(zhì)量。但是橋梁和其他建筑物一樣，其“生命周期”亦不外乎以下 3 個(gè)階段：建造、使用和老化。特別是長(zhǎng)期在使用環(huán)境（荷載以及使用頻率的增加、材料與結(jié)構(gòu)的疲勞）和氣候環(huán)境（大氣腐蝕、溫度、濕度變化）工作下的橋梁總會(huì)老化。各類既有拱橋在現(xiàn)有的通行強(qiáng)度下展現(xiàn)出不同程度的病害，如果完全重建這些功能不足的拱橋是現(xiàn)階段我國(guó)國(guó)力不允許的，不經(jīng)濟(jì)也不合理。所以對(duì)各類既有拱橋進(jìn)行病害分析并采用可行的加固方案進(jìn)行處理，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某橋位于某省道，橋梁全長(zhǎng)245 m，跨徑組合2×10 m（引橋）+3×64 m（主橋）。橋面全寬為 8 m，橫向布置為 0.5 m（欄桿）+7 m（行車道）+0.5 m（欄桿）。該橋引橋上部結(jié)構(gòu)為實(shí)腹式圬工拱橋，引橋下部結(jié)構(gòu)為重力式圬工墩臺(tái)；主橋上部結(jié)構(gòu)為空腹式鋼筋混凝土肋拱橋，橫向布置 2 片拱肋，主橋下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土重力式橋墩；橋面為水泥混凝土鋪裝，異型鋼單縫式伸縮縫。該橋主橋拱肋拱頂處底面已粘貼碳纖維布加固，兩側(cè)拱腳已采用套箍混凝土法進(jìn)行增大截面加固（見圖1、圖2）?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)橋面頻繁有重車通過。

圖1 立面照

圖2 正面照

2 該橋檢測(cè)情況

2.1 構(gòu)件編號(hào)

圖3 構(gòu)件編號(hào)圖

該橋檢查以自西向東為前進(jìn)方向，并按該方向?qū)⒁来螌⒍张_(tái)編號(hào)［3］為 0# 橋臺(tái)、1# 墩、2# 墩、3# 墩、4# 墩、5# 橋臺(tái)；主拱圈依次編號(hào)為 1#～2# 拱圈、3-1# 拱肋、3-2# 拱肋、4-1# 拱肋、4-2# 拱肋、5-1# 拱肋、5-2# 拱肋（見圖3、圖4）。

圖4 第 3 孔肋拱橫斷面編號(hào)圖

2.2 該橋主要病害

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，該橋存在以下主要病害。

1）3 -2 #、4-2 #、10-2 #、10-1 # 立柱底座存在 1 條斜向裂縫，長(zhǎng) 60 cm，寬 0.20～0.35 mm。

2）11 -1 #、11-2#、18-1#、18-2#、17-1# 立柱存在 1 條U 型裂縫，裂縫從立柱左側(cè)面貫通至立柱右側(cè)面，寬 0.30～0.40 mm。

圖5 左側(cè)面病害分布示意圖

圖6 右側(cè)面病害分布示意圖

圖7 3-2# 立柱開裂情況

圖8 10-1# 立柱開裂情況

3）第 3 跨左側(cè)縱梁在拱頂附近縱梁梁端開裂、破損，寬 0.3～1 mm。

4）第 4 跨右側(cè)拱肋拱頂附近靠西側(cè)縱梁梁端破損，面積 0.1 m×0.4 m。

5）第 4 跨左側(cè)拱肋拱頂附近靠西側(cè)縱梁梁端開裂，寬 1 mm～1 cm。

6）第 5 跨左側(cè)拱肋拱頂附近靠西側(cè)縱梁梁端開裂，寬 1 cm。

7）第 5 跨右側(cè)縱梁右側(cè)面在右側(cè) 18# 立柱附近存在 2 條豎向裂縫，裂縫從上向下開裂，長(zhǎng) 0.5～0.6 m，寬 0.10～0.15 mm。

從開裂位置來判斷，裂縫均出現(xiàn)在距離跨中最近的短立柱以及縱梁的梁端部。裂縫分布示意圖如圖5～圖8 所示。

3 病害分析

3.1 病害開裂位置分析

縱梁開裂部位均位于端頭處，立柱開裂位置均為短柱底座，且開裂形態(tài)為“U 型”。結(jié)合該橋表面重車頻繁通過的現(xiàn)狀，初步考慮其開裂原因?yàn)闃蛄涸诜磸?fù)承受移動(dòng)荷載時(shí)，縱梁兩端約束未得到足夠的釋放引起。同樣，立柱為短柱時(shí)，柱兩端縱梁及拱圈對(duì)立柱的約束力較強(qiáng)，拱肋透過短柱底座約束著短柱的變形，故開裂位置位于短柱底座。

3.2 有限元建模

根據(jù)上述初步分析的結(jié)果，采用有限元建模的方法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，模型外觀如圖9 所示。在移動(dòng)荷載作用下，提取出內(nèi)力后，分別對(duì)釋放縱梁兩端約束及不釋放縱梁兩端約束這兩種情況進(jìn)行內(nèi)力對(duì)比，具體立柱內(nèi)力數(shù)值如表1 所示。

圖9 有限元模型

表1 釋放縱梁兩端約束與不釋放縱梁兩端約束的內(nèi)力對(duì)比

3.3 數(shù)據(jù)分析

觀察內(nèi)力數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱梁兩端約束釋放后，立柱的彎矩明顯降低，且最大彎矩為最靠近跨中的兩側(cè)立柱。由于橋面頻繁通過重車，可以推斷，該橋裂縫產(chǎn)生的主要原因?yàn)闃蛄涸诔惺軇?dòng)荷載時(shí)，縱梁及立柱兩端約束未得到足夠的釋放，有約束自然就形成了應(yīng)力，當(dāng)構(gòu)件自身混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵消內(nèi)部拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)在其相對(duì)薄弱部位產(chǎn)生裂縫，即檢測(cè)時(shí)看到的開裂現(xiàn)狀。

4 病害處理方法

針對(duì)短立柱底部開裂的情況，可以考慮在柱底部增設(shè)縮頸鉸，并在縮頸鉸四周采用瀝青膏等材料填充。這樣可以使立柱底部能適應(yīng)一定程度的變形和轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到降低超靜定次數(shù)的目的。具體加固方法示意圖如圖10 所示。

圖10 拱上短立柱增設(shè)鉸

同理，針對(duì)縱梁開裂部位，首先應(yīng)根據(jù)裂縫的寬度大小分別采用不同的方式進(jìn)行處理，具體處理方式如表2 所示［4］。然后可以在縱梁端部設(shè)置變形縫，給予縱梁端部一定的自由度，以適應(yīng)在動(dòng)荷載反復(fù)作用下的變形要求。

表2 縱梁混凝土裂縫處理方式匯總

5 結(jié) 語

上承式拱橋常被修建在地基承載能力較高的峽谷及山區(qū)。這類橋型無論是從景觀或者從結(jié)構(gòu)上來說，都是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型［6-7］?？v梁一般采用橋面連續(xù)的簡(jiǎn)支梁或先簡(jiǎn)支后連續(xù)梁。當(dāng)跨徑較大時(shí)，合理的釋放縱梁及立柱兩端約束，減小超靜定次數(shù)，就能有效地防止縱梁及立柱端部開裂，也使結(jié)構(gòu)受力更加合理。