鋼筋砼拱橋病害類型及成因分析

李曉梅

山西路杰工程咨詢有限公司 山西太原 030006

眾所周知，橋梁結(jié)構(gòu)是連接公路的重要樞紐和關(guān)鍵節(jié)點工程，是實現(xiàn)公路工程基礎(chǔ)設(shè)施立體化、快速化和互通化的重要設(shè)施之一，在公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中必須尤其重視橋梁工程結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，對于在役橋梁而言必須意識到病害處治的重要性。鋼筋混凝土拱橋是橋梁工程施工實踐中常見的橋型之一，混凝土拱橋較相同跨徑的梁橋有更好的承載能力、抗變形剛度及荷載穩(wěn)定性；且拱橋能夠滿足橋下通行凈空和無法實現(xiàn)基礎(chǔ)施工的各種復(fù)雜環(huán)境和施工工況，在山區(qū)公路建設(shè)中應(yīng)用極其廣泛。

1 鋼筋砼拱橋病害類型分析

以山區(qū)公路中常見的上承式肋拱鋼筋混凝土拱橋為研究對象，經(jīng)過長期病害調(diào)查可將常見的病害類型歸結(jié)為兩部分，即：拱橋拱肋及構(gòu)造梁病害和上承拱架立柱病害兩大部分。

1.1 拱橋拱肋及構(gòu)造梁病害分析

以上承式拱橋為例，鋼筋混凝土拱肋板是鋼筋混凝土拱橋的主要承載構(gòu)件，在長期自重荷載和車輛可變荷載的耦合作用下，一旦出現(xiàn)沖擊荷載集中作用將導(dǎo)致拱肋薄弱位置率先出現(xiàn)開裂，一旦拱肋局部出現(xiàn)開裂，將引發(fā)局部的應(yīng)力集中效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)連鎖反應(yīng)，拱肋病害快速擴展。如果不能及時對拱肋結(jié)構(gòu)開裂進(jìn)行綜合處治，在荷載長期作用下將引發(fā)嚴(yán)重的局部混凝土剝離破壞，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致鋼筋骨架外露[1]。此外，肋拱橋在長期車輛荷載的疲勞作用下，肋板拱的整體剛度隨著服役時間的推進(jìn)逐步衰減，由于抗變形剛度無法抵御荷載沖擊影響將引發(fā)主拱肋出現(xiàn)不可控的非線性變形，從而不同程度改變鋼筋混凝土肋板拱橋的受力體系。除了主拱肋板結(jié)構(gòu)以外，肋拱橋主要承重構(gòu)件由部分結(jié)構(gòu)梁聯(lián)系，在自重和荷載的耦合作用下將導(dǎo)致聯(lián)系梁和橋面板出現(xiàn)不同程度的大位移，進(jìn)而造成局部聯(lián)系梁和橋面板出現(xiàn)應(yīng)力集中病害，誘發(fā)聯(lián)系梁開裂甚至直接壓潰。

1.2 上承拱架立柱病害分析

除了主要承重構(gòu)件肋板病害以外，支撐肋拱橋立柱病害也是誘發(fā)拱橋病害的主要原因之一。部分設(shè)計年代較早的鋼筋混凝土肋板拱橋結(jié)構(gòu)由于受施工資金和施工技術(shù)條件的限制，立柱間距至設(shè)計不合理，在具體設(shè)計和施工過程中肋板拱結(jié)構(gòu)的合理拱軸線系數(shù)分配不合理，拱橋整體的彎矩分布情況不合理，支撐點周圍在沖擊荷載作用下很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中病害，進(jìn)而誘導(dǎo)立柱支撐點位置周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中荷載裂縫；此外，在立柱支撐位置和橋面板結(jié)合位置容易出現(xiàn)因偏心荷載引起的橋面鋪裝應(yīng)力開裂，進(jìn)而累及橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形剛度；在立柱支撐點為和橫向聯(lián)系梁結(jié)合位置出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂病害，由于鋼筋混凝土肋板拱支撐接頭位置處于外部的密封混凝土出現(xiàn)空洞和麻面，部分嚴(yán)重病害區(qū)域誘導(dǎo)發(fā)展成為可見裂縫。鋼筋混凝土肋板拱橋支撐立柱底部附加墊梁病害也較為普遍，支撐柱對應(yīng)聯(lián)系排架上的墊梁也存在較為普遍的豎向開裂，且大部分開裂存在于支撐柱側(cè)面的附加墊板上，且部分裂縫逐級延伸到墊梁頂部[2]。

2 鋼筋砼拱橋主要病害成因分析

2.1 鋼筋混凝土拱橋肋板開裂病害成因

鋼筋混凝土拱橋拱肋結(jié)構(gòu)由于體積較大，且大部分拱橋結(jié)構(gòu)施工場地受限明顯，因此，絕大多數(shù)的鋼筋混凝土肋板拱橋的拱肋均采用工廠化預(yù)制。由于受到預(yù)制環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致鋼筋混凝土肋板出現(xiàn)明顯的溫度收縮效應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)出現(xiàn)肋板壁開裂。受到施工環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致拱肋內(nèi)外出現(xiàn)明顯的溫差效應(yīng)，材料在熱脹冷縮機理的影響下內(nèi)外變形無法同步進(jìn)而誘導(dǎo)肋板出現(xiàn)開裂和大變形。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也屬于典型的溫度敏感型材料，隨著溫度的變化，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的自由變形和約束變形，一旦變形被約束將導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超出鋼筋混凝土表面的開裂應(yīng)力將誘發(fā)表面開裂病害。此外，在鋼筋混凝土拱肋吊裝施工過程中，在施工荷載的作用下將進(jìn)一步誘導(dǎo)肋板裂縫擴展。在尚未承載的前提下結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在明顯的自重應(yīng)力效應(yīng)，在自重應(yīng)力和約束的作用下，以荷載開裂的方式釋放內(nèi)部集聚的能量。鋼筋混凝土拱肋吊裝施工過程中，預(yù)制過程中的應(yīng)力和溫度收縮位置的原始開裂最終將落在因自重引起的內(nèi)力上承擔(dān)，如果原始裂縫端部的抵抗力無法抵消拱肋承擔(dān)的自重應(yīng)力，將導(dǎo)致原始裂縫繼續(xù)擴展。

2.2 鋼筋混凝土拱橋拱軸線大變形病害成因

在鋼筋混凝土拱肋施工過程中，拱肋板在節(jié)段吊裝及施工拼接過程中由于施工技術(shù)和外部環(huán)境的耦合影響導(dǎo)致定位存在較大偏差，由于前期定位不精準(zhǔn)導(dǎo)致后續(xù)成橋以后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，引起主梁線型和合理共軸線設(shè)計不合理；在后期服役過程中，在車輛荷載和拱肋自重的耦合作用下，鋼筋混凝土拱橋整體出現(xiàn)不同程度的塑性變形，在局部沖擊荷載和長期超重荷載的作用下將引起不可恢復(fù)的塑性變形。在施工過程中，合理共軸線偏差主要是由于施工現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)采集誤差和節(jié)段焊接和拼裝過程中的連接強度無法滿足預(yù)期強度，在后續(xù)運營過程中，在車輛荷載和自重的耦合作用下將出現(xiàn)嚴(yán)重的不可逆變形，最終導(dǎo)致實際共軸線和合理共軸線存在較大偏差，導(dǎo)致拱肋在承載過程中出現(xiàn)偏心受壓，削減了拱肋截面的承載能力和抗變形剛度，降低了拱肋的總體承載能力[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，鋼筋混凝土拱肋橋的病害主要集中在拱橋拱肋及構(gòu)造梁病害和上承拱架立柱病害兩大部分；在工程施工實踐中，必須詳細(xì)判別具體的病害出現(xiàn)位置，明確具體病害的成因機理和原因，采取針對性的養(yǎng)護措施進(jìn)行處治，以最大程度提高鋼筋混凝土拱肋橋的可持續(xù)、健康服役能力，提高橋梁養(yǎng)護作業(yè)的精準(zhǔn)性和效率。