大跨度剛架拱橋裂縫病害機(jī)理研究

王志鵬

（廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511430）

0 引 言

剛架拱橋最早建成于20世紀(jì)70年代的無(wú)錫縣。該橋型借鑒了雙曲拱橋、桁架拱、肋拱和斜腿剛構(gòu)等橋型，具有受力合理、施工方便、節(jié)省材料和簡(jiǎn)潔美觀的特點(diǎn)。1984年原交通部公路科學(xué)研究所和湖南省交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合編制了《鋼筋混凝土剛架拱橋定型設(shè)計(jì)圖》，適用跨徑范圍為25～60 m，從而推廣了剛架拱橋在全國(guó)范圍內(nèi)的應(yīng)用，各地陸續(xù)建造了多座剛架拱橋[1]。

剛架拱主體結(jié)構(gòu)由多片剛架拱片通過(guò)橫向連系連接成整體，然后在其上部鋪設(shè)預(yù)制橋面板，而預(yù)制橋面板又通過(guò)橋面整體化層連接。單片剛架拱包括主拱腿、斜撐、豎桿、上弦桿和實(shí)腹段等構(gòu)件，其中，各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處多采用剛接形式的現(xiàn)澆接頭。

當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析水平受限、規(guī)范中的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)較低以及過(guò)于追求經(jīng)濟(jì)性，使得結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造上的尺寸選擇及配筋率偏小，加之主體結(jié)構(gòu)采用“集零為整”的預(yù)制拼裝施工方法，使得興建于上世紀(jì)八九十年代的剛架拱橋在進(jìn)入本世紀(jì)后，重載交通下開(kāi)始出現(xiàn)較嚴(yán)重的病害，需要經(jīng)常性的維修加固來(lái)維持使用性能，甚至于歷經(jīng)多次加固后，結(jié)構(gòu)病害發(fā)展仍然得不到控制，需通過(guò)限高限載措施維持運(yùn)營(yíng)或者對(duì)其進(jìn)行拆除重建。

近些年來(lái)，針對(duì)剛架拱橋病害原因，學(xué)者們通過(guò)檢測(cè)、觀察和實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行了歸納總結(jié)。劉洪瑞等通過(guò)對(duì)兩座剛架拱橋的病害分析，認(rèn)為是整體剛度弱、橋面板強(qiáng)度低和節(jié)點(diǎn)連接弱造成剛架拱橋的病害[2]。陳宇新等對(duì)跨度50 m剛架拱橋的橋面板和拱肋節(jié)點(diǎn)病害進(jìn)行了三維實(shí)體元分析，發(fā)現(xiàn)拱肋節(jié)點(diǎn)處在恒載、活載和溫度荷載下出現(xiàn)較大拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫，橋面板出現(xiàn)混凝土壓碎病害是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的邊界條件為固結(jié)與實(shí)際的鉸接不符導(dǎo)致橋面板設(shè)計(jì)不安全，提出了加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的加固方法[3]。劉云川等針對(duì)山東省的剛架拱橋病害進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大病害主要是節(jié)點(diǎn)裂縫、弦桿裂縫、橋面板穿孔開(kāi)裂和橫系梁破壞，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)病害原因是汽車超載和結(jié)構(gòu)整體性差，并提出了粘貼鋼板是比較可靠的加固方法[4]。鐘軍等對(duì)跨度25 m的剛架拱橋病害進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主要病害是橋面板斷裂和次拱腿節(jié)點(diǎn)裂縫，認(rèn)為是設(shè)計(jì)不足造成了此類病害發(fā)生[5]。史強(qiáng)等從結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體分析了剛架拱橋病害原因，認(rèn)為設(shè)計(jì)、施工上的不足和節(jié)約材料造成了剛架拱橋的病害較多，并提出整體現(xiàn)澆的施工方法來(lái)解決此類橋型的病害[6]。李漪等針對(duì)60 m跨剛架拱橋?qū)嵏苟喂绊斬Q向裂縫進(jìn)行了桿系元分析，認(rèn)為是振動(dòng)導(dǎo)致裂縫惡性循環(huán)不斷增大，使得結(jié)構(gòu)整體性不斷變差[7]。閔凡華等針對(duì)35 m跨剛架拱橋的弦桿斜向裂縫、節(jié)點(diǎn)U形裂縫和實(shí)腹段斜向裂縫進(jìn)行了分析，認(rèn)為是橫系梁連接薄弱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性差、單片剛架拱承擔(dān)的荷載較大[8]。

剛架拱橋的病害主要包括橋面板損壞、弦桿裂縫、節(jié)點(diǎn)處裂縫和實(shí)腹段裂縫。橋面板穿孔破壞是結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸不足引起的，不是僅靠增加配筋率能解決的；弦桿裂縫是因?yàn)樨Q桿、斜撐與弦桿固結(jié)，屬于超靜定結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件，在未設(shè)置預(yù)應(yīng)力情況下，溫度等作用引起的次內(nèi)力使得弦桿開(kāi)裂；大小節(jié)點(diǎn)裂縫是因裝配的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)想的要求，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下開(kāi)裂；實(shí)腹段斜裂縫是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)整體性差，在活載作用下單片拱片受力較大，使得截面抗剪不足。

本文以廣州市增城區(qū)S256線江龍大橋80 m跨剛架拱為工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行病害分析及結(jié)構(gòu)建模計(jì)算來(lái)研究大跨度剛架拱橋的主要裂縫病害。

1 工程概況

江龍大橋位于廣東省道S256線上,跨越東江北干流河道,北接增城市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),南接?xùn)|莞市石碣鎮(zhèn),中心樁號(hào)為K69+432，小里程為三江方向，大里程為石碣方向。全橋由左、右雙幅橋并列組成雙向4車道,左幅為舊橋，1989年建成通車；右幅為新橋，1994年建成通車，兩座橋橋型相同；全橋長(zhǎng)676 m，跨徑組合為1×15 m（漿砌實(shí)腹拱）+4×45 m（剛架拱）+4×80 m（剛架拱）+2×45 m（剛架拱）+1×15 m（漿砌實(shí)腹拱）。單幅剛架拱橋每孔由4片剛架拱片通過(guò)橫向聯(lián)系構(gòu)成，橋面板由肋腋板和懸臂板組成，橋面采用鋼纖維混凝土鋪裝。45 m跨與80 m跨的過(guò)渡銜接墩采用沉井基礎(chǔ),其余均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩為鋼筋混凝土空心墩。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：汽車-20級(jí)，掛車-100。

該橋進(jìn)行過(guò)3次維修加固。2006年針對(duì)舊橋和新橋的病害，舊橋評(píng)為2類橋，對(duì)其上部和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī)模的維修加固，內(nèi)容包括裂縫修補(bǔ)、粘貼鋼板、粘貼碳纖維、更換構(gòu)件、增大構(gòu)件截面、樁基補(bǔ)強(qiáng)和更換橋面鋪裝等。2018年，對(duì)該橋橋面肋腋板進(jìn)行了局部更換、粘貼碳纖維和砂漿修補(bǔ)加固。2019年，對(duì)橋面鋪裝損壞嚴(yán)重的橋跨進(jìn)行了重做橋面鋪裝的維修。

2020年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，左幅和右幅橋梁的橋面板、橫向聯(lián)系和剛架拱片都存在結(jié)構(gòu)性病害。剛架拱片的病害包括主節(jié)點(diǎn)處裂縫、實(shí)腹段斜裂縫、次節(jié)點(diǎn)裂縫和上弦桿跨中裂縫；橋面板病害為跨中裂縫和端部穿孔破損；橫向聯(lián)系病害為跨中裂縫和露筋破損。根據(jù)最新檢測(cè)報(bào)告，80 m跨剛架拱的主要病害為結(jié)構(gòu)性裂縫，裂縫分布見(jiàn)圖1。

圖1 80 m跨剛架拱片裂縫分布示意圖（單位：cm）

2 有限元模型

2.1 桿系單元模型

采用橋博4.3建立江龍大橋80 m跨單個(gè)剛架拱片桿系單元模型，節(jié)點(diǎn)總計(jì)79個(gè)，單元總計(jì)78個(gè)。

材料強(qiáng)度按照無(wú)損檢測(cè)報(bào)告強(qiáng)度取值，邊界條件按照原設(shè)計(jì)假定的拱片在弦桿、豎桿和主、次拱腿處支座均為固結(jié)；根據(jù)檢測(cè)報(bào)告結(jié)論，剛架拱片的橫向聯(lián)系較弱，汽車活載橫向分布系數(shù)采用杠桿法計(jì)算，1#和4#拱片車道荷載橫向分布系數(shù)為0.6，2#和3#拱片橫向分布系數(shù)為1.2；考慮實(shí)際重載交通量情況，按公路-I級(jí)車道荷載加載；由于拱腳位移和溫度對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的影響較復(fù)雜，并且根據(jù)檢測(cè)報(bào)告判斷結(jié)構(gòu)病害主要是重載引起的，本次計(jì)算暫不考慮拱腳位移和溫度。剛架拱的豎向剪力Q和豎向彎矩M包絡(luò)圖，見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 豎向剪力Q（單位：kN）

圖3 豎向彎矩M（單位：kN·m）

剛架拱豎向剪力Q和豎向彎矩M包絡(luò)圖中，主節(jié)點(diǎn)處的彎矩和剪力均較大，受力復(fù)雜。根據(jù)剛架拱的施工圖，進(jìn)一步按照截面實(shí)際配筋進(jìn)行截面承載力計(jì)算，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 斜截面強(qiáng)度驗(yàn)算（單位：kN）

圖5 正截面強(qiáng)度驗(yàn)算（單位：kN·m）

剛架拱主節(jié)點(diǎn)處的斜截面和正截面強(qiáng)度驗(yàn)算均超限，主節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)貫穿到頂部的彎剪斜裂縫；主拱腿與主節(jié)點(diǎn)相交位置處的底面正截面抗彎強(qiáng)度超限，底面出現(xiàn)受彎裂縫。

2.2 實(shí)體單元模型

綜合桿系模型分析結(jié)果，為進(jìn)一步分析主節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力場(chǎng)，采用Midas Fea建立江龍大橋80 m跨單個(gè)剛架拱片實(shí)體單元模型，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和自由網(wǎng)格混合方式。約束條件：拱腳處均采用固結(jié)。2個(gè)加載工況：自重荷載+二期恒載；車道荷載。

各個(gè)荷載工況下實(shí)腹段處的最大主拉應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 工況1：P 1主拉應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖7 工況2：P 1主拉應(yīng)力云圖（單位：MP a）

各個(gè)荷載工況下主節(jié)點(diǎn)倒角附近的最大主拉應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 工況1：P 1主拉應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖9 工況2：P 1主拉應(yīng)力云圖（單位：MP a）

各個(gè)荷載工況下工況下主拱腿與主節(jié)點(diǎn)相交處的最大主拉應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 工況1：P 1主拉應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖11 工況2：P 1主拉應(yīng)力云圖（單位：MP a）

根據(jù)應(yīng)力云圖結(jié)果分析，實(shí)腹段根部節(jié)段處在自重、車道和二恒荷載作用下，45°斜截面上的拉應(yīng)力較大；主節(jié)點(diǎn)圓角附近的截面變化復(fù)雜，拉應(yīng)力較大，存在應(yīng)力集中情況；在自重荷載下，主拱腿與主節(jié)點(diǎn)相交處底部存在拉應(yīng)力。

實(shí)體單元分析結(jié)果驗(yàn)證了剛架拱實(shí)腹段靠近主節(jié)點(diǎn)處較大的彎矩和剪力導(dǎo)致了彎剪斜裂縫，以及主節(jié)點(diǎn)圓角截面突變使得局部應(yīng)力超限出現(xiàn)開(kāi)裂。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)桿系單元的整體分析和實(shí)體單元的局部分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和病害檢測(cè)綜合研究，主要結(jié)論如下：

（1）在自重、車道和二恒荷載作用下45°斜截面上的拉應(yīng)力較大，導(dǎo)致實(shí)腹段處的彎剪斜裂縫。

（2）主節(jié)點(diǎn)圓角附近的截面變化復(fù)雜而應(yīng)力集中，引起主節(jié)點(diǎn)的斜裂縫和局部壓碎。

（3）主拱腿與主節(jié)點(diǎn)相交處底面存在的裂縫主要是結(jié)構(gòu)自重引起的拉應(yīng)力超限引起的。