某上承式钢筋混凝土拱桥病害分析

顾云佳，张 波

（重庆市建筑科学研究院，重庆 400015）

0 引 言

拱桥，作为我国最古老也是最具特色的传统桥型，凭借其优美的曲线和刚劲有力的形态，加之其散发的文化气质，历来受到华夏人民的喜爱。按拱圈截面形式可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱型拱、劲性骨架混凝土拱桥［1］。按桥面系的位置，分为上承式拱桥、中承式拱桥以及下承式拱桥。拱上建筑又可分为拱式拱上建筑以及梁式拱上建筑［2］。

桥梁的造价昂贵，并且在交通运输中发挥着重要的作用。因此，人们在桥梁建设的过程中，总是采取各种措施，千方百计确保工程质量。但是桥梁和其他建筑物一样，其“生命周期”亦不外乎以下 3 个阶段：建造、使用和老化。特别是长期在使用环境（荷载以及使用频率的增加、材料与结构的疲劳）和气候环境（大气腐蚀、温度、湿度变化）工作下的桥梁总会老化。各类既有拱桥在现有的通行强度下展现出不同程度的病害，如果完全重建这些功能不足的拱桥是现阶段我国国力不允许的，不经济也不合理。所以对各类既有拱桥进行病害分析并采用可行的加固方案进行处理，具有较大的现实意义。

1 工程概况

某桥位于某省道，桥梁全长245 m，跨径组合2×10 m（引桥）+3×64 m（主桥）。桥面全宽为 8 m，横向布置为 0.5 m（栏杆）+7 m（行车道）+0.5 m（栏杆）。该桥引桥上部结构为实腹式圬工拱桥，引桥下部结构为重力式圬工墩台；主桥上部结构为空腹式钢筋混凝土肋拱桥，横向布置 2 片拱肋，主桥下部结构为钢筋混凝土重力式桥墩；桥面为水泥混凝土铺装，异型钢单缝式伸缩缝。该桥主桥拱肋拱顶处底面已粘贴碳纤维布加固，两侧拱脚已采用套箍混凝土法进行增大截面加固（见图1、图2）。现场检测时发现桥面频繁有重车通过。

图1 立面照

图2 正面照

2 该桥检测情况

2.1 构件编号

图3 构件编号图

该桥检查以自西向东为前进方向，并按该方向将依次将墩台编号［3］为 0# 桥台、1# 墩、2# 墩、3# 墩、4# 墩、5# 桥台；主拱圈依次编号为 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（见图3、图4）。

图4 第 3 孔肋拱横断面编号图

2.2 该桥主要病害

根据现场检测情况，该桥存在以下主要病害。

1）3 -2 #、4-2 #、10-2 #、10-1 # 立柱底座存在 1 条斜向裂缝，长 60 cm，宽 0.20～0.35 mm。

2）11 -1 #、11-2#、18-1#、18-2#、17-1# 立柱存在 1 条U 型裂缝，裂缝从立柱左侧面贯通至立柱右侧面，宽 0.30～0.40 mm。

图5 左侧面病害分布示意图

图6 右侧面病害分布示意图

图7 3-2# 立柱开裂情况

图8 10-1# 立柱开裂情况

3）第 3 跨左侧纵梁在拱顶附近纵梁梁端开裂、破损，宽 0.3～1 mm。

4）第 4 跨右侧拱肋拱顶附近靠西侧纵梁梁端破损，面积 0.1 m×0.4 m。

5）第 4 跨左侧拱肋拱顶附近靠西侧纵梁梁端开裂，宽 1 mm～1 cm。

6）第 5 跨左侧拱肋拱顶附近靠西侧纵梁梁端开裂，宽 1 cm。

7）第 5 跨右侧纵梁右侧面在右侧 18# 立柱附近存在 2 条竖向裂缝，裂缝从上向下开裂，长 0.5～0.6 m，宽 0.10～0.15 mm。

从开裂位置来判断，裂缝均出现在距离跨中最近的短立柱以及纵梁的梁端部。裂缝分布示意图如图5～图8 所示。

3 病害分析

3.1 病害开裂位置分析

纵梁开裂部位均位于端头处，立柱开裂位置均为短柱底座，且开裂形态为“U 型”。结合该桥表面重车频繁通过的现状，初步考虑其开裂原因为桥梁在反复承受移动荷载时，纵梁两端约束未得到足够的释放引起。同样，立柱为短柱时，柱两端纵梁及拱圈对立柱的约束力较强，拱肋透过短柱底座约束着短柱的变形，故开裂位置位于短柱底座。

3.2 有限元建模

根据上述初步分析的结果，采用有限元建模的方法对其进行验证，模型外观如图9 所示。在移动荷载作用下，提取出内力后，分别对释放纵梁两端约束及不释放纵梁两端约束这两种情况进行内力对比，具体立柱内力数值如表1 所示。

图9 有限元模型

表1 释放纵梁两端约束与不释放纵梁两端约束的内力对比

3.3 数据分析

观察内力数据后，发现当纵梁两端约束释放后，立柱的弯矩明显降低，且最大弯矩为最靠近跨中的两侧立柱。由于桥面频繁通过重车，可以推断，该桥裂缝产生的主要原因为桥梁在承受动荷载时，纵梁及立柱两端约束未得到足够的释放，有约束自然就形成了应力，当构件自身混凝土的抗拉强度不足以抵消内部拉应力时，就会在其相对薄弱部位产生裂缝，即检测时看到的开裂现状。

4 病害处理方法

针对短立柱底部开裂的情况，可以考虑在柱底部增设缩颈铰，并在缩颈铰四周采用沥青膏等材料填充。这样可以使立柱底部能适应一定程度的变形和转动，以达到降低超静定次数的目的。具体加固方法示意图如图10 所示。

图10 拱上短立柱增设铰

同理，针对纵梁开裂部位，首先应根据裂缝的宽度大小分别采用不同的方式进行处理，具体处理方式如表2 所示［4］。然后可以在纵梁端部设置变形缝，给予纵梁端部一定的自由度，以适应在动荷载反复作用下的变形要求。

表2 纵梁混凝土裂缝处理方式汇总

5 结 语

上承式拱桥常被修建在地基承载能力较高的峡谷及山区。这类桥型无论是从景观或者从结构上来说，都是一种极具竞争力的桥型［6-7］。纵梁一般采用桥面连续的简支梁或先简支后连续梁。当跨径较大时，合理的释放纵梁及立柱两端约束，减小超静定次数，就能有效地防止纵梁及立柱端部开裂，也使结构受力更加合理。