柔性吊桿拱橋拱座安全性病害特征及影響分析

曾祥春

（贛州城市投資控股集團有限責任公司，江西 贛州 341000）

0 引言

由于受到各種內、外因素錯綜復雜的交互影響，長期使用的橋梁結構內部會產生變異，導致承載力逐漸降低，再加上橋梁的銹蝕、老化、疲勞、破損等，給橋梁的正常使用埋下了隱患。影響因素主要包括設計標準、使用年限、投資數額、工程材料、外部環境、養護質量、交通量、作用荷載、偶然事故等。目前，我國大量20世紀90年代左右建造的吊桿拱橋，均出現了各種類型的病害，如吊桿索體病害、吊桿錨頭病害、拱圈病害、拱座病害及其他構件病害。這些病害不僅使橋梁結構存在較大的安全隱患甚至有垮塌的風險，而且也對大橋的養護管理及設計維修提出了更高的要求。

本文結合柔性吊桿拱橋混凝土拱座的構造特點和受力特性，依托大量實橋的資料調研及深度檢測結果，重點探討了柔性吊桿拱橋拱座的安全性病害特征，并著重研究此類病害對拱座結構安全的影響，為此類橋梁的設計及養護管理提供一定的科學依據。

1 拱座安全性病害特征

拱座是拱橋特有的構件，將拱圈傳遞過來的上部結構荷載傳至下部結構或系梁。由于拱座與拱圈、下部結構和系梁相連，其空間受力狀態較復雜，大都采用大體積混凝土結構，連接處易產生較大局部應力，并且在基礎沉降變形、溫度和其他荷載作用下易產生拱座位移、混凝土開裂等影響拱橋安全性的病害[1]。

1.1 拱座位移

拱座位移的病害類型主要包括縱向水平位移和豎向位移。拱座位移主要由橋臺水平推力不足或地基穩定性差等引起。拱座位移使橋跨相應增大，矢高減少，拱座向后傾斜、轉動。拱座位移與純粹的拱圈線形偏差病害不同，其使拱軸線產生不均勻變形和非對稱的偏離，降低拱圈的穩定性。

1.2 拱座開裂

拱座由其受力的復雜性，大都采用鋼筋混凝土結構。其主要承受來自拱肋的軸力、彎矩和剪力，并把荷載傳至下部結構和系梁。大體積混凝土拱座在荷載效應下易產生結構性裂縫，特別是鋼管混凝土拱肋的鋼與混凝土結合面，易存在應力集中的現象，均對拱座運營的安全性產生影響。拱座開裂主要由拱座施工水化熱、恒活載作用、溫度變化、收縮徐變及地基不均勻沉降等引起。

根據實橋拱座的檢測結果，拱座開裂的病害特征主要表現為：

（1）拱座頂面橫向裂縫，一定間距分布，由彎剪效應產生；

（2）拱座與拱圈相交面上的放射型裂縫：該類裂縫主要存在鋼管混凝土拱圈和鋼拱圈中，裂縫易從交界位置向四周放射狀開展，并擴展至拱座側面，主要由彎剪效應和軸力效應共同產生；

（3）拱座順橋向側面豎向、斜向裂縫：該類裂縫主要出現在拱座側面，沿豎、斜向開展，按一定間距分布，主要由軸力效應產生。拱座開裂在拱橋病害中較為常見，是拱橋結構重大安全隱患之一。

圖1為拱座開裂病害特征的典型示意圖。這些典型的拱座開裂病害可從側面揭示拱座運營的開裂風險，為此類結構的設計、施工等提供數據支撐。

2 拱座位移的影響分析

拱座位移主要包括水平向外位移和豎向向下位移[2]，不同位移形式導致不同的拱軸線偏移，且拱圈的變形呈現非對稱性。當拱座發生向外的水平位移時，矢跨比減少，拱圈變坦；當拱座發生向下的豎向位移時，拱圈的矢跨比沒有明顯的改變，但拱圈傾斜，對受力不利。

圖2為拱座位移對拱圈承載能力的影響分析。由圖可知：當拱座發生向外水平位移后，由于矢跨比降低，拱圈剛度和承載力近線性規律下降；當拱座存在豎向向下位移后，由于拱圈傾斜使加載不均勻，拱圈的剛度顯著下降，承載力近線性規律下降。但是，拱座水平位移對拱圈承載力的影響更大。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）[3]規定，材料強度和承載力下降應按照“表4.1”的標度進行評判?？芍寒敼白轿灰拼笮∵_45 mm（L/2 500，L為拱圈跨徑）、豎向位移大小達50 mm（L/2 300）時，拱圈安全性能顯著下降。

圖1 拱座開裂病害特征典型示意圖

圖2 不同線形偏差情況下的拱圈承載能力

3 拱座開裂的影響分析

拱座主要承受拱圈截面傳遞的軸力和彎剪效應，由此類受力而產生的混凝土拱座裂縫為結構性裂縫，影響拱橋的安全性，但實際工程中因拱座混凝土本身收縮、水化熱等原因存在表面非結構性裂縫，不會對結構安全性產生直接影響。一般而言，拱座除承受拱圈傳遞的荷載外，也承受一定的系梁預應力效應，但系梁預應力僅使拱座混凝土承受較小的均勻壓應力，對拱座上部分混凝土的開裂應力基本無影響。因此，在進行拱座開裂的定量分析時，僅考慮其承受拱圈軸力和彎剪荷載的作用[4，5]。

圖3為受拱圈軸力荷載作用時拱座混凝土的荷載-位移曲線。由圖可知，在拱圈軸力荷載作用下，拱座共經歷兩次開裂過程，由于未考慮普通鋼筋作用，最終呈現混凝土脆性拉裂破壞。圖4為拱座混凝土在拱圈軸力荷載作用下的兩次開裂過程數值模擬結果（圖4中光點表示裂縫）。可知，第一次橫向裂縫在拱座與系梁交界處圓弧倒角位置產生。第一次開裂后由于裂縫處應力的釋放，最大拉應力位置下移，主要由系梁承受，因此第二次裂縫出現在拱座與系梁的連接處。

圖3 軸力作用下拱座混凝土的荷載-位移曲線

由圖5、圖6可知，在彎剪荷載作用下，拱座混凝土共經歷三次開裂過程。

（1）開裂前：彎剪效應下拱座最大主拉應力出現在拱圈上弦鋼管出口處。

（2）第一次開裂（A點）：此時彎剪效應荷載為極限荷載（D點）的25%，裂縫位置出現在拱座的拱圈上弦鋼管出口處，由于裂縫位置應力的釋放，主拉應力最大位置轉移至拱座的拱圈下弦鋼管出口處。

（3）第二次開裂（B點）：此時彎剪效應荷載為極限荷載（D點）的50%，新增裂縫位置出現在拱圈下弦鋼管出口處，由于裂縫位置應力的釋放，主拉應力最大位置轉移至拱座上部頂面處。

圖4 軸力作用下拱座混凝土的兩次開裂過程

圖5 彎剪荷載作用下拱座混凝土的荷載-位移曲線

（4）第三次開裂（C點）：此時彎剪效應荷載為極限荷載（D點）的60%，新增裂縫位置出現在拱座上部頂面和側面處，由于裂縫位置應力的釋放，主拉應力最大位置由拱座的表面向內部轉移。

（5）極限荷載（D點）：拱座上部頂面和側面處的裂縫由表面向內部繼續擴展，直到裂縫往下開展至拱座下部，最終破壞。

結合拱座開裂的病害特征及拱座混凝土開裂過程的定量分析可知：拱座頂面橫向裂縫主要由彎剪效應產生，拱座位于拱圈出口處的放射型裂縫主要由彎剪效應和軸力效應共同產生，而拱座側面的豎向、斜向裂縫則主要由軸力效應產生。一般而言，由彎剪效應產生的拱座裂縫危害更嚴重，因此，拱座頂面橫向裂縫和拱圈附近的放射型裂縫對拱座安全性影響更大，在拱橋檢測中應加以重視。

圖6 彎剪荷載作用下拱座混凝土的三次開裂過程

4 結論

（1）拱座位移、開裂是拱座結構的主要退化風險。

（2）拱座位移主要表現為水平向外位移和豎向向下位移，拱座位移會導致拱圈剛度和承載力下降，且拱座水平位移比豎向位移影響更明顯。

（3）拱座開裂主要表現為彎剪效應產生的頂面橫向裂縫、彎剪和軸力效應共同產生的拱圈出口處放射型裂縫，以及軸力效應產生的拱座側面豎向、斜向裂縫，拱座頂面橫向裂縫和拱圈附近的放射型裂縫對拱座安全性影響更大，在拱橋檢測中應加以重視。