某上承式鋼筋混凝土拱橋病害分析

顧云佳，張 波

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400015）

0 引 言

拱橋，作為我國最古老也是最具特色的傳統橋型，憑借其優美的曲線和剛勁有力的形態，加之其散發的文化氣質，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］。

橋梁的造價昂貴，并且在交通運輸中發揮著重要的作用。因此，人們在橋梁建設的過程中，總是采取各種措施，千方百計確保工程質量。但是橋梁和其他建筑物一樣，其“生命周期”亦不外乎以下 3 個階段：建造、使用和老化。特別是長期在使用環境（荷載以及使用頻率的增加、材料與結構的疲勞）和氣候環境（大氣腐蝕、溫度、濕度變化）工作下的橋梁總會老化。各類既有拱橋在現有的通行強度下展現出不同程度的病害，如果完全重建這些功能不足的拱橋是現階段我國國力不允許的，不經濟也不合理。所以對各類既有拱橋進行病害分析并采用可行的加固方案進行處理，具有較大的現實意義。

1 工程概況

某橋位于某省道，橋梁全長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）。該橋引橋上部結構為實腹式圬工拱橋，引橋下部結構為重力式圬工墩臺；主橋上部結構為空腹式鋼筋混凝土肋拱橋，橫向布置 2 片拱肋，主橋下部結構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，兩側拱腳已采用套箍混凝土法進行增大截面加固（見圖1、圖2）。現場檢測時發現橋面頻繁有重車通過。

圖1 立面照

圖2 正面照

2 該橋檢測情況

2.1 構件編號

圖3 構件編號圖

該橋檢查以自西向東為前進方向，并按該方向將依次將墩臺編號［3］為 0# 橋臺、1# 墩、2# 墩、3# 墩、4# 墩、5# 橋臺；主拱圈依次編號為 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 孔肋拱橫斷面編號圖

2.2 該橋主要病害

根據現場檢測情況，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 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，裂縫從立柱左側面貫通至立柱右側面，寬 0.30～0.40 mm。

圖5 左側面病害分布示意圖

圖6 右側面病害分布示意圖

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 跨右側拱肋拱頂附近靠西側縱梁梁端破損，面積 0.1 m×0.4 m。

5）第 4 跨左側拱肋拱頂附近靠西側縱梁梁端開裂，寬 1 mm～1 cm。

6）第 5 跨左側拱肋拱頂附近靠西側縱梁梁端開裂，寬 1 cm。

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

從開裂位置來判斷，裂縫均出現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，且開裂形態為“U 型”。結合該橋表面重車頻繁通過的現狀，初步考慮其開裂原因為橋梁在反復承受移動荷載時，縱梁兩端約束未得到足夠的釋放引起。同樣，立柱為短柱時，柱兩端縱梁及拱圈對立柱的約束力較強，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

根據上述初步分析的結果，采用有限元建模的方法對其進行驗證，模型外觀如圖9 所示。在移動荷載作用下，提取出內力后，分別對釋放縱梁兩端約束及不釋放縱梁兩端約束這兩種情況進行內力對比，具體立柱內力數值如表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力對比

3.3 數據分析

觀察內力數據后，發現當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立柱。由于橋面頻繁通過重車，可以推斷，該橋裂縫產生的主要原因為橋梁在承受動荷載時，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力，當構件自身混凝土的抗拉強度不足以抵消內部拉應力時，就會在其相對薄弱部位產生裂縫，即檢測時看到的開裂現狀。

4 病害處理方法

針對短立柱底部開裂的情況，可以考慮在柱底部增設縮頸鉸，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一定程度的變形和轉動，以達到降低超靜定次數的目的。具體加固方法示意圖如圖10 所示。

圖10 拱上短立柱增設鉸

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

表2 縱梁混凝土裂縫處理方式匯總

5 結 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。這類橋型無論是從景觀或者從結構上來說，都是一種極具競爭力的橋型［6-7］。縱梁一般采用橋面連續的簡支梁或先簡支后連續梁。當跨徑較大時，合理的釋放縱梁及立柱兩端約束，減小超靜定次數，就能有效地防止縱梁及立柱端部開裂，也使結構受力更加合理。