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，橋梁結構是連接公路的重要樞紐和關鍵節點工程，是實現公路工程基礎設施立體化、快速化和互通化的重要設施之一，在公路工程基礎設施建設過程中必須尤其重視橋梁工程結構的施工質量，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定性；且拱橋能夠滿足橋下通行凈空和無法實現基礎施工的各種復雜環境和施工工況，在山區公路建設中應用極其廣泛。

1 鋼筋砼拱橋病害類型分析

以山區公路中常見的上承式肋拱鋼筋混凝土拱橋為研究對象，經過長期病害調查可將常見的病害類型歸結為兩部分，即：拱橋拱肋及構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，一旦出現沖擊荷載集中作用將導致拱肋薄弱位置率先出現開裂，一旦拱肋局部出現開裂，將引發局部的應力集中效應，進而引發連鎖反應，拱肋病害快速擴展。如果不能及時對拱肋結構開裂進行綜合處治，在荷載長期作用下將引發嚴重的局部混凝土剝離破壞，嚴重情況下將導致鋼筋骨架外露[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逐步衰減，由于抗變形剛度無法抵御荷載沖擊影響將引發主拱肋出現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。除了主拱肋板結構以外，肋拱橋主要承重構件由部分結構梁聯系，在自重和荷載的耦合作用下將導致聯系梁和橋面板出現不同程度的大位移，進而造成局部聯系梁和橋面板出現應力集中病害，誘發聯系梁開裂甚至直接壓潰。

1.2 上承拱架立柱病害分析

除了主要承重構件肋板病害以外，支撐肋拱橋立柱病害也是誘發拱橋病害的主要原因之一。部分設計年代較早的鋼筋混凝土肋板拱橋結構由于受施工資金和施工技術條件的限制，立柱間距至設計不合理，在具體設計和施工過程中肋板拱結構的合理拱軸線系數分配不合理，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嚴重的應力集中病害，進而誘導立柱支撐點位置周邊出現應力集中荷載裂縫；此外，在立柱支撐位置和橋面板結合位置容易出現因偏心荷載引起的橋面鋪裝應力開裂，進而累及橋面伸縮縫結構的承載能力和抗變形剛度；在立柱支撐點為和橫向聯系梁結合位置出現嚴重的開裂病害，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空洞和麻面，部分嚴重病害區域誘導發展成為可見裂縫。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，支撐柱對應聯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構由于體積較大，且大部分拱橋結構施工場地受限明顯，因此，絕大多數的鋼筋混凝土肋板拱橋的拱肋均采用工廠化預制。由于受到預制環境溫度的影響，導致鋼筋混凝土肋板出現明顯的溫度收縮效應，進而誘導出現肋板壁開裂。受到施工環境溫度的影響，導致拱肋內外出現明顯的溫差效應，材料在熱脹冷縮機理的影響下內外變形無法同步進而誘導肋板出現開裂和大變形。鋼筋混凝土結構也屬于典型的溫度敏感型材料，隨著溫度的變化，結構出現不同程度的自由變形和約束變形，一旦變形被約束將導致鋼筋混凝土結構內部出現明顯的拉應力，一旦拉應力超出鋼筋混凝土表面的開裂應力將誘發表面開裂病害。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一步誘導肋板裂縫擴展。在尚未承載的前提下結構內部存在明顯的自重應力效應，在自重應力和約束的作用下，以荷載開裂的方式釋放內部集聚的能量。鋼筋混凝土拱肋吊裝施工過程中，預制過程中的應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力上承擔，如果原始裂縫端部的抵抗力無法抵消拱肋承擔的自重應力，將導致原始裂縫繼續擴展。

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，拱肋板在節段吊裝及施工拼接過程中由于施工技術和外部環境的耦合影響導致定位存在較大偏差，由于前期定位不精準導致后續成橋以后結構內部存在較大的內應力，引起主梁線型和合理共軸線設計不合理；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場監控數據采集誤差和節段焊接和拼裝過程中的連接強度無法滿足預期強度，在后續運營過程中，在車輛荷載和自重的耦合作用下將出現嚴重的不可逆變形，最終導致實際共軸線和合理共軸線存在較大偏差，導致拱肋在承載過程中出現偏心受壓，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，必須詳細判別具體的病害出現位置，明確具體病害的成因機理和原因，采取針對性的養護措施進行處治，以最大程度提高鋼筋混凝土拱肋橋的可持續、健康服役能力，提高橋梁養護作業的精準性和效率。