拱橋立柱蓋梁裂縫分析

李彥偉 趙福新 金文宏 朱春林

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

混凝土材料廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)中，包括橋梁工程。混凝土材料有良好的耐久性、抗?jié)B性、抗凍性和抗腐蝕性[1]，但也有很多缺陷，其有很強(qiáng)的抗壓性能，但受拉性能較差，這導(dǎo)致實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生各種各樣的裂縫，威脅橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全，成為混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)技術(shù)難題[2]。一部分寬度較小的裂縫并不會(huì)對(duì)橋梁運(yùn)營產(chǎn)生威脅，但有較多的裂縫會(huì)在運(yùn)營荷載及外界因素作用下快速發(fā)展，導(dǎo)致混凝土滲水、碳化剝落、內(nèi)部鋼筋銹蝕等一系列威脅橋梁結(jié)構(gòu)安全的病害[3]。因此，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫問題應(yīng)引起工程界廣泛關(guān)注，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)各方面對(duì)混凝土橋梁裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)予以監(jiān)控[4]。

在各類型混凝土橋梁中，蓋梁都是橋梁結(jié)構(gòu)重要的承重構(gòu)件，更是裂縫的多發(fā)區(qū)[5]。本文以某拱橋?yàn)槔槍?duì)拱上立柱蓋梁的裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 工程概況

主橋凈跨180m無鉸推力式拱，主梁采用C40混凝土，蓋梁采用C30混凝土，全橋跨徑組合為20m簡支梁+凈跨180m拱+20m簡支梁，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土板梁，由9片板梁組成，寬12米，橋面板一般采用標(biāo)準(zhǔn)的13m后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，在拱腳處跨度為16m，兩側(cè)各設(shè)一孔20m后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁與路基相接。橋臺(tái)采用U型臺(tái)，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，鋼管混凝土拱圈截面由橫啞鈴形桁式雙肋組成，拱上結(jié)構(gòu)采用梁柱式，立柱采用鋼管混凝土，根據(jù)高度，立柱分別采用φ800×12mm和φ600×10mm鋼管，拱頂蓋梁與拱肋直接連接，蓋梁橫橋向?qū)?1.76米，順橋向?qū)?.3 米，高1 米，立柱高1.78～26.4 米。公路等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)速度40km/h，荷載為公路一級(jí)，橋梁的跨徑和橫向布置如圖1（a）、（b）所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置圖

2 蓋梁裂縫狀態(tài)

根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然蓋梁的混凝土強(qiáng)度滿足要求，但蓋梁或多或少存在豎向裂縫，其中拱上立柱蓋梁的裂縫分布較多，長度介于0.10～0.57m，最大寬度為0.78mm，其中某蓋梁的裂縫分布位置及對(duì)應(yīng)的鋼筋網(wǎng)布置圖如圖2所示。部分蓋梁混凝土表面存在水蝕劣化現(xiàn)象，主拱跨拱肋、橫向聯(lián)系、立柱鋼管內(nèi)均存在脫空現(xiàn)象，多處邊板與限位擋塊抵死，存在一定的支座脫空和剪切變形。此外，在橋梁外觀檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，拱圈存在不同程度下?lián)希腋髁⒅聯(lián)现荡嬖诓町悾畲笙聯(lián)?2cm，最小3cm，設(shè)計(jì)要求最大偏差不超過6cm。立柱蓋梁裂縫是多因素作用的結(jié)果，目前來看尚不威脅橋梁安全，但隨著周圍環(huán)境各種因素的作用，或?qū)е铝芽p寬度不斷加大，是橋梁運(yùn)營安全的一大隱患。

圖2 蓋梁部分裂縫分布及支座底部蓋梁鋼筋布置圖

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，拱上2號(hào)立柱對(duì)應(yīng)的蓋梁裂縫較多，同時(shí)，立柱最高，橫向聯(lián)系較多，相應(yīng)地其蓋梁產(chǎn)生裂縫的影響因素也較多，因此以此立柱為例來分析本橋拱上立柱蓋梁裂縫的產(chǎn)生原因。

3 裂縫原因分析

3.1 有限元分析

裂縫的產(chǎn)生是多方面因素共同作用的結(jié)果，在裂縫發(fā)展初期應(yīng)及時(shí)分析產(chǎn)生裂縫的主要原因，在后期養(yǎng)護(hù)階段予以重視，進(jìn)行必要的加固，利用橋梁有限元計(jì)算軟件Midas/Civil對(duì)2號(hào)立柱蓋梁進(jìn)行模擬計(jì)算，建立有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

針對(duì)本橋梁檢測結(jié)果，按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，考慮設(shè)計(jì)荷載作用下對(duì)蓋梁受力進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)考慮運(yùn)營時(shí)各環(huán)境因素的作用，溫度變化按升溫20℃、降溫25℃計(jì)，拱圈沉降按照橫橋向作用立柱沉降不一致考慮，此處取1cm，從以下工況分析蓋梁的裂縫成因：1）工況一：恒載；2）工況二：恒載+活載；3）工況三：恒載+活載+溫度作用；4）工況四：恒載+活載+溫度作用+拱圈下?lián)稀?/p>

按照原設(shè)計(jì)要求，蓋梁配置相應(yīng)普通鋼筋，同時(shí)施加相應(yīng)荷載，驗(yàn)算結(jié)果表明：

1）工況一、二對(duì)應(yīng)的荷載作用下，蓋梁的最大拉應(yīng)力分別為0.5MPa、1.5MPa，而C30 混凝土的抗拉設(shè)計(jì)值為1.39MPa，活載單獨(dú)作用下的最大拉應(yīng)力為1.3MPa，拉應(yīng)力出現(xiàn)在蓋梁頂部，與圖2中所示裂縫現(xiàn)場檢測結(jié)果一致。按現(xiàn)場檢測和設(shè)計(jì)圖紙可初步判斷，裂縫原因可能是蓋梁頂部的突變位置出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致，圖2支座下所布鋼筋網(wǎng)中的縱向鋼筋在蓋梁突變部位并未連續(xù)布置，出現(xiàn)斷開，這可能是導(dǎo)致此處拉應(yīng)力超限、出現(xiàn)較多裂縫的原因。

2）工況三對(duì)應(yīng)的荷載作用下，溫度升高20℃時(shí)，蓋梁的最大拉應(yīng)力達(dá)7.6MPa，溫度單獨(dú)作用時(shí)，最大拉應(yīng)力為7.4MPa，溫度降低25℃時(shí)，蓋梁的最大拉應(yīng)力為1.9MPa，溫度單獨(dú)作用時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.7MPa，且都出現(xiàn)在與立柱連接的部位。在溫差變化較大時(shí)，立柱與蓋梁之間的連接會(huì)限制蓋梁的位移，導(dǎo)致立柱與蓋梁的連接不斷出現(xiàn)破壞，同時(shí)，在立柱與蓋梁之間的連接減弱時(shí)，由于蓋梁上的垃圾堆積，在溫度作用下，主梁的位移可能受限，對(duì)于邊梁，可能導(dǎo)致與擋塊抵死，甚至擋塊出現(xiàn)破壞，對(duì)于支座，會(huì)出現(xiàn)脫空或偏載導(dǎo)致的變形，由于支座的部分破壞，會(huì)減弱其應(yīng)有的作用，后期進(jìn)一步加劇蓋梁和主梁的裂縫發(fā)展，因此，在實(shí)際運(yùn)營養(yǎng)護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)各作用因素的排查，在裂縫初步發(fā)展階段予以消除。

3）工況四對(duì)應(yīng)的荷載作用下，考慮拱圈不均勻下?lián)?cm，溫度升高20℃時(shí)，蓋梁的最大拉應(yīng)力達(dá)10.7MPa，溫度降低25℃時(shí)，蓋梁的最大拉應(yīng)力為2.5MPa，拱圈下?lián)蠁为?dú)作用時(shí)，最大拉應(yīng)力為3.4MPa。對(duì)于拱圈的不均勻下?lián)希ǔ９叭Φ膭偠容^大，且剛度分布差異較小，不會(huì)出現(xiàn)較大的撓度差，但是由于本橋梁立柱之間的聯(lián)系梁發(fā)生不同程度損壞，在溫度作用下可能在橫橋向兩立柱出現(xiàn)一定的下?lián)喜睿瑢?shí)際檢測時(shí)也發(fā)現(xiàn)上下右側(cè)拱圈的標(biāo)高出現(xiàn)較大差異，因此在此處予以考慮，其單獨(dú)作用對(duì)蓋梁的破壞較大，和升溫作用共同作用時(shí)會(huì)明顯加劇蓋梁的裂縫發(fā)展，威脅橋梁的安全，在橋梁的定期檢查中應(yīng)予以關(guān)注，對(duì)拱圈的撓度予以核查。

綜上，產(chǎn)生蓋梁裂縫的原因較多，對(duì)于蓋梁構(gòu)造突變部位，設(shè)計(jì)上可能由于構(gòu)造突變位置鋼筋網(wǎng)中縱向鋼筋未連續(xù)布置，而溫度作用對(duì)于蓋梁裂縫的產(chǎn)生也是主要因素。

3.2 其他因素分析

蓋梁橫橋向長11.76米，順橋向1.2米，蓋梁尺寸較大，施工采用高空現(xiàn)澆混凝土施工，難度較大，容易在施工中產(chǎn)生較多的微小裂縫，后期由于立柱脫空、水蝕及外界各因素作用，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)部分裂縫可能形成較早，在施工過程中就已存在，施工中混凝土質(zhì)量、配比及現(xiàn)澆過程等各種因素都會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

綜合分析，本橋梁實(shí)際檢測結(jié)果為二類橋，蓋梁裂縫的產(chǎn)生是各因素共同作用的結(jié)果，后期的橋梁定期檢查和養(yǎng)護(hù)應(yīng)予以重視，通過對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)、清除伸縮縫和蓋梁上的垃圾堆積、做好排水以防止蓋梁水蝕作用等手段來減緩裂縫的發(fā)展。

4 結(jié)論

1）經(jīng)復(fù)算，除蓋梁構(gòu)造突變位置的鋼筋布置不符合外，蓋梁設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，裂縫的存在是多因素共同作用的結(jié)果，應(yīng)對(duì)本橋梁其他立柱蓋梁進(jìn)行檢測，并統(tǒng)計(jì)裂縫的發(fā)展?fàn)顩r，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處治，避免裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，影響結(jié)構(gòu)安全。

2）隨著橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，舊橋在大交通量和超載作用下，病害較多，運(yùn)營管理單位應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)檢查，關(guān)注裂縫發(fā)展?fàn)顩r，并提出合理的處治方案。