大跨度剛架拱橋裂縫病害機理研究

王志鵬

（廣州市交通設計研究院有限公司，廣東 廣州 511430）

0 引 言

剛架拱橋最早建成于20世紀70年代的無錫縣。該橋型借鑒了雙曲拱橋、桁架拱、肋拱和斜腿剛構等橋型，具有受力合理、施工方便、節省材料和簡潔美觀的特點。1984年原交通部公路科學研究所和湖南省交通規劃勘測設計院聯合編制了《鋼筋混凝土剛架拱橋定型設計圖》，適用跨徑范圍為25～60 m，從而推廣了剛架拱橋在全國范圍內的應用，各地陸續建造了多座剛架拱橋[1]。

剛架拱主體結構由多片剛架拱片通過橫向連系連接成整體，然后在其上部鋪設預制橋面板，而預制橋面板又通過橋面整體化層連接。單片剛架拱包括主拱腿、斜撐、豎桿、上弦桿和實腹段等構件，其中，各構件節點處多采用剛接形式的現澆接頭。

當時結構計算分析水平受限、規范中的汽車荷載標準較低以及過于追求經濟性，使得結構細部構造上的尺寸選擇及配筋率偏小，加之主體結構采用“集零為整”的預制拼裝施工方法，使得興建于上世紀八九十年代的剛架拱橋在進入本世紀后，重載交通下開始出現較嚴重的病害，需要經常性的維修加固來維持使用性能，甚至于歷經多次加固后，結構病害發展仍然得不到控制，需通過限高限載措施維持運營或者對其進行拆除重建。

近些年來，針對剛架拱橋病害原因，學者們通過檢測、觀察和實驗等手段進行了歸納總結。劉洪瑞等通過對兩座剛架拱橋的病害分析，認為是整體剛度弱、橋面板強度低和節點連接弱造成剛架拱橋的病害[2]。陳宇新等對跨度50 m剛架拱橋的橋面板和拱肋節點病害進行了三維實體元分析，發現拱肋節點處在恒載、活載和溫度荷載下出現較大拉應力而出現裂縫，橋面板出現混凝土壓碎病害是因為設計的邊界條件為固結與實際的鉸接不符導致橋面板設計不安全，提出了加強節點構造的加固方法[3]。劉云川等針對山東省的剛架拱橋病害進行了系統總結，發現對結構影響較大病害主要是節點裂縫、弦桿裂縫、橋面板穿孔開裂和橫系梁破壞，進一步分析發現病害原因是汽車超載和結構整體性差，并提出了粘貼鋼板是比較可靠的加固方法[4]。鐘軍等對跨度25 m的剛架拱橋病害進行了檢測，發現主要病害是橋面板斷裂和次拱腿節點裂縫，認為是設計不足造成了此類病害發生[5]。史強等從結構局部構件和結構整體分析了剛架拱橋病害原因，認為設計、施工上的不足和節約材料造成了剛架拱橋的病害較多，并提出整體現澆的施工方法來解決此類橋型的病害[6]。李漪等針對60 m跨剛架拱橋實腹段拱頂豎向裂縫進行了桿系元分析，認為是振動導致裂縫惡性循環不斷增大，使得結構整體性不斷變差[7]。閔凡華等針對35 m跨剛架拱橋的弦桿斜向裂縫、節點U形裂縫和實腹段斜向裂縫進行了分析，認為是橫系梁連接薄弱導致結構整體性差、單片剛架拱承擔的荷載較大[8]。

剛架拱橋的病害主要包括橋面板損壞、弦桿裂縫、節點處裂縫和實腹段裂縫。橋面板穿孔破壞是結構構造尺寸不足引起的，不是僅靠增加配筋率能解決的；弦桿裂縫是因為豎桿、斜撐與弦桿固結，屬于超靜定結構受彎構件，在未設置預應力情況下，溫度等作用引起的次內力使得弦桿開裂；大小節點裂縫是因裝配的節點強度未能達到設想的要求，在復雜應力狀態下開裂；實腹段斜裂縫是因為結構整體性差，在活載作用下單片拱片受力較大，使得截面抗剪不足。

本文以廣州市增城區S256線江龍大橋80 m跨剛架拱為工程實例，通過對其進行病害分析及結構建模計算來研究大跨度剛架拱橋的主要裂縫病害。

1 工程概況

江龍大橋位于廣東省道S256線上,跨越東江北干流河道,北接增城市經濟技術開發區,南接東莞市石碣鎮,中心樁號為K69+432，小里程為三江方向，大里程為石碣方向。全橋由左、右雙幅橋并列組成雙向4車道,左幅為舊橋，1989年建成通車；右幅為新橋，1994年建成通車，兩座橋橋型相同；全橋長676 m，跨徑組合為1×15 m（漿砌實腹拱）+4×45 m（剛架拱）+4×80 m（剛架拱）+2×45 m（剛架拱）+1×15 m（漿砌實腹拱）。單幅剛架拱橋每孔由4片剛架拱片通過橫向聯系構成，橋面板由肋腋板和懸臂板組成，橋面采用鋼纖維混凝土鋪裝。45 m跨與80 m跨的過渡銜接墩采用沉井基礎,其余均采用鉆孔灌注樁基礎，橋墩為鋼筋混凝土空心墩。設計荷載等級：汽車-20級，掛車-100。

該橋進行過3次維修加固。2006年針對舊橋和新橋的病害，舊橋評為2類橋，對其上部和下部結構進行了大規模的維修加固，內容包括裂縫修補、粘貼鋼板、粘貼碳纖維、更換構件、增大構件截面、樁基補強和更換橋面鋪裝等。2018年，對該橋橋面肋腋板進行了局部更換、粘貼碳纖維和砂漿修補加固。2019年，對橋面鋪裝損壞嚴重的橋跨進行了重做橋面鋪裝的維修。

2020年檢測發現，左幅和右幅橋梁的橋面板、橫向聯系和剛架拱片都存在結構性病害。剛架拱片的病害包括主節點處裂縫、實腹段斜裂縫、次節點裂縫和上弦桿跨中裂縫；橋面板病害為跨中裂縫和端部穿孔破損；橫向聯系病害為跨中裂縫和露筋破損。根據最新檢測報告，80 m跨剛架拱的主要病害為結構性裂縫，裂縫分布見圖1。

圖1 80 m跨剛架拱片裂縫分布示意圖（單位：cm）

2 有限元模型

2.1 桿系單元模型

采用橋博4.3建立江龍大橋80 m跨單個剛架拱片桿系單元模型，節點總計79個，單元總計78個。

材料強度按照無損檢測報告強度取值，邊界條件按照原設計假定的拱片在弦桿、豎桿和主、次拱腿處支座均為固結；根據檢測報告結論，剛架拱片的橫向聯系較弱，汽車活載橫向分布系數采用杠桿法計算，1#和4#拱片車道荷載橫向分布系數為0.6，2#和3#拱片橫向分布系數為1.2；考慮實際重載交通量情況，按公路-I級車道荷載加載；由于拱腳位移和溫度對該結構形式的影響較復雜，并且根據檢測報告判斷結構病害主要是重載引起的，本次計算暫不考慮拱腳位移和溫度。剛架拱的豎向剪力Q和豎向彎矩M包絡圖，見圖2和圖3。

圖2 豎向剪力Q（單位：kN）

圖3 豎向彎矩M（單位：kN·m）

剛架拱豎向剪力Q和豎向彎矩M包絡圖中，主節點處的彎矩和剪力均較大，受力復雜。根據剛架拱的施工圖，進一步按照截面實際配筋進行截面承載力計算，見圖4和圖5。

圖4 斜截面強度驗算（單位：kN）

圖5 正截面強度驗算（單位：kN·m）

剛架拱主節點處的斜截面和正截面強度驗算均超限，主節點處出現貫穿到頂部的彎剪斜裂縫；主拱腿與主節點相交位置處的底面正截面抗彎強度超限，底面出現受彎裂縫。

2.2 實體單元模型

綜合桿系模型分析結果，為進一步分析主節點附近的應力場，采用Midas Fea建立江龍大橋80 m跨單個剛架拱片實體單元模型，網格劃分采用結構網格和自由網格混合方式。約束條件：拱腳處均采用固結。2個加載工況：自重荷載+二期恒載；車道荷載。

各個荷載工況下實腹段處的最大主拉應力云圖，見圖6、圖7。

圖6 工況1：P 1主拉應力云圖（單位：MP a）

圖7 工況2：P 1主拉應力云圖（單位：MP a）

各個荷載工況下主節點倒角附近的最大主拉應力云圖，見圖8、圖9。

圖8 工況1：P 1主拉應力云圖（單位：MP a）

圖9 工況2：P 1主拉應力云圖（單位：MP a）

各個荷載工況下工況下主拱腿與主節點相交處的最大主拉應力云圖，見圖10、圖11。

圖10 工況1：P 1主拉應力云圖（單位：MP a）

圖11 工況2：P 1主拉應力云圖（單位：MP a）

根據應力云圖結果分析，實腹段根部節段處在自重、車道和二恒荷載作用下，45°斜截面上的拉應力較大；主節點圓角附近的截面變化復雜，拉應力較大，存在應力集中情況；在自重荷載下，主拱腿與主節點相交處底部存在拉應力。

實體單元分析結果驗證了剛架拱實腹段靠近主節點處較大的彎矩和剪力導致了彎剪斜裂縫，以及主節點圓角截面突變使得局部應力超限出現開裂。

3 結 語

本文通過桿系單元的整體分析和實體單元的局部分析，根據計算結果和病害檢測綜合研究，主要結論如下：

（1）在自重、車道和二恒荷載作用下45°斜截面上的拉應力較大，導致實腹段處的彎剪斜裂縫。

（2）主節點圓角附近的截面變化復雜而應力集中，引起主節點的斜裂縫和局部壓碎。

（3）主拱腿與主節點相交處底面存在的裂縫主要是結構自重引起的拉應力超限引起的。