双曲拱桥主拱圈构件病害成因分析研究.pdf

现存双曲拱桥因使用时间久远，设计过程中结构自身整体性及耐久性较差，存量桥多存在不同程度的病害，工程中需对存量双曲拱桥进行检测评估，以确保双曲拱桥在使用过程中的结构安全性，以某 双曲拱桥第 孔主拱圈病害分析为例，分析拱圈结构产生裂缝的原因，综合评价结果显示：该双曲拱桥第 跨拱圈构件结构评分仅为 分，顺桥向结构裂缝贯穿腹拱，存在较高安全隐患，工程中应采取维护措施。关键词：双曲拱桥；拱圈病害；检测评分；维护措施双曲拱桥因施工便捷，成桥迅速，可预制组装等特点，在上世纪时代发展的背景下，广泛出现在工程中，双曲拱桥主要依靠主拱圈及拱上腹拱承受荷载，主拱圈在纵向和横向切面上均呈现出拱形而得名，受工程技术影响，早年的双曲拱桥为快速成桥，往往采用多组件拼装成桥的方式，成桥迅速的同时，主要受力结构的整体性也大打折扣，随着工程技术的发展，此类双曲拱桥因设计上的缺陷而不再修建，但仍有部分老桥仍在使用中，此类老桥大多出现在交通量较小的地方，因使用年限大多已达 年以上，桥梁主体存在各种病害，工程中需对此类老桥进行桥梁健康评测，以评估桥梁的安全性能，以 双曲拱桥为例，选取其中的第 孔主拱圈为研究对象，通过现场勘测及健康测评，对此桥梁第 孔主拱圈结构检测评分，并分析主拱圈结构产生裂缝的原因及相应的补强措施，此研究在双曲拱桥健康检测评价中有一定的工程指导意义。工程概况该双曲拱桥建于 年，桥型属钢筋混凝土双曲拱桥，下部为钢筋混凝土高柱承台，桥梁全长 ，桥跨结构为 ，桥面宽度为 ，经现场勘测，双曲拱桥年代久远，表面病害较多，各拱圈均存在裂缝，特以位于桥西侧的第 孔为例，第 孔主拱圈主要存在拱肋开裂、拱肋拱波结合部位渗水、拱波顺桥向裂缝和横系梁混凝土剥落等工程问题。病害分析 拱肋开裂病害分析如图为第孔主拱圈拱肋 处底面混凝土顺桥向开裂，钢筋有锈蚀现象，面积约 ，和 拱肋 处底面混凝土顺桥向开裂，混凝土剥落，剥落面积约 ，图中可以明显看出，拱肋内部混凝土保护层剥落，部分架立钢筋裸露于空气中，钢筋锈蚀严重，病害发生位置位于双曲拱桥拱肋下侧，双曲拱桥受力模式可以看出，拱肋在承担纵向连接的同时，也作为了横向拱波的拱脚，承受横向力作用，虽然横向张力相较于纵向轴力而言很小，但始终需要拱肋结构自身承担，在双向力的作用下，纵向拱肋很容易产生开裂，该工程案例中，拱肋顺桥像混凝土开裂发生在 拱肋 处，此拱肋正好位于桥梁最外侧，裂缝产生后，受外部雨水侵蚀作用，钢筋发生锈蚀，因此容易产生混凝土顺桥向的开裂和钢筋锈蚀的现象。另一方面，从拱肋的截面尺寸可以看出，双曲拱桥应用初期，为节省材料，主拱圈拱肋横向截面较小，该双曲拱桥拱肋宽度仅为 ，加之结构材料强度不足，尽管双曲拱桥在使用过程中能够第 期（总第 期）华东公路 （）年 月 日 满足承载力要求，但单独某一拱肋的承载能力是较弱的，从施工过程来看，双曲拱桥拱波施工往往是利用拱肋作为支架，拱肋完全承受了假设拱波时产生的应力，大多数双曲拱桥在施工工程中，拱肋就可能已经产生了细微裂缝，施工完成后，主拱圈往往是带裂缝工作，在使用过程中，经风吹雨打日积月累的承载，最终形成混凝土剥落的病害。图 拱肋顺桥向开裂和混凝土剥落 结合部位渗水病害分析如图 所示为 拱肋与拱波结合部位渗水病害，图中可以看出，在 肋拱与拱波结合处，肋拱出现明显水渍，并伴有泛碱现象，此病害在整个拱圈内部广泛分布，多出呈现泛碱发白现象。图 拱肋与拱波结合部位渗水泛碱双曲拱桥肋拱与拱波结合处的渗水泛碱现象几乎遍及全桥，且几乎所有双曲拱桥均存在相同问题，结构上双曲拱桥由四大构件装而成，分别为拱肋、拱板、拱波和横向联系，设计上双曲拱桥存在先天不足，从受力构建的组成可以看出，双曲拱桥将各构建连接形成一个整体，未便于吊装施工，构建尺寸都较小，因此组成双曲拱桥的构建数量很多，构件与构件之间通过接缝连接，接缝的广泛存在使得双曲拱桥的整体性很差，早年修建的双曲拱桥在结构接缝上的处理也较为薄弱，使用过程中，拱肋和拱波的受力模式不同，两者的受力方向的差异导致结构变形趋势不同，最终会在结构接缝处产生裂缝，因此，双曲拱桥使用过程中经常发生结合部位渗水病害。拱波裂缝病害分析如图 所示为、拱波 处顺桥向裂缝，长 ，宽 ，拱波的纵向裂缝大多出现在拱顶附近，顺桥向向两侧桥墩延伸，该病害在双曲拱桥中也极为常见，尤其是使用时间越长，拱波纵向裂缝开展越多，裂缝宽度和深度也越大，产生此病害的根本原因在于拱肋和拱波的受力模式：荷载作用下，拱肋受轴向压力，结构存在纵向变形，相邻拱肋在受力过程中的结构变形无法保证完全一致，车辆荷载直接作用的拱肋竖向变形较大，远离荷载的相邻拱肋竖向变形较小，相邻拱肋之间在荷载作用下产生相对位移差，而拱波正好以两相邻拱肋为拱脚支撑点，拱波两侧受力点产生位移差，其过程类似于独拱拱桥两侧桥台的不均匀沉降，最终导致拱波的拱顶位置产生顺桥向的拉裂裂缝。图 拱波顺桥向裂缝病害 横系梁混凝土剥落病害分析如图 所示为 拱波 横系梁混凝土有剥落，拱波处混凝土有渗水泛碱现象，横系梁是连接各拱肋 华东公路 年第 期的重要构建，是将其他构件连接成为一个整体的关键构建，图中可以看出，横系梁并未全桥贯通，所其的横向联系作用较弱，且结构尺寸较小，顺桥向刚度不足，很难起到全桥拱肋的荷载传递作用。因此在荷载作用，横系梁和拱肋之间会由于结构刚度的差异产生裂缝，并且在横系梁与拱肋、拱波连接处存在多条接缝，容易渗水腐蚀混凝土及钢筋，因此，双曲拱桥的横系梁很容易发生混凝土剥落病害。图 横系梁病害 主拱圈的监测评分及维护措施公路桥梁技术状况的检测采用目测与仪器相结合的方法，评定时按分层综合评定与单项指标控制相结合的方法进行技术状况等级评定。对标准中各构件检测指标的评定，是整个技术状况评定工作的关键和基础。然后依次计算构件、部件、上部结构（下部结构、桥面系）的技术状况，最后根据上部结构、下部结构、桥面系的技术状况计算全桥技术状况，以该双曲拱桥主拱圈为例，其评分结果如下：主拱圈部件评分值：（），其中为结构第 类部件的得分，值域为 分，为结构第 类部件各构件的得分平均值，本工程中为 ，为结构第 类部件中分值最低的构件得分值，本工程为 ，为随构件数量而变的系数，本工程中取 。计算结果显示该双曲拱桥主拱圈评分较低，工程中建议及时封闭拱波及拱肋顺桥向裂缝；处理拱肋混凝土泛碱腐蚀部位，对锈蚀钢筋除锈处理后，修复混凝土破损、剥落部位，并定期重点对拱肋 及 截面进行观测。结语本文以双曲拱桥主拱圈为研究对象，从结构受力模式和施工工艺角度分析了双曲拱桥拱圈病害的成因，并对其进行监测评分，得到以下结论：（）双曲拱桥由于结构设计缺陷，拱圈整体性差，荷载作用下容易产生结合部位渗水、拱肋拱波裂缝和横系梁破坏等病害。（）该双曲拱桥拱圈评分，评分较低，工程中建议采取封闭拱波及拱肋顺桥向裂缝；处理拱肋混凝土泛碱腐蚀部位等措施并定期重点对拱肋 及 截面进行观测。参考文献 许智星 基于静载试验的双曲拱桥腹拱开裂影响研究 福建建设科技，：周秀丽 双曲拱桥结构损伤后受力分析及加固设计方案研究 福建交通科技，：方卫国，夏至，朱纯海 双曲拱桥维修加固设计 江苏建筑，：李定伦，高建明，何增镇 双曲拱桥加固施工关键技术研究 西部交通科技，：马癑，李凌俊 双曲拱桥主拱圈病害分析及其加固方法的研究 山西建筑，：葛素娟，陈淮，董建华 双曲拱桥承载能力评估 河南科学，：年第 期杜含辰：双曲拱桥主拱圈构件病害成因分析研究