曾祥春

（贛州城市投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000）

0 引言

由于受到各種內(nèi)、外因素錯(cuò)綜復(fù)雜的交互影響，長(zhǎng)期使用的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生變異，導(dǎo)致承載力逐漸降低，再加上橋梁的銹蝕、老化、疲勞、破損等，給橋梁的正常使用埋下了隱患。影響因素主要包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、使用年限、投資數(shù)額、工程材料、外部環(huán)境、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量、交通量、作用荷載、偶然事故等。目前，我國(guó)大量20世紀(jì)90年代左右建造的吊桿拱橋，均出現(xiàn)了各種類型的病害，如吊桿索體病害、吊桿錨頭病害、拱圈病害、拱座病害及其他構(gòu)件病害。這些病害不僅使橋梁結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患甚至有垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，而且也對(duì)大橋的養(yǎng)護(hù)管理及設(shè)計(jì)維修提出了更高的要求。

本文結(jié)合柔性吊桿拱橋混凝土拱座的構(gòu)造特點(diǎn)和受力特性，依托大量實(shí)橋的資料調(diào)研及深度檢測(cè)結(jié)果，重點(diǎn)探討了柔性吊桿拱橋拱座的安全性病害特征，并著重研究此類病害對(duì)拱座結(jié)構(gòu)安全的影響，為此類橋梁的設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 拱座安全性病害特征

拱座是拱橋特有的構(gòu)件，將拱圈傳遞過(guò)來(lái)的上部結(jié)構(gòu)荷載傳至下部結(jié)構(gòu)或系梁。由于拱座與拱圈、下部結(jié)構(gòu)和系梁相連，其空間受力狀態(tài)較復(fù)雜，大都采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)，連接處易產(chǎn)生較大局部應(yīng)力，并且在基礎(chǔ)沉降變形、溫度和其他荷載作用下易產(chǎn)生拱座位移、混凝土開(kāi)裂等影響拱橋安全性的病害[1]。

1.1 拱座位移

拱座位移的病害類型主要包括縱向水平位移和豎向位移。拱座位移主要由橋臺(tái)水平推力不足或地基穩(wěn)定性差等引起。拱座位移使橋跨相應(yīng)增大，矢高減少，拱座向后傾斜、轉(zhuǎn)動(dòng)。拱座位移與純粹的拱圈線形偏差病害不同，其使拱軸線產(chǎn)生不均勻變形和非對(duì)稱的偏離，降低拱圈的穩(wěn)定性。

1.2 拱座開(kāi)裂

拱座由其受力的復(fù)雜性，大都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其主要承受來(lái)自拱肋的軸力、彎矩和剪力，并把荷載傳至下部結(jié)構(gòu)和系梁。大體積混凝土拱座在荷載效應(yīng)下易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫，特別是鋼管混凝土拱肋的鋼與混凝土結(jié)合面，易存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，均對(duì)拱座運(yùn)營(yíng)的安全性產(chǎn)生影響。拱座開(kāi)裂主要由拱座施工水化熱、恒活載作用、溫度變化、收縮徐變及地基不均勻沉降等引起。

根據(jù)實(shí)橋拱座的檢測(cè)結(jié)果，拱座開(kāi)裂的病害特征主要表現(xiàn)為：

（1）拱座頂面橫向裂縫，一定間距分布，由彎剪效應(yīng)產(chǎn)生；

（2）拱座與拱圈相交面上的放射型裂縫：該類裂縫主要存在鋼管混凝土拱圈和鋼拱圈中，裂縫易從交界位置向四周放射狀開(kāi)展，并擴(kuò)展至拱座側(cè)面，主要由彎剪效應(yīng)和軸力效應(yīng)共同產(chǎn)生；

（3）拱座順橋向側(cè)面豎向、斜向裂縫：該類裂縫主要出現(xiàn)在拱座側(cè)面，沿豎、斜向開(kāi)展，按一定間距分布，主要由軸力效應(yīng)產(chǎn)生。拱座開(kāi)裂在拱橋病害中較為常見(jiàn)，是拱橋結(jié)構(gòu)重大安全隱患之一。

圖1為拱座開(kāi)裂病害特征的典型示意圖。這些典型的拱座開(kāi)裂病害可從側(cè)面揭示拱座運(yùn)營(yíng)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工等提供數(shù)據(jù)支撐。

2 拱座位移的影響分析

拱座位移主要包括水平向外位移和豎向向下位移[2]，不同位移形式導(dǎo)致不同的拱軸線偏移，且拱圈的變形呈現(xiàn)非對(duì)稱性。當(dāng)拱座發(fā)生向外的水平位移時(shí)，矢跨比減少，拱圈變坦；當(dāng)拱座發(fā)生向下的豎向位移時(shí)，拱圈的矢跨比沒(méi)有明顯的改變，但拱圈傾斜，對(duì)受力不利。

圖2為拱座位移對(duì)拱圈承載能力的影響分析。由圖可知：當(dāng)拱座發(fā)生向外水平位移后，由于矢跨比降低，拱圈剛度和承載力近線性規(guī)律下降；當(dāng)拱座存在豎向向下位移后，由于拱圈傾斜使加載不均勻，拱圈的剛度顯著下降，承載力近線性規(guī)律下降。但是，拱座水平位移對(duì)拱圈承載力的影響更大。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[3]規(guī)定，材料強(qiáng)度和承載力下降應(yīng)按照“表4.1”的標(biāo)度進(jìn)行評(píng)判?？芍寒?dāng)拱座水平位移大小達(dá)45 mm（L/2 500，L為拱圈跨徑）、豎向位移大小達(dá)50 mm（L/2 300）時(shí)，拱圈安全性能顯著下降。

圖1 拱座開(kāi)裂病害特征典型示意圖

圖2 不同線形偏差情況下的拱圈承載能力

3 拱座開(kāi)裂的影響分析

拱座主要承受拱圈截面?zhèn)鬟f的軸力和彎剪效應(yīng)，由此類受力而產(chǎn)生的混凝土拱座裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫，影響拱橋的安全性，但實(shí)際工程中因拱座混凝土本身收縮、水化熱等原因存在表面非結(jié)構(gòu)性裂縫，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生直接影響。一般而言，拱座除承受拱圈傳遞的荷載外，也承受一定的系梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，但系梁預(yù)應(yīng)力僅使拱座混凝土承受較小的均勻壓應(yīng)力，對(duì)拱座上部分混凝土的開(kāi)裂應(yīng)力基本無(wú)影響。因此，在進(jìn)行拱座開(kāi)裂的定量分析時(shí)，僅考慮其承受拱圈軸力和彎剪荷載的作用[4，5]。

圖3為受拱圈軸力荷載作用時(shí)拱座混凝土的荷載-位移曲線。由圖可知，在拱圈軸力荷載作用下，拱座共經(jīng)歷兩次開(kāi)裂過(guò)程，由于未考慮普通鋼筋作用，最終呈現(xiàn)混凝土脆性拉裂破壞。圖4為拱座混凝土在拱圈軸力荷載作用下的兩次開(kāi)裂過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果（圖4中光點(diǎn)表示裂縫）?？芍谝淮螜M向裂縫在拱座與系梁交界處圓弧倒角位置產(chǎn)生。第一次開(kāi)裂后由于裂縫處應(yīng)力的釋放，最大拉應(yīng)力位置下移，主要由系梁承受，因此第二次裂縫出現(xiàn)在拱座與系梁的連接處。

圖3 軸力作用下拱座混凝土的荷載-位移曲線

由圖5、圖6可知，在彎剪荷載作用下，拱座混凝土共經(jīng)歷三次開(kāi)裂過(guò)程。

（1）開(kāi)裂前：彎剪效應(yīng)下拱座最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱圈上弦鋼管出口處。

（2）第一次開(kāi)裂（A點(diǎn)）：此時(shí)彎剪效應(yīng)荷載為極限荷載（D點(diǎn)）的25%，裂縫位置出現(xiàn)在拱座的拱圈上弦鋼管出口處，由于裂縫位置應(yīng)力的釋放，主拉應(yīng)力最大位置轉(zhuǎn)移至拱座的拱圈下弦鋼管出口處。

（3）第二次開(kāi)裂（B點(diǎn)）：此時(shí)彎剪效應(yīng)荷載為極限荷載（D點(diǎn)）的50%，新增裂縫位置出現(xiàn)在拱圈下弦鋼管出口處，由于裂縫位置應(yīng)力的釋放，主拉應(yīng)力最大位置轉(zhuǎn)移至拱座上部頂面處。

圖4 軸力作用下拱座混凝土的兩次開(kāi)裂過(guò)程

圖5 彎剪荷載作用下拱座混凝土的荷載-位移曲線

（4）第三次開(kāi)裂（C點(diǎn)）：此時(shí)彎剪效應(yīng)荷載為極限荷載（D點(diǎn)）的60%，新增裂縫位置出現(xiàn)在拱座上部頂面和側(cè)面處，由于裂縫位置應(yīng)力的釋放，主拉應(yīng)力最大位置由拱座的表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

（5）極限荷載（D點(diǎn)）：拱座上部頂面和側(cè)面處的裂縫由表面向內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)展，直到裂縫往下開(kāi)展至拱座下部，最終破壞。

結(jié)合拱座開(kāi)裂的病害特征及拱座混凝土開(kāi)裂過(guò)程的定量分析可知：拱座頂面橫向裂縫主要由彎剪效應(yīng)產(chǎn)生，拱座位于拱圈出口處的放射型裂縫主要由彎剪效應(yīng)和軸力效應(yīng)共同產(chǎn)生，而拱座側(cè)面的豎向、斜向裂縫則主要由軸力效應(yīng)產(chǎn)生。一般而言，由彎剪效應(yīng)產(chǎn)生的拱座裂縫危害更嚴(yán)重，因此，拱座頂面橫向裂縫和拱圈附近的放射型裂縫對(duì)拱座安全性影響更大，在拱橋檢測(cè)中應(yīng)加以重視。

圖6 彎剪荷載作用下拱座混凝土的三次開(kāi)裂過(guò)程

4 結(jié)論

（1）拱座位移、開(kāi)裂是拱座結(jié)構(gòu)的主要退化風(fēng)險(xiǎn)。

（2）拱座位移主要表現(xiàn)為水平向外位移和豎向向下位移，拱座位移會(huì)導(dǎo)致拱圈剛度和承載力下降，且拱座水平位移比豎向位移影響更明顯。

（3）拱座開(kāi)裂主要表現(xiàn)為彎剪效應(yīng)產(chǎn)生的頂面橫向裂縫、彎剪和軸力效應(yīng)共同產(chǎn)生的拱圈出口處放射型裂縫，以及軸力效應(yīng)產(chǎn)生的拱座側(cè)面豎向、斜向裂縫，拱座頂面橫向裂縫和拱圈附近的放射型裂縫對(duì)拱座安全性影響更大，在拱橋檢測(cè)中應(yīng)加以重視。