双曲拱桥桥台受力裂缝成因分析及加固建议

李　晟

(岳阳市交通质量和安全监督管理局，湖南 岳阳　414000)



双曲拱桥桥台受力裂缝成因分析及加固建议

李晟

(岳阳市交通质量和安全监督管理局，湖南 岳阳414000)

双曲拱桥具有截面挖空率高，用材省，便于施工等优点，在特定的历史时期成为了我国一种主要桥梁结构形式，但由于其整体性和耐久性差，运营后双曲拱桥均出现了不同程度的病害。以某运营期间两侧桥台出现了受力裂缝的5孔连续双曲拱桥为工程背景，采用有限元软件ANSYS建立空间模型对该桥桥台腹拱圈桥台受力性能进行计算，分析腹拱圈桥台裂缝出现的成因，并结合现场检测及有限元分析结果提出加固设计建议，建议采用外包混凝土及张拉横向预应力钢筋的方式对桥台进行加固。计算分析及加固方法可为双曲拱桥的同类病害提供参考。

；双曲拱桥；裂缝；有限元；成因分析；加固方法

0　引言

双曲拱桥是1964年江苏省创造的一种新型拱桥。它的主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系构件几个部分组成[1，2]。双曲拱桥具有截面挖空率高，用材省，便于施工等优点，但同时也存在整体性与耐久性差的问题，据统计，全国共修建了双曲拱桥4 000余座。占同期(上世纪60年代中期至80年代中期)全国桥梁总数的1/4。目前双曲拱桥的使用年限一般为30 a左右，不同程度地出现了各种病害[3，4]，该桥型已基本淘汰。

双曲拱桥出现的主要病害包括：主拱肋受力开裂，露筋，拱波和拱肋间砌缝渗水，拱波顶部出现裂缝，横系梁破损，桥台出现裂缝等。文献[1，5～7]对双曲拱桥的病害及相应的对策进行了研究和总结。桥台提供的水平推力极大地影响拱桥的承载能力和稳定性，因此桥台位置出现受力裂缝需引起足够的重视。

本文以某运营期间两侧桥台出现了受力裂缝的5孔连续双曲拱桥为工程背景，采用有限元软件ANSYS建立空间模型对该桥桥台腹拱圈桥台受力性能进行计算，分析腹拱圈桥台裂缝出现的成因，并结合现场检测及有限元分析结果提出加固设计建议。

1　工程背景

研究的工程背景为某5孔连续双曲拱桥，始建于1973年。桥梁全长196.52 m，单孔净跨径33.24 m，净矢高5.54 m，矢跨比1/6，设计拱轴系数2.814，主拱肋截面尺寸：0.44 m×0.648 m，桥面宽度9.3 m，其中行车道宽度6.0 m，两侧人行道宽度1.65 m。桥梁上部结构为5孔连续混凝土双曲拱，下部结构为圬工重力式桥台，原设计荷载等级为汽-13、拖-60，属于Ⅲ类养护的城市桥梁。经过20多年的运营，该桥出现了较多的病害，于1994年依据85版桥梁规范按汽-20、挂-100进行了复核计算和加固补强。2008年依据04版规范按公路Ⅱ级汽车荷载进行了维修加固设计，将桥面拓宽为10.0 m，在东、西两头架设了14.2 m跨径连续板引桥。该桥现状见图1。

图1　桥梁立面图

2　桥台现状

该桥两侧台为重力式，其构造形式及尺寸如图2所示，图中虚线为原圬工砌石桥台，2007年对桥台进行加固处理，外包混凝土的厚度为20 cm，为便于引桥支座的布置将原梯形桥台加固成矩形桥台，加固后的顺向宽度为2.9 m，横桥向宽度为8.4 m，腹拱圈桥台的总高度为4.7 m。

图2　桥台构造尺寸图(单位；cm)

经检测发现：该桥0#桥台腹拱圈桥台南北两侧表面均出现斜裂缝，其中：南侧裂缝长度4.0 m，其起始于拱肋与桥台连接处，且裂缝竖向高度为3.23 m，其宽度在0.1～0.36 mm之间，与水平面的夹角约为50°；北侧裂缝长度4.5 m，其起始于拱肋与桥台连接处，宽度在0.1～0.2 mm之间，与水平面的夹角约为50°；5#桥台腹拱圈桥台南北两侧表面均出现水平裂缝，南侧裂缝起始于距桥台顶面4.05 m距桥台东侧0.65 m处，裂缝长度2.1 m，最大裂缝宽度0.2 mm，北侧裂缝起始于距桥台顶面4.03 m距桥台东侧0.65 m处，裂缝长度为2.1 m，最大裂缝宽度为0.25 mm，裂缝详细位置如图3所示。

图3　桥台裂缝(单位；mm)

3　成因分析

3.1有限元模型

为研究该桥桥台位置出现受力裂缝的原因，通过ANSYS建立空间实体模型对0#、5#桥台进行数值模拟精细化分析，有限元计算模型如图4所示。通过solid65模拟桥台砌石及混凝土单元，通过link8考虑加固混凝土中的钢筋[8-10]。数值分析模型中，加固前桥台的材料为圬工砌石弹性模量取6.0 GPa，泊松比取0.2；第1次加固时混凝土按C30考虑，弹性模量取30.0 GPa，泊松比取0.2。

图4　有限元分析模型

结合现场调查，数值模拟单元的边界按如下方式处理；①主拱圈桥台底部固结；②通过弹性支撑考虑主拱圈及腹拱圈桥台的土压力的作用，水平土压力的约束高度为1.5 m，如图5所示。出现水平裂缝的5#桥台与出现斜裂缝的0#桥台边界条件基本一致，仅有的区别在于由于5#桥台内侧人行道暂未修建，5#桥台未受到沿江人行通道土压力水平约束。

图5　有限元模型边界及加载示意

3.2分析结果

3.2.1出现斜裂缝的0#桥台

经现场检测，0#桥台裂缝为斜裂缝，与水平面呈现45°角，而且为受力贯穿裂缝，可能原因是0#桥台受到土压力的水平约束，在腹拱圈轴向力、剪力、弯矩及边跨简支板竖向反力的共同作用下，导致桥台剪应力过大，呈现剪切斜裂缝。裂缝成因示意图如图6所示。

图6　0#桥台裂缝成因示意图

最不利荷载组合下，ANSYS数值分析模型得到的该桥台的应力云图如图7所示，可以发现，最大主拉应力为2.0 MPa，最大剪应力为2.1 MPa。应力较大的位置与图3a、图3b中斜裂缝位置吻合良好。

a) 主拉应力 b) 剪应力

3.2.2出现水平裂缝的5#桥台

5#桥台裂缝为水平裂缝，导致其出现水平裂缝的主要原因是桥台位置桥面伸缩缝严重堵塞，使得新增引桥在温升或土压力作用下产生的水平推力无法释放，如图8所示，过大的水平推力P3使得桥台出现水平受力裂缝。

图8　5#桥台裂缝成因示意图

有限元模拟分析发现：当5#桥台顶部P3与P2的差值达到3 000 kN时，桥台将出现水平裂缝，此时，应力云图如9所示，主拉应力达到了2.1 MPa，超过混凝土抗拉强度标准值。

图9　5#桥台竖向应力云图

4　桥台维修加固方案

由于该桥桥台位置所出现的裂缝为受力裂缝，加固处理方案如下：

1) 及时清除0#桥台及5#桥台未知伸缩缝内杂物，使伸缩缝保持正常工作。

2) 清除原桥台表面的涂装，再通过“凿槽嵌补法”及“表面封闭法”对既有裂缝进行封闭处理。

3) 对于0#桥台出现的剪切裂缝，建议采用外包混凝土或张拉预应力钢筋的方式进行加固处理，外包混凝土加固示意图如图10a、图10b所示，加固设计时应重点考虑植筋、竖向钢筋深入主拱圈桥台、钢筋网与植筋钢筋可靠连接，外包混凝土主要在桥台南、北侧，建议加固厚度为每侧30 cm；张拉预应力钢筋加固的示意图如图10c所示，预应力钢筋可采用精轧螺纹钢，预应力钢筋至少布置2排，每排不宜小于4根，预应力钢筋加固后，应采用混凝土对预应力孔道及锚具进行封闭。

4) 对于5#桥台位置的水平裂缝建议采用外包混凝土的方式进行处理；加固设计时竖向钢筋深入主拱圈桥台。

图10　桥台加固示意图(单位；cm)

本文所述加固方案已通过了业主组织的专家评审，但该桥加固暂未实施，作者将及时跟踪该项目的进展，加固实施过程中对构件的应力、变形进行测量。

5　主要结论

1) 桥台出现斜裂缝的主要原因是由于土压力的约束，导致桥台在腹拱圈轴力、剪力以及引桥支座反力的共同作用下呈现剪切破坏。

2) 桥台出现水平裂缝的主要原因是由于桥台位置伸缩缝堵塞，引桥温升及土压力产生的水平荷载大于腹拱圈作用于桥台位置水平分力，导致桥台出现水平弯曲裂缝。

3) 由于该桥台位置裂缝为受力，且宽度较大对于 0#腹拱圈桥台出现的剪切裂缝，建议采用外包混凝土或张拉预应力钢筋的方式进行加固处理，加固后应进行质量检测 。

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2016-07-26

李晟(1980-)，男，工程师，主要从事公路工程质量监督管理及工程技术研究。

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