钢筋混凝土肋拱桥典型病害及成因浅析

钢筋混凝土肋拱桥典型病害及成因浅析

摘要：

肋拱桥由两条或多条分离式的平行拱肋以及在拱肋上设置的立柱和横梁支撑的行车道部分组成。然而，早期建造的钢筋混凝土肋拱桥经过多年使用后，也凸现出一系列不同程度的病害。引起上述肋拱桥常见病害的原因是多方面的，包括自然环境影响、设计理论存在不足、施工过程质量控制不过关、超载运营等多方面的因素。

关键词：钢筋混凝土肋拱桥；病害；裂缝机理；

1预制阶段拱肋裂缝成因

拱肋在预制阶段主要是由于混凝土的收缩和温缩影响，导致箱壁表面出现细微开裂现象。初凝后混凝土体系逐步失去塑性，水泥石的骨架作用使水分消耗引起绝对体积的减少，以形成孔隙的形式得以补偿。毛细管壁的阻力超过水的表面张力，使毛细管水间断，混凝土内部也开始产生弯月面。此时水分不能从表面向内部迁移，故即使表面进行养护，水仍对内部无法起到养护作用。毛细管负压在混凝土内部产生应力场使混凝土收缩。由于混凝土表面处于受拉状态，而此时混凝土的抗拉强度又非常低，极易产生表面裂缝和管壁裂缝，如图1所示[1]。

图1 混凝土表面临界半径的形成与开裂示意图

混凝土的温度收缩裂缝是指混凝土内部结构组分分子间的距离随温度变化而产生体积收缩引起的裂缝。混凝土又是热的不良导体，在硬化初期，混凝土内部因温度很高而体积膨胀，外部随气温降低而收缩，形成温度梯度效应，这两种作用互相抵制，结果使混凝土外部产生很大的拉应力，当拉应力超过当时混凝土的极限抗拉强度时，混凝土外部就开裂出现收缩裂缝[2]。

假设在拱肋表面存在一长度为的边裂纹，如图2所示，拱肋在单向拉伸时的应力强度因子表达式，可从具有中心裂纹的“无限大”板单向拉伸作用下表达式经过修正求得。此时的应力强度因子的表达式为[3]：

式（2.1）

图2主拱圈表面裂纹

当拱肋由混凝土开裂而应力释放后形成的无应力状态转变为自重作用下的具有应力后，此时的应力强度因子由变为，从而导致拱箱肋的原有收缩或温缩裂缝的裂纹尖端的应力剧增。若此时的应力强度因子大于其临界应力强度因子，则裂纹将发生扩展，因此，拱肋裂缝会出现继续扩大的迹象。

2 施工装配阶段拱肋裂缝成因

（1）在施工阶段，影响肋拱桥裂缝开展的主要因素为拱轴线异变

成因分析：施工阶段，拱肋肋分段拼装时各段位置存在较大是施工误差，导致后来线形与设计的合理拱轴产生偏差；在后来运营阶段，混凝土由于自身的收缩徐变和外部环境及外加力的影响产生塑性变形，从而使拱轴线产生不可恢复的变形。

3运营阶段拱肋裂缝成因

（1）桥面板横置引发的病害

早期设计的部分钢筋混凝土肋拱桥，采用了桥面板横置形式。根据文献[4]所做的桥面铺装体系受力分析，如图3和图4所示。

图3 桥面铺装计算模型图4 桥面铺装体系计算

传统的设计概念是，桥面铺装不参与结构受力，设计时，只是根据经验进行受力钢筋的配置，而设计者一般从未对该设计的科学合理性进行充分的论证。但实际上在汽车荷载的作用下，桥面铺装是一个受力相对复杂的结构，而非传统认识上的结构类型。

1）由于桥面板横置，导致车辆在行进过程中，从桥梁面板的一段到达另一端的时候，桥面板产生受力突变，不能像纵置桥面板那样具有一个缓冲过程。

2）肋拱桥横置板施工时的纵梁和板的结合部一般采用砂浆垫层，施工中难

以达到设计垫平要求，有的砂浆强度和韧性不足，在桥面振动下脱落，从而形成多支点或支点脱空现象，使横置板受力不均，局部应力超过混凝土的抗拉极限强度，引起开裂。

3）桥面伸缩缝两边行车道板刚度较弱，超重超速车辆频繁冲击，造成桥面振动过大或伸缩缝处强烈振动，冲击作用过大，导致混凝土开裂。

4肋拱桥主要病害分析

（1）纵梁、立柱的连接部位出现开裂或破损的病害现象

钢筋混凝土排架一般都可以简化为细长杆件，在荷载作用下，特别是在汽车超重超限作用下，排架会发生如图5所示挠曲变形。

图5 一端固定，一端铰支情况下压杆屈曲图

当立柱上作用荷载时，立柱的横系梁位置将发生变形的变形量，根据文献[5]可知:

式（1）

按照式(1)，在中心压杆试验中，则多由于压力有初始偏心，或杆轴有厨师玩具，或材料不完全匀质，当压力作用后，挠度就开始产生。由于受到立柱挠曲变形的影响，横系梁将受到一定的拉应力作用，产生的拉应变，根据混凝土的应力应变关系可得横系梁的应力与应变成正比例，一旦随着的增长，当时，混凝土将抗拉能力不足而开裂破坏，横系梁形成环向裂缝。

（2）横向联系出现开裂或破损的病害现象

横系梁设计尺寸不合理，其强度、刚度及稳定性不够。目前结构理论计算重点按照拱结构理论进行内力、稳定、振动等分析肋拱桥，而对其横系梁的研究却存在不足，导致设计中横系梁的受力模式与实际工程有较大差异，最终造成横系梁尺寸设计不合理。

实际运营荷载超出设计荷载导致拱肋屈曲过大，导致横系梁开裂。随着经济社会的发展，交通量的不断增大，重车、超载超等现象愈加突出，导致部分肋拱拱肋混凝土超出其设计荷载等级，使横系梁上的荷载超过其所能承受的范围，从而导致横系梁开裂。

（3）拱肋与拱上立柱连接部分常出现开裂或破损等病害现象

连接构造处混凝土强度和刚度不够；且设计不合理，配筋不足。由于肋拱桥的拱上立柱是在拱肋建成之后再现浇而成，在连接上没有现浇固结的整体效果，因此在空间有限元模型分析中，一般将拱肋和拱上立柱的连接构造边界条件设置为铰接，这在一定程度上造成人们主观上的错误认识——拱肋与立柱的连接构造不重要，导致在计算方面强调的重点转变为立柱强度及刚度的验算，从而忽视了连接部位构造的重要性。对连接部位的配筋、尺寸等采用经验取值，导致了拱肋与拱上立柱的尺寸设计不合理、配筋不足，直接影响到连接部位混凝土的强度和刚度，造成连接部位混凝土破坏。

（4）立柱接头及横系梁病害

钢筋混凝土肋拱桥的高排架接头处外封混凝土或水泥砂浆，多有开裂情况产生。成因分析：钢筋混凝土肋拱桥的高排架，一般是由立柱和盖梁组成。立柱和盖梁的接头为湿接头，当对接现浇完成后，在接触位置将存在混凝土界面，影响混凝土的整体性能。在活载作用下，新老混凝土界面承受周期性疲劳荷载，长期作用下引起界面开裂，最终表现为接头处的外封混凝土和水泥砂浆开裂。

排架柱间所设横系梁，存在环向裂缝。成因分析：横系梁环向裂缝的产生，主要是由于伸缩变形受到约束引起的拉裂缝。

（5）立柱底垫梁竖向裂缝

立柱底垫梁裂缝多存在于柱间底垫梁侧面中部区段，有的裂缝延伸至底垫梁顶面。设计规范和设计水平问题；垫梁受力不均匀；车辆荷载疲劳作用。

（6）混凝土碳化、碱—骨料反应、酸侵蚀等

部分早期建造的肋拱桥出现混凝土碳化、碱—骨料反应、酸侵蚀等问题。成因分析：上述几种病害与混凝土自身的物理化学特性有关，病害的产生要受到气候条件、环境污染、酸碱反应等因素引起。

（7）拱座位移、开裂[6]

部分肋拱桥拱座处出现地基沉降，拱座产生水平和竖向位移以及倾斜转动，甚至开裂。拱座出现地基沉降，水平位移和竖向位移以及倾斜转动等主要是由于基础不坚固引起。对于拱座的开裂，一方面是由于拱座承受的荷载引起，另一方面是温度荷载引起。

5 结语

本文主要浅析钢筋混凝土肋拱桥的病害产生原因，并分析其对桥梁承载力和