拱橋立柱蓋梁裂縫分析

李彥偉 趙福新 金文宏 朱春林

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

混凝土材料廣泛應用于各類結構中，包括橋梁工程?；炷敛牧嫌辛己玫哪途眯?、抗滲性、抗凍性和抗腐蝕性[1]，但也有很多缺陷，其有很強的抗壓性能，但受拉性能較差，這導致實際橋梁結構會產生各種各樣的裂縫，威脅橋梁結構的使用安全，成為混凝土橋梁結構的一個技術難題[2]。一部分寬度較小的裂縫并不會對橋梁運營產生威脅，但有較多的裂縫會在運營荷載及外界因素作用下快速發展，導致混凝土滲水、碳化剝落、內部鋼筋銹蝕等一系列威脅橋梁結構安全的病害[3]。因此，混凝土橋梁結構的裂縫問題應引起工程界廣泛關注，從設計、施工、運營養護各方面對混凝土橋梁裂縫的發展狀態予以監控[4]。

在各類型混凝土橋梁中，蓋梁都是橋梁結構重要的承重構件，更是裂縫的多發區[5]。本文以某拱橋為例，針對拱上立柱蓋梁的裂縫產生原因進行分析和總結。

1 工程概況

主橋凈跨180m無鉸推力式拱，主梁采用C40混凝土，蓋梁采用C30混凝土，全橋跨徑組合為20m簡支梁+凈跨180m拱+20m簡支梁，上部結構為預應力混凝土板梁，由9片板梁組成，寬12米，橋面板一般采用標準的13m后張預應力混凝土空心板，在拱腳處跨度為16m，兩側各設一孔20m后張預應力混凝土空心板梁與路基相接。橋臺采用U型臺，明挖擴大基礎，鋼管混凝土拱圈截面由橫啞鈴形桁式雙肋組成，拱上結構采用梁柱式，立柱采用鋼管混凝土，根據高度，立柱分別采用φ800×12mm和φ600×10mm鋼管，拱頂蓋梁與拱肋直接連接，蓋梁橫橋向寬11.76米，順橋向寬1.3 米，高1 米，立柱高1.78～26.4 米。公路等級為二級，設計速度40km/h，荷載為公路一級，橋梁的跨徑和橫向布置如圖1（a）、（b）所示。

圖1 橋梁結構布置圖

2 蓋梁裂縫狀態

根據檢測結果發現，雖然蓋梁的混凝土強度滿足要求，但蓋梁或多或少存在豎向裂縫，其中拱上立柱蓋梁的裂縫分布較多，長度介于0.10～0.57m，最大寬度為0.78mm，其中某蓋梁的裂縫分布位置及對應的鋼筋網布置圖如圖2所示。部分蓋梁混凝土表面存在水蝕劣化現象，主拱跨拱肋、橫向聯系、立柱鋼管內均存在脫空現象，多處邊板與限位擋塊抵死，存在一定的支座脫空和剪切變形。此外，在橋梁外觀檢測時發現，拱圈存在不同程度下撓，且各立柱下撓值存在差異，最大下撓12cm，最小3cm，設計要求最大偏差不超過6cm。立柱蓋梁裂縫是多因素作用的結果，目前來看尚不威脅橋梁安全，但隨著周圍環境各種因素的作用，或導致裂縫寬度不斷加大，是橋梁運營安全的一大隱患。

圖2 蓋梁部分裂縫分布及支座底部蓋梁鋼筋布置圖

經檢測發現，拱上2號立柱對應的蓋梁裂縫較多，同時，立柱最高，橫向聯系較多，相應地其蓋梁產生裂縫的影響因素也較多，因此以此立柱為例來分析本橋拱上立柱蓋梁裂縫的產生原因。

3 裂縫原因分析

3.1 有限元分析

裂縫的產生是多方面因素共同作用的結果，在裂縫發展初期應及時分析產生裂縫的主要原因，在后期養護階段予以重視，進行必要的加固，利用橋梁有限元計算軟件Midas/Civil對2號立柱蓋梁進行模擬計算，建立有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

針對本橋梁檢測結果，按照原設計進行計算，考慮設計荷載作用下對蓋梁受力進行驗算，同時考慮運營時各環境因素的作用，溫度變化按升溫20℃、降溫25℃計，拱圈沉降按照橫橋向作用立柱沉降不一致考慮，此處取1cm，從以下工況分析蓋梁的裂縫成因：1）工況一：恒載；2）工況二：恒載+活載；3）工況三：恒載+活載+溫度作用；4）工況四：恒載+活載+溫度作用+拱圈下撓。

按照原設計要求，蓋梁配置相應普通鋼筋，同時施加相應荷載，驗算結果表明：

1）工況一、二對應的荷載作用下，蓋梁的最大拉應力分別為0.5MPa、1.5MPa，而C30 混凝土的抗拉設計值為1.39MPa，活載單獨作用下的最大拉應力為1.3MPa，拉應力出現在蓋梁頂部，與圖2中所示裂縫現場檢測結果一致。按現場檢測和設計圖紙可初步判斷，裂縫原因可能是蓋梁頂部的突變位置出現應力集中導致，圖2支座下所布鋼筋網中的縱向鋼筋在蓋梁突變部位并未連續布置，出現斷開，這可能是導致此處拉應力超限、出現較多裂縫的原因。

2）工況三對應的荷載作用下，溫度升高20℃時，蓋梁的最大拉應力達7.6MPa，溫度單獨作用時，最大拉應力為7.4MPa，溫度降低25℃時，蓋梁的最大拉應力為1.9MPa，溫度單獨作用時，最大拉應力為1.7MPa，且都出現在與立柱連接的部位。在溫差變化較大時，立柱與蓋梁之間的連接會限制蓋梁的位移，導致立柱與蓋梁的連接不斷出現破壞，同時，在立柱與蓋梁之間的連接減弱時，由于蓋梁上的垃圾堆積，在溫度作用下，主梁的位移可能受限，對于邊梁，可能導致與擋塊抵死，甚至擋塊出現破壞，對于支座，會出現脫空或偏載導致的變形，由于支座的部分破壞，會減弱其應有的作用，后期進一步加劇蓋梁和主梁的裂縫發展，因此，在實際運營養護中應加強各作用因素的排查，在裂縫初步發展階段予以消除。

3）工況四對應的荷載作用下，考慮拱圈不均勻下撓1cm，溫度升高20℃時，蓋梁的最大拉應力達10.7MPa，溫度降低25℃時，蓋梁的最大拉應力為2.5MPa，拱圈下撓單獨作用時，最大拉應力為3.4MPa。對于拱圈的不均勻下撓，通常拱圈的剛度較大，且剛度分布差異較小，不會出現較大的撓度差，但是由于本橋梁立柱之間的聯系梁發生不同程度損壞，在溫度作用下可能在橫橋向兩立柱出現一定的下撓差，實際檢測時也發現上下右側拱圈的標高出現較大差異，因此在此處予以考慮，其單獨作用對蓋梁的破壞較大，和升溫作用共同作用時會明顯加劇蓋梁的裂縫發展，威脅橋梁的安全，在橋梁的定期檢查中應予以關注，對拱圈的撓度予以核查。

綜上，產生蓋梁裂縫的原因較多，對于蓋梁構造突變部位，設計上可能由于構造突變位置鋼筋網中縱向鋼筋未連續布置，而溫度作用對于蓋梁裂縫的產生也是主要因素。

3.2 其他因素分析

蓋梁橫橋向長11.76米，順橋向1.2米，蓋梁尺寸較大，施工采用高空現澆混凝土施工，難度較大，容易在施工中產生較多的微小裂縫，后期由于立柱脫空、水蝕及外界各因素作用，導致裂縫進一步擴大?，F場檢測發現部分裂縫可能形成較早，在施工過程中就已存在，施工中混凝土質量、配比及現澆過程等各種因素都會導致裂縫的產生。

綜合分析，本橋梁實際檢測結果為二類橋，蓋梁裂縫的產生是各因素共同作用的結果，后期的橋梁定期檢查和養護應予以重視，通過對裂縫進行填補、清除伸縮縫和蓋梁上的垃圾堆積、做好排水以防止蓋梁水蝕作用等手段來減緩裂縫的發展。

4 結論

1）經復算，除蓋梁構造突變位置的鋼筋布置不符合外，蓋梁設計滿足規范要求，裂縫的存在是多因素共同作用的結果，應對本橋梁其他立柱蓋梁進行檢測，并統計裂縫的發展狀況，采取相應的措施進行處治，避免裂縫的進一步發展，影響結構安全。

2）隨著橋梁設計標準的提高，舊橋在大交通量和超載作用下，病害較多，運營管理單位應加強養護檢查，關注裂縫發展狀況，并提出合理的處治方案。