博羅東江大橋主橋拱腳裂縫成因分析

(廣東和立土木工程有限公司 511430)

0 概述

博羅東江大橋位于廣東省博羅縣石灣鎮(zhèn)南端，橫跨東江水道，連接石灣鎮(zhèn)和東莞石排鎮(zhèn)，溝通廣汕公路與東惠公路的聯(lián)系，是該區(qū)域重要的交通樞紐。橋梁全長(zhǎng)1346米，其中主航道220米，輔航道220米，引橋906米。主航道和輔航道均采用60+100+60m系桿拱結(jié)構(gòu)，凈矢跨比為1/6（如圖0-1），東江江面引橋采用30米跨預(yù)應(yīng)力鋼筋砼簡(jiǎn)支T梁，在河灘或河面較窄處采用16米跨普通鋼筋砼簡(jiǎn)支T梁，跨徑組合為 8×16+30+（60+100+60）+10×30+（60+100+60）+3×30+3×16+9+16+9+17×16m。引橋下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，主橋過(guò)渡墩采用薄壁實(shí)心橋墩，主墩采用大懸臂空心墩。

該橋自1999年10月份建成通車以來(lái)，不斷遭受風(fēng)雨侵蝕和車輛通行的作用，特別是近年來(lái)交通量和重車的陡然增加，使得橋梁的病害有所發(fā)展，特別是主橋系桿拱的拱腳處出現(xiàn)了裂縫。

圖0-1 主橋（60+100+60）m系桿拱橋橋型布置圖

1 病害描述及成因分析

1.1 病害描述

博羅東江大橋第10～12跨、第23～25跨均采用60+100+60m系桿拱，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，縱橋向系桿箱梁整體狀況良好，無(wú)明顯開裂、破損等病害；縱橫梁及橋面板狀況良好，只是部分翼板位置局部出現(xiàn)砼破損、露筋現(xiàn)象；拱肋局部存在開裂的現(xiàn)象，多數(shù)裂縫集中在拱腳及拱座區(qū)域，并沿拱肋軸向開裂，裂縫最寬為0.2mm,長(zhǎng)度介于1～5.5m。如圖1-1所示。

圖1-1 拱腳裂縫示意圖

1.2 整體結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

為了解結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的力學(xué)狀態(tài)，找到病害產(chǎn)生的根本原因，需要在充分評(píng)估橋梁目前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整截面剛度、混凝土實(shí)際強(qiáng)度、實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載等相關(guān)參數(shù)后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于現(xiàn)狀的承載能力分析，驗(yàn)算按原設(shè)計(jì)規(guī)范（《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-89）及《公路鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023-85））進(jìn)行。

1.2.1 計(jì)算荷載

（1）汽車荷載：汽車-20級(jí)，掛車-100。

（2）二期恒載：原設(shè)計(jì)圖紙欄桿及其附屬設(shè)施、橋面鋪裝。橋面鋪裝為8cm厚水泥混凝土。

（3）溫度效應(yīng)：整體升降溫按20℃考慮；原荷載工況下非線性溫差按箱梁頂板5℃考慮，并考慮70%折減。

（4）不均沉降：10mm。

1.2.2 拱肋計(jì)算結(jié)果

按照《公路鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023-85）規(guī)范進(jìn)行荷載組合，拱肋的計(jì)算結(jié)果如下：

圖1-2 承載能力狀態(tài)下拱肋彎矩圖

圖1-3 承載能力狀態(tài)下拱肋軸力圖

經(jīng)計(jì)算分析可知，其中L/8處截面負(fù)彎矩遠(yuǎn)大于正彎矩，且拱肋截面頂板配筋較底板弱；L/4處截面正彎矩最大，因此這兩處截面由負(fù)彎矩控制承載力驗(yàn)算。

表 1-1 拱肋主要截面承載力驗(yàn)算表

由上表可以看拱肋截面基本都滿足承載力驗(yàn)算要求，但安全儲(chǔ)備較小，其中L/4處富余度僅有1%，拱腳處截面承載能力富裕值為2%。

2.3 拱腳局部受力分析

根據(jù)圣維南原理，建立拱腳處的實(shí)體模型進(jìn)行局部分析，施加的荷載從整體計(jì)算模型中提取，有限元模型如圖1-4：

圖1-4 拱腳局部模型

圖1-5 拱腳應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果顯示：拱腳在軸力、彎矩等共同作用下，均處在受壓狀態(tài)，最小壓應(yīng)力為0.55Mpa，出現(xiàn)在拱腳上緣區(qū)域；最大壓應(yīng)力為14.5Mpa，出現(xiàn)在拱腳下緣區(qū)域，如圖1-5所示。從分析結(jié)果可以看出，拱腳的受力滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.4 成因分析

綜合上述計(jì)算結(jié)果，拱腳處的受力滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求，裂縫產(chǎn)生的潛在因素為：（1）拱腳處混凝土體積較大，屬于大體積混凝土，水化熱問(wèn)題較為突出，若施工期間養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，容易產(chǎn)生裂縫；（2）拱腳節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造復(fù)雜，易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂；（3）原結(jié)構(gòu)拱腳處安全儲(chǔ)備較小，適應(yīng)車輛超載能力不足，在汽車交變荷載作用下而產(chǎn)生裂縫。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)有限元分析可以看出，拱腳處的受力滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但拱腳處承載力安全儲(chǔ)備較小，適應(yīng)車輛超載能力不足，因此建議采取限載措施確保結(jié)構(gòu)安全；

（2）鑒于拱肋為橋梁的主要受力構(gòu)建，建議建設(shè)單位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，適時(shí)開展加固工作，確保結(jié)構(gòu)安全。

[1]梁圣全，楊志軍，枝城長(zhǎng)江公鐵兩用大橋病害分析及維修加固方案[J].交通科技，2014（5）

[2]閆廣鵬，大跨徑鋼管混凝土拱橋拱腳應(yīng)力分析[J]，交通科技，2017（3）