大跨度剛架拱橋裂縫病害機理研究

2022-09-23 08:07:24王志鵬

城市道橋與防洪 2022年9期

王志鵬

（廣州市交通設計研究院有限公司，廣東廣州 511430）

0 引言

剛架拱橋最早建成于20世紀70年代的無錫縣。該橋型借鑒了雙曲拱橋、桁架拱、肋拱和斜腿剛構(gòu)等橋型，具有受力合理、施工方便、節(jié)省材料和簡潔美觀的特點。1984年原交通部公路科學研究所和湖南省交通規(guī)劃勘測設計院聯(lián)合編制了《鋼筋混凝土剛架拱橋定型設計圖》，適用跨徑范圍為25～60 m，從而推廣了剛架拱橋在全國范圍內(nèi)的應用，各地陸續(xù)建造了多座剛架拱橋[1]。

剛架拱主體結(jié)構(gòu)由多片剛架拱片通過橫向連系連接成整體，然后在其上部鋪設預制橋面板，而預制橋面板又通過橋面整體化層連接。單片剛架拱包括主拱腿、斜撐、豎桿、上弦桿和實腹段等構(gòu)件，其中，各構(gòu)件節(jié)點處多采用剛接形式的現(xiàn)澆接頭。

當時結(jié)構(gòu)計算分析水平受限、規(guī)范中的汽車荷載標準較低以及過于追求經(jīng)濟性，使得結(jié)構(gòu)細部構(gòu)造上的尺寸選擇及配筋率偏小，加之主體結(jié)構(gòu)采用“集零為整”的預制拼裝施工方法，使得興建于上世紀八九十年代的剛架拱橋在進入本世紀后，重載交通下開始出現(xiàn)較嚴重的病害，需要經(jīng)常性的維修加固來維持使用性能，甚至于歷經(jīng)多次加固后，結(jié)構(gòu)病害發(fā)展仍然得不到控制，需通過限高限載措施維持運營或者對其進行拆除重建。

近些年來，針對剛架拱橋病害原因，學者們通過檢測、觀察和實驗等手段進行了歸納總結(jié)。劉洪瑞等通過對兩座剛架拱橋的病害分析，認為是整體剛度弱、橋面板強度低和節(jié)點連接弱造成剛架拱橋的病害[2]。陳宇新等對跨度50 m剛架拱橋的橋面板和拱肋節(jié)點病害進行了三維實體元分析，發(fā)現(xiàn)拱肋節(jié)點處在恒載、活載和溫度荷載下出現(xiàn)較大拉應力而出現(xiàn)裂縫，橋面板出現(xiàn)混凝土壓碎病害是因為設計的邊界條件為固結(jié)與實際的鉸接不符導致橋面板設計不安全，提出了加強節(jié)點構(gòu)造的加固方法[3]。劉云川等針對山東省的剛架拱橋病害進行了系統(tǒng)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)影響較大病害主要是節(jié)點裂縫、弦桿裂縫、橋面板穿孔開裂和橫系梁破壞，進一步分析發(fā)現(xiàn)病害原因是汽車超載和結(jié)構(gòu)整體性差，并提出了粘貼鋼板是比較可靠的加固方法[4]。鐘軍等對跨度25 m的剛架拱橋病害進行了檢測，發(fā)現(xiàn)主要病害是橋面板斷裂和次拱腿節(jié)點裂縫，認為是設計不足造成了此類病害發(fā)生[5]。史強等從結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體分析了剛架拱橋病害原因，認為設計、施工上的不足和節(jié)約材料造成了剛架拱橋的病害較多，并提出整體現(xiàn)澆的施工方法來解決此類橋型的病害[6]。李漪等針對60 m跨剛架拱橋?qū)嵏苟喂绊斬Q向裂縫進行了桿系元分析，認為是振動導致裂縫惡性循環(huán)不斷增大，使得結(jié)構(gòu)整體性不斷變差[7]。閔凡華等針對35 m跨剛架拱橋的弦桿斜向裂縫、節(jié)點U形裂縫和實腹段斜向裂縫進行了分析，認為是橫系梁連接薄弱導致結(jié)構(gòu)整體性差、單片剛架拱承擔的荷載較大[8]。

剛架拱橋的病害主要包括橋面板損壞、弦桿裂縫、節(jié)點處裂縫和實腹段裂縫。橋面板穿孔破壞是結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸不足引起的，不是僅靠增加配筋率能解決的；弦桿裂縫是因為豎桿、斜撐與弦桿固結(jié)，屬于超靜定結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件，在未設置預應力情況下，溫度等作用引起的次內(nèi)力使得弦桿開裂；大小節(jié)點裂縫是因裝配的節(jié)點強度未能達到設想的要求，在復雜應力狀態(tài)下開裂；實腹段斜裂縫是因為結(jié)構(gòu)整體性差，在活載作用下單片拱片受力較大，使得截面抗剪不足。

本文以廣州市增城區(qū)S256線江龍大橋80 m跨剛架拱為工程實例，通過對其進行病害分析及結(jié)構(gòu)建模計算來研究大跨度剛架拱橋的主要裂縫病害。

1 工程概況

江龍大橋位于廣東省道S256線上,跨越東江北干流河道,北接增城市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū),南接東莞市石碣鎮(zhèn),中心樁號為K69+432，小里程為三江方向，大里程為石碣方向。全橋由左、右雙幅橋并列組成雙向4車道,左幅為舊橋，1989年建成通車；右幅為新橋，1994年建成通車，兩座橋橋型相同；全橋長676 m，跨徑組合為1×15 m（漿砌實腹拱）+4×45 m（剛架拱）+4×80 m（剛架拱）+2×45 m（剛架拱）+1×15 m（漿砌實腹拱）。單幅剛架拱橋每孔由4片剛架拱片通過橫向聯(lián)系構(gòu)成，橋面板由肋腋板和懸臂板組成，橋面采用鋼纖維混凝土鋪裝。45 m跨與80 m跨的過渡銜接墩采用沉井基礎,其余均采用鉆孔灌注樁基礎，橋墩為鋼筋混凝土空心墩。設計荷載等級：汽車-20級，掛車-100。

該橋進行過3次維修加固。2006年針對舊橋和新橋的病害，舊橋評為2類橋，對其上部和下部結(jié)構(gòu)進行了大規(guī)模的維修加固，內(nèi)容包括裂縫修補、粘貼鋼板、粘貼碳纖維、更換構(gòu)件、增大構(gòu)件截面、樁基補強和更換橋面鋪裝等。2018年，對該橋橋面肋腋板進行了局部更換、粘貼碳纖維和砂漿修補加固。2019年，對橋面鋪裝損壞嚴重的橋跨進行了重做橋面鋪裝的維修。

2020年檢測發(fā)現(xiàn)，左幅和右幅橋梁的橋面板、橫向聯(lián)系和剛架拱片都存在結(jié)構(gòu)性病害。剛架拱片的病害包括主節(jié)點處裂縫、實腹段斜裂縫、次節(jié)點裂縫和上弦桿跨中裂縫；橋面板病害為跨中裂縫和端部穿孔破損；橫向聯(lián)系病害為跨中裂縫和露筋破損。根據(jù)最新檢測報告，80 m跨剛架拱的主要病害為結(jié)構(gòu)性裂縫，裂縫分布見圖1。

圖1 80 m跨剛架拱片裂縫分布示意圖（單位：cm）

2 有限元模型

2.1 桿系單元模型

采用橋博4.3建立江龍大橋80 m跨單個剛架拱片桿系單元模型，節(jié)點總計79個，單元總計78個。

材料強度按照無損檢測報告強度取值，邊界條件按照原設計假定的拱片在弦桿、豎桿和主、次拱腿處支座均為固結(jié)；根據(jù)檢測報告結(jié)論，剛架拱片的橫向聯(lián)系較弱，汽車活載橫向分布系數(shù)采用杠桿法計算，1#和4#拱片車道荷載橫向分布系數(shù)為0.6，2#和3#拱片橫向分布系數(shù)為1.2；考慮實際重載交通量情況，按公路-I級車道荷載加載；由于拱腳位移和溫度對該結(jié)構(gòu)形式的影響較復雜，并且根據(jù)檢測報告判斷結(jié)構(gòu)病害主要是重載引起的，本次計算暫不考慮拱腳位移和溫度。剛架拱的豎向剪力Q和豎向彎矩M包絡圖，見圖2和圖3。

圖2 豎向剪力Q（單位：kN）

圖3 豎向彎矩M（單位：kN·m）

剛架拱豎向剪力Q和豎向彎矩M包絡圖中，主節(jié)點處的彎矩和剪力均較大，受力復雜。根據(jù)剛架拱的施工圖，進一步按照截面實際配筋進行截面承載力計算，見圖4和圖5。

圖4 斜截面強度驗算（單位：kN）

圖5 正截面強度驗算（單位：kN·m）

剛架拱主節(jié)點處的斜截面和正截面強度驗算均超限，主節(jié)點處出現(xiàn)貫穿到頂部的彎剪斜裂縫；主拱腿與主節(jié)點相交位置處的底面正截面抗彎強度超限，底面出現(xiàn)受彎裂縫。

2.2 實體單元模型

綜合桿系模型分析結(jié)果，為進一步分析主節(jié)點附近的應力場，采用Midas Fea建立江龍大橋80 m跨單個剛架拱片實體單元模型，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和自由網(wǎng)格混合方式。約束條件：拱腳處均采用固結(jié)。2個加載工況：自重荷載+二期恒載；車道荷載。

各個荷載工況下實腹段處的最大主拉應力云圖，見圖6、圖7。