石拱桥具有造型优美、因地制宜、经济适用等优点。在上世纪8O年代左右,我国为支持地方经济的发展,在县道、乡道上修建了大量的石拱桥。经过近三十年的运营,不少石拱桥出现了病害,部分桥梁甚至成为了危桥,严重影响交通安全。而对这部分桥梁进行拆除重建是当地经济状况所不能承受的。因此,对该部分桥梁进行长期健康监控,并对已有病害桥梁进行加固改造很有必要。本文基于石拱桥在外观检查中所表现出来的常见裂缝病害,借助有限元模型计算分析病害的产生机理,总结外观检查结果同结构病害的关系,最后归纳了石拱桥的外观检查要点,为今后的检测设计工作提供参考。
1、石拱桥主要裂缝病害表现及机理分析
通过对大量的石拱桥进行外观检查,石拱桥的严重病害均出现在主拱圈上。作为主要承力结构的主拱圈一旦出现损坏,不但维修加固困难,而且影响石拱桥的承载能力和使用寿命。主拱圈的病害可分为裂缝、渗水、变形等,较严重的病害均以不同形式的裂缝为主,外观检查记录结果主要可分为以下两点:
(1)主拱圈横向裂缝。该病害主要出现在拱顶和拱脚位置,严重的可贯穿整个横断面。
(2)主拱圈纵向裂缝。该病害较为常见,一般在桥梁中轴线处从拱座发展到1/4跨位置处,或出现在拱顶处纵向发展;部分出现在横桥向1/4位置处。较严重的则贯穿整个主拱圈,将主拱圈拱桥分割为左、右两个部分。
引起裂缝的原因不同,则拱桥的加固和改造的方法不同。本文主要分析主拱圈的裂缝病害,介绍其特点和产生机理。以下分别分析部分常见病害机理所造成的裂缝特点。
(1)车辆超重
在自重作用和较小的荷载作用下,主拱圈的内力以轴力为主。近年来越来越多的载重汽车出现在乡道和省道上行驶,导致结构超负荷工作。当过大的荷载施加于跨中位置处时,跨中拱圈位置和拱脚位置将不可避免地出现较大弯矩,该作用是造成主拱圈拱顶和拱脚横向开裂的原因之一。图1为一石拱桥模型,主拱圈厚0.6m、跨径12m、矢高lOm的抛物线拱桥模型。当跨中受集中力作用时,可明显看出正弯矩分布区域为拱顶和拱脚处,由于拱脚轴向力较大,因此该荷载作用下,主拱圈拱顶易出现横向裂缝。
(2)拱脚水平位移
当一侧拱脚出现水平方向的均匀横向位移时,主拱圈弯矩分布如图2所示。该情况下若石料强度不足,主拱圈同样会在拱顶或拱脚出现明显的横向裂缝。一般睛况下,路堤向河道方向的滑移会造成拱脚截面的拱背出现明显裂缝;而路堤的抗推能力不足会造成拱顶截面的拱腹出现裂缝。因此,在准确判断出路堤状态的情况下,可初步判断出该病害的机理。
(3)基础均匀沉降
一侧拱脚出现均匀竖向沉降时,主拱圈将会在沉降一侧的半拱内产生正弯矩。该情况会造成横向裂缝出现在1/4跨位置。如图3所示。该类型病害一般为单侧拱脚竖向位移引起,对于中等跨径的桥梁外观检查中可辅以拱脚标高测量,对于小跨径拱桥需检查基础是否被流水掏空,即可分析出L/4处横向裂缝的产生原因。
(4)局部温度应力
当主拱圈所受作用关于中轴线不对称时,为准确把握主拱圈的受力状态,应采用空间分析计算方法。’对于一面靠山、一面临水的沿河流走向的石拱桥,由于靠山一侧温度较低,而沿河一侧由于受到日晒的影响而温度较高,主拱圈将产生较大的温度应力。现采用梁格法建立拱桥模型,对拱顶一侧施加一温度荷载。图4为主拱圈结构的内力分布,可明显发现拱顶横向联系出现较大的剪力,该剪力可能导致主拱圈出现纵向开裂。因此,对于长期存在局部日照的拱桥,主拱圈或在日照区域边缘产生纵向裂缝。
(5)基础非均匀沉降
当一侧拱脚基础出现非均匀沉降时,中部的横系梁将会出现较大剪力,如图5所示。该剪力可导致裂缝从拱脚处向拱顶开展,以至于出现贯穿半跨的纵向裂缝。对于中小跨径拱桥,单侧基础非均匀沉降主要由流水冲刷引起。
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