拱橋常見病害及原因探討

1、拱橋常見病害及原因探討本文主要介紹了圬工拱橋、雙曲拱橋、箱形拱橋、肋拱橋、桁架拱橋、剛 架拱橋、鋼管混凝土拱橋、系桿拱橋、鋼拱橋等各類拱橋的常見病害，并對可能 產(chǎn)生的原因進行了探討。標(biāo)簽：拱橋；病害拱橋是我國公路和城市道路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式，外 形宏偉壯觀，經(jīng)久耐用。拱橋與梁橋不僅外形上不同，而且在受力性能上有著本 質(zhì)的區(qū)別。梁式橋梁在豎向荷載作用下，梁體內(nèi)主要產(chǎn)生彎矩，且在支承處僅產(chǎn) 生豎向支反力，而拱式橋梁在豎向荷載作用下，支承處不僅有豎向反力，還有水 平推力。由于這個水平推力，使拱體內(nèi)的彎矩大為減小。拱橋在全國橋梁中約占比重61%左右，特別在西部地區(qū)高達80%以上，而

2、 且拱橋的型式多樣，構(gòu)造各異，將拱橋按材料及結(jié)構(gòu)型式分為：石拱橋、雙曲拱 橋、鋼筋混凝土箱形拱橋、鋼筋混凝土肋拱橋、鋼筋混凝土桁架拱橋、鋼筋混凝 土剛架拱橋、鋼管混凝土拱橋、系桿拱橋、鋼拱橋。由于拱橋類型的多樣性，判 明各類拱橋的病害類別和成因就不可避免的成為運營養(yǎng)護中的技術(shù)難點。1、圬工拱橋圬工拱橋系石拱橋以及拱圈不配鋼筋的混凝土拱橋，跨越能力較小。我國圬 工拱橋數(shù)量巨大，特別是在石料豐富、山高谷深的西南山區(qū)，圬工拱橋占90% 以上。圬工拱橋結(jié)構(gòu)多以超靜定為主，受力相對復(fù)雜，承重結(jié)構(gòu)屬圬工材料，脆性 大，抗彎拉能力差，且容易受風(fēng)化、水蝕而削減強度。由于圬工拱橋修建年代久 遠，設(shè)計荷載普遍偏低

3、，再加上自然環(huán)境的侵蝕等影響，造成橋梁的損傷和局部 破壞。圬工拱橋常見病害主要包括：主拱圈及腹拱縱橫向裂縫、腹拱與拱上立柱 開裂、側(cè)墻開裂與外傾、拱圈屈曲變形、拱石脫落、拱圈滲水以及拱腳裂縫、變 形、缺角等病害。主拱圈橫向開裂。是圬工拱橋最常見到，也是最嚴重的病害。常見的橫向 開裂一般發(fā)生在拱頂區(qū)段，特點是沿砌縫開裂，貫通拱圈底面全寬，有兩條以上 裂縫，在封拱石一側(cè)或兩側(cè)，開裂后有部分砂漿脫落。裂縫形成主要原因是：主拱圈過??；砌縫材料強度過低；基礎(chǔ)沉陷，墩臺移 位；拱圈受力不對稱；拱軸線偏離壓力線。圬工拱橋縱向開裂。一般表現(xiàn)為由橋墩、臺豎向向上發(fā)展到拱圈，由跨中 向兩側(cè)發(fā)展，裂縫形成主要原因是

4、基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致拱圈橫向不均勻變形。側(cè)墻外鼓、開裂。因受側(cè)向力（凍脹、滲水壓力等）而導(dǎo)致外凸或與拱圈 連接界面的脫開和開裂。拱圈滲水。導(dǎo)致拱圈下緣白化，面層脫落。主要由于橋面防水失效，使積 水從橋面進入拱內(nèi)填料，最終由拱圈縫隙中滲出。滲水循環(huán)過程會帶走砌縫中可 溶鹽，使砌縫強度降低。2、雙曲拱橋20世紀60至70年代，雙曲拱橋在我國得到了普遍應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)特點是施 工中將拱橋化整為零，預(yù)制、組合拼裝與現(xiàn)澆混凝土相結(jié)合。由于計算時采用簡化的“內(nèi)力疊加法”，這種假定理論依據(jù)不足，算值偏于不 安全。限于當(dāng)時的條件，拱肋普遍采用較小的斷面尺寸，設(shè)計配筋率明顯偏低， 混凝土強度等級較低，導(dǎo)致拱肋設(shè)計強度

5、和剛度都普遍偏低。雙曲拱橋常見病害主要包括：拱肋開裂；拱波縱向開裂；拱肋與拱波接合面 開裂；橫系梁（橫隔板）開裂或脫落；拱頂下沉；側(cè)墻鼓脹外傾等。拱肋開裂或錯位。雙曲拱橋拱腳附近橫向裂縫由負彎矩引起，呈上寬下窄 形態(tài)，垂直于拱軸線向下延伸。拱頂附近橫向裂縫由正彎矩引起，呈下寬上窄形 態(tài)，沿豎直方向向上延伸。在偶然荷載，如地震荷載作用下可能會造成主拱肋在 接縫處橫向錯位，如漢中龍洞溝大橋在08年汶川地震后發(fā)現(xiàn)了此類病害，分析 與地震有關(guān)，橫向聯(lián)系偏弱造成。拱波開裂。拱波開裂常發(fā)生在拱圈較寬的雙曲拱中，位于拱波頂部。由于 填平式拱板剛度較大，在熱脹冷縮過程中限制拱波位移，使拱波頂部最不利截面 開裂

6、。拱肋與拱波接合面開裂。拱肋與拱波接合面開裂位置發(fā)生在拱腳是由于 肋、波之間的抗剪能力很弱，拱腳剪力較大；如開裂位置發(fā)生在拱頂主要是由于 肋波間產(chǎn)生了徑向拉力，而肋、波間抗拉能力很弱。3、鋼筋混凝土箱形拱橋根據(jù)已建成的箱形拱橋的資料，箱形拱的拱圈，一般由一個閉合箱（單室箱） 或由幾個閉合箱（多室）組成。箱形截面挖空率可達全截面的50%70%，與板 拱相比，可以大量地減少圬工體積，減輕重量，節(jié)省上、下部結(jié)構(gòu)的造價；與雙 曲拱橋相比，在相同的截面積下，可增大截面抵抗矩，且抗扭剛度更大，因而截 面經(jīng)濟、橫向整體性強、穩(wěn)定性好。鋼筋混凝土箱形拱橋常見病害主要包括：主拱圈橫向開裂、縱向開裂、斜向 開裂、

7、拱上建筑破損等。主拱圈拱頂橫向開裂。在主拱圈的拱頂處出現(xiàn)超限寬橫向裂縫，主要是由 于材料強度不夠，拱圈結(jié)構(gòu)難以承擔(dān)日益增長的橋面交通量及重載、超載車的作 用力，從而造成主拱圈橫向結(jié)構(gòu)裂縫。主拱圈縱向開裂。箱拱拱背出現(xiàn)縱向開裂，裂縫發(fā)生在主拱圈四分點至跨 中位置，裂縫橫向分布在各排架立柱之間，裂縫延伸至排架柱底梁并形成貫通裂 縫，有明顯滲水痕跡。分析該病害可能由施工過程中溫度應(yīng)力和收縮徐變所致，運營階段拱上排架 立柱的不均勻受力以及超限車輛的通行更加劇了病害的發(fā)展。主拱圈斜向開裂。裂縫從拱腳及墩臺外側(cè)處開始，向斜對角方向發(fā)展，主 要由于對向墩臺同側(cè)橫向下沉所致。拱上建筑損傷。拱上立柱混凝土出現(xiàn)破

8、損、裂縫病害；橫墻、側(cè)墻砌石中 等風(fēng)化，砌體灰縫脫落、局部外鼓等；拱上填料積水，引起拱上側(cè)墻鼓脹或脫離 開裂，拱圈局部損壞；引孔空心板存在縱向裂縫，同時伴有滲水泛白。4、鋼筋混凝土肋拱鋼筋混凝土肋拱橋由兩條或多條分離式的平行拱肋以及在拱肋上設(shè)置的立 柱和橫梁支撐的橋面系組成，具有拱肋重量輕、跨越能力大、橋型構(gòu)造簡單、造 價較低等優(yōu)點成為處理跨越“V”形、深“U”形河流、河谷的首選橋型。由于在設(shè) 計時，對結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造未考慮周全，對構(gòu)件的計算模型簡化和工況模擬不盡合 理以及部分工程在施工中質(zhì)量控制不嚴，養(yǎng)護及使用階段的檢測、維護管理不到 位；加之部分橋梁的設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低、運營時間較長、車輛荷載

9、日益重型化以 及汽車超載超速等各個方面的影響，相當(dāng)部分的橋梁上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)不同程度的出 現(xiàn)病害和損傷，危及橋梁使用的安全性、舒適性和結(jié)構(gòu)自身的美觀性、耐久性。鋼筋混凝土肋拱橋常見病害主要包括:結(jié)構(gòu)整體剛度弱、拱肋容易產(chǎn)生裂縫； 橋梁行車響聲大，振動感強烈，余振時間較長，且多呈三維空間振動；橋面橫向 裂縫較多，拱肋不對稱變形，拱上縱梁裂紋較多，橋面鋪裝及人行道系破損嚴重， 欄桿外傾及人行道、欄桿塊件掉落等。拱肋受力裂縫。拱肋裂縫主要表現(xiàn)為縱、橫向裂縫。橫向裂縫多布于拱腳、 拱跨中拱肋底部。多箱拱肋的各拱箱間有縱向裂縫。拱肋與橫系梁接頭等處混凝 土不密實，有局部露筋、空洞或空洞被黃泥堵塞等現(xiàn)象，表面

10、有蜂窩、麻面等表 觀質(zhì)量缺陷。分析病害原因主要因為拱肋剛度較弱，且拱肋的各拱箱間縱向接縫 混凝土不密實。拱肋間橫系梁連接不可靠，導(dǎo)致拱肋間橫向聯(lián)系較弱，拱肋在偏 載作用下不均勻變形明顯，產(chǎn)生受力裂縫。拱箱接頭裂縫。拱肋接縫處局部裂縫，接縫處鋼構(gòu)件嚴重銹蝕。個別橋梁 拱肋拼接上下錯位，安裝質(zhì)量差。分析原因為拱肋節(jié)段連接處澆注混凝土不密實 有孔隙和新舊混凝土接合不好，接縫處局部應(yīng)力過大產(chǎn)生裂縫。鋼筋長期受雨水和二氧化碳氣體侵入，產(chǎn)生銹蝕。拱上立柱開裂、破損。拱上立柱與箱肋、蓋梁結(jié)點處均存在不同程度開裂、 破損。邊孔立柱存在橫向、豎向裂縫，底部有豎向開裂。拱上建筑立柱蓋梁局部 存在破損、露筋、開裂等

11、病害。上述病害均與主拱肋豎向剛度和橫系梁剛度明顯 偏低，同時在車輛通行且重載通過時橋梁振動感強烈。另外立柱蓋梁混凝土澆筑 質(zhì)量差、鋼筋裸露，易受侵蝕，從而加劇了病害發(fā)展。橫系梁與拱肋連接處不密實。拱肋與橫系梁接頭處混凝土不密實，連接不 可靠，部分拱肋與橫系梁部位開裂，砼施工質(zhì)量差、蜂窩狀、破損并露筋銹蝕。 拼接處焊接鋼板外露、銹蝕。行車道板底板橫向裂縫。肋拱橋拱上建筑普遍采用立柱接蓋梁，同時上鋪 空心板作為行車道板的方式，多座同類型拱橋的檢測結(jié)果顯示，行車道板普遍出 現(xiàn)橫向裂縫。分析原因有：早期橋面板截面設(shè)計尺寸偏小、底板薄，保護層厚度不夠，施 工中底板混凝土振搗不密實，在超載、沖擊作用下易形

12、成縱、橫向裂縫及露筋； 橋面縱、橫向板間鉸縫施工質(zhì)量不易達到設(shè)計要求，造成板與板間的荷載橫向傳 遞不好，使單板受力增大。5、混凝土桁架拱橋鋼筋混凝土桁架拱橋由拱和桁架兩種結(jié)構(gòu)體系組合而成。特點是自重輕、整 體性強。在設(shè)計、施工及運營的過程中，受到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、施工量、建筑材料、交通 量增長、荷載噸位增大、偶然事故、養(yǎng)護質(zhì)量、環(huán)境污染侵蝕、河床沖刷或淤積 等因素的綜合影響，使得已建桁架拱橋結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件損壞、承載能力降低。對 于不同橋位處的桁架拱橋，所存在的主要病害各不相同，則要針對具體橋位處及 橋梁各部位的病害進行具體分析，查找病害發(fā)生的原因，以便進行客觀和科學(xué)的 評價。該橋型常見的病害有：下弦桿

13、拱腳處橫向裂縫；上弦桿端部結(jié)點裂縫；橫 系梁、橫拉桿、橫隔板豎向開裂；以及因橋臺位移而使拱橋上弦桿懸空；施工縫 處出現(xiàn)較大裂縫；拱片連接處混凝土斷裂或鋼筋接頭脫開；構(gòu)件斷裂；拱上建筑 如橋面系出現(xiàn)破壞等。下弦桿拱腳裂縫基本呈垂直狀，上寬下窄，主要原因是橋臺、墩基礎(chǔ)出現(xiàn)不 均勻沉降，使拱腳處出現(xiàn)豎向剪切應(yīng)力，導(dǎo)致拱腳下弦桿件出現(xiàn)裂縫。桁架式拱 橋上弦桿牛腿碎裂主要與橋臺相接處，伸縮量大，橋頭不平順等因素有關(guān)。實腹 段出現(xiàn)裂縫多為豎直裂縫，主要是截面較小，彎矩較大所致。豎桿濕接縫開裂主 要是因為豎桿不但受壓還承受彎矩作用，節(jié)點處薄弱，產(chǎn)生橫向開裂。6、鋼筋混凝土剛架拱橋鋼筋混凝土剛架拱橋是在雙曲拱

14、橋、桁架拱橋和斜腿剛架拱橋的基礎(chǔ)上發(fā)展 起來的，由主拱腿、實腹段、腹孔弦桿、斜撐和橫系梁等構(gòu)件拼組而成裸肋，然 后在其上安裝帶有加勁肋的微彎板和懸臂板，并通過現(xiàn)澆混凝土橋面與裸肋結(jié)成 整體組合結(jié)構(gòu)。該橋型具有自重輕、材料省、整體性能好、外形美觀、裝配化程 度高等優(yōu)點。該橋型主要病害特點為：主拱腿、次拱腿根部（拱腳處）、聯(lián)系梁上緣裂縫。剛架拱橋主拱片開裂 主要原因是墩臺發(fā)生位移；橫向剛度不足，單片拱受力增大；預(yù)拱度不足；收縮、 徐變、溫度的影響；超載。上弦桿、主節(jié)點、次節(jié)點結(jié)合部位裂縫。上弦桿、主節(jié)點、次節(jié)點結(jié)合部 位出現(xiàn)的裂縫具有一定的普遍性。由于結(jié)構(gòu)輕型，又是預(yù)制安裝，使得主拱肋、 微彎板、

15、混凝土填平層及橋面鋪裝四者之間的連接強度不足，橫向、縱向剛度均 弱，變形較大。在超載車作用下變形超標(biāo)，極易引起構(gòu)件開裂。橫向聯(lián)系梁損壞。橫向聯(lián)系梁起到橫向分布荷載的作用。橫系梁開裂主要 呈豎向的斷裂裂縫，主要原因是微彎板的側(cè)向水平推力作用，在超載荷載作用下 拱片豎向不均勻變形。微彎板裂縫、穿孔、斷裂甚至塌陷。此類裂縫主要發(fā)生在微彎板底面。微 彎板是剛架拱傳力的第一步，車輪荷載直接作用在微彎板上，形成集中力。超載 車增多，微彎板配筋較少，使得微彎板普遍損壞，出現(xiàn)縱裂、泛白。橋面裂縫。大部分裂縫屬于微彎板接縫開裂或板本身裂縫反射到橋面上， 形成有規(guī)則的縱、橫向網(wǎng)狀裂縫。同時，橋面負彎矩區(qū)也產(chǎn)生較嚴

16、重開裂。7、鋼管混凝土拱橋鋼管混凝土拱橋是將鋼管內(nèi)填充混凝土，由于鋼管的徑向約束而限制受壓混 凝土的膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。同 時鋼管兼有縱向主筋和橫向套箍的作用，同時可作為施工模板，方便混凝土澆筑， 施工過程中，鋼管可作為勁性承重骨架，其焊接工作簡單，吊裝重量輕，從而能 簡化施工工藝，縮短施工工期。由于鋼管混凝土拱橋的理論研究目前還相對滯后， 在鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工和檢查、測試和養(yǎng)護等領(lǐng)域，國內(nèi)外尚無正式的規(guī) 范，相關(guān)的理論方面的積累也極少，對此類橋梁的常規(guī)檢查和測試、橋梁運營狀 態(tài)評定尚處于起步階段。因此，早期興建的鋼管混凝土拱橋或多或少地存在設(shè)計

17、、 施工等方面的局限性，使得鋼管混凝土橋梁病害時有發(fā)生。此類橋型產(chǎn)生的主要 病害包括：管內(nèi)混凝土不密實。當(dāng)混凝土灌注不密實時，管內(nèi)將出現(xiàn)局部空洞，鋼管 混凝土各吉構(gòu)的極限承載力也將隨之降低。產(chǎn)生這種空洞的主要原因有:施工不當(dāng)， 造成管內(nèi)混凝土灌注不密實；混凝土收縮引起鋼管和混凝土之間出現(xiàn)縫隙。拱肋出現(xiàn)局部和環(huán)向凸出。全橋拱肋出現(xiàn)局部凸起和環(huán)向凸出，從拱腳至 拱頂逐漸由密集變得稀疏。主要原因為：由鋼管彎管時引起的皺褶。由于管壁厚 度不夠，在彎管時這種皺褶無法避免；由施工吊裝引起。施工吊裝時桿件的支撐 受力情況，往往和最后設(shè)計的狀況有差異；鋼管混凝土拱肋承載力不夠引起鋼管 壓彎屈曲。存在少量焊縫裂

18、縫。主要發(fā)生在拱肋鋼管和鋼管，鋼管和其他構(gòu)件之間有 少量裂縫存在，主要原因為：焊縫焊接質(zhì)量不達標(biāo)；由于振動引起疲勞裂紋。吊桿扭曲變形。吊桿在豎直面內(nèi)發(fā)生扭曲，主要由兩方面因素引起：施工 精度和拱肋位移所致；拱肋在活載作用下產(chǎn)生振動從而引起吊桿產(chǎn)生振動，形成 扭曲現(xiàn)象。其中整體剛度偏小是產(chǎn)生較大振動的原因之一。橫梁下吊桿錨固部位錨頭部位銹蝕。錨頭是吊桿中極其重要的部位，國內(nèi) 已有同類橋梁因吊桿橫梁下的錨頭松動而發(fā)生垮塌的事故。橫梁滲水是造成錨頭 銹蝕的重要原因之一。除此之外，地區(qū)的空氣污染，潮濕的大氣環(huán)境對加劇錨頭 銹蝕有一定程度的推動作用。吊桿套環(huán)、套筒銹蝕，吊桿與人行道接縫脫開。吊桿的套環(huán)、套筒長期暴 露在大氣中，由于雨水和大氣中酸性物質(zhì)的侵蝕，套環(huán)、套筒銹蝕嚴重。8、系桿拱橋系桿拱橋通過在系梁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，抵消拱肋推力，使橋墩（臺）無需承受 推力，可以像連續(xù)梁一般修建橋墩（臺），完美地解決了平原地區(qū)拱橋出現(xiàn)的問 題。系桿拱除在美觀上勝于普通梁橋外，造價上也有較大優(yōu)勢。系桿拱主梁建筑 高度可在跨徑的1/50左右，滿足通航要求前提下，可最大限度降低橋面標(biāo)高， 縮短引橋長度，節(jié)省工程造價。國內(nèi)交通設(shè)施中不少此類橋梁是早期建設(shè)，以節(jié)省為主，加上交通量增大， 車輛荷載加重及材料老化或施工質(zhì)量、設(shè)計等缺陷，使得橋梁產(chǎn)生病害，主要