石拱橋橫圈橫裂的成因分析

石拱橋橫圈橫裂的成因分析

該市的大部分主要道路都是在解放初期和中華人民共和國成立的，經(jīng)過多年的重建，形成了現(xiàn)有的道路。這些干線上的橋梁,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低,荷載等級低于現(xiàn)行的汽-20,掛-100的荷載等級;路線線形改善,加寬后,許多中、小橋是按線形需要采取老橋拼寬后使用至今,其承載力沒有得到相應(yīng)提高。由于承載能力較低,有些橋梁的設(shè)計又不盡合理,再加上施工質(zhì)量和使用養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)仍?使得橋梁結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了各種各樣的病害,其中一些病害已降低了原結(jié)構(gòu)的承載能力;而這些橋梁正處于帶病和超載狀態(tài)下使用,嚴(yán)重影響了正常的交通運輸,亟待進(jìn)行技術(shù)改造。為了掌握橋梁的技術(shù)現(xiàn)狀,配合現(xiàn)有橋梁技術(shù)改造,保障橋梁的合理管養(yǎng)和營運,我們對全市干線公路上的186座大、中、小橋進(jìn)行檢查,總結(jié)和分析。12橋梁施工的主要原因和影響1.1主拱的橫向破裂1結(jié)構(gòu)工程驗算結(jié)果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),開裂后有部位砂漿脫落,縫寬在小于1～5mm之間。針對其橫向開裂情況,對10余座石拱橋進(jìn)行了正截面強(qiáng)度驗算分析(按容應(yīng)力法和極限狀態(tài)法)。驗算結(jié)果表明,只考慮恒載和活載汽車-20級,有2/3的石拱橋內(nèi)力偏心距大于0.6y,截面上出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,承載能力達(dá)不到設(shè)計要求。這些石拱橋在使用后將會有橫向裂縫出現(xiàn)。另有1/3的橋其偏心距并沒有超過0.6y,拉力相對較小,理論上不應(yīng)開裂,但實際上其拱頂有橫向裂縫出現(xiàn),相反有些填土較厚的石拱橋,在恒載作用下就可能出現(xiàn)病害而影響應(yīng)用,實際上卻未發(fā)現(xiàn)有明顯可見的橫向裂縫?？梢?拱圈的橫向裂縫不完全是由荷載引起的,還與設(shè)計施工及結(jié)構(gòu)自身因素有關(guān)。通過綜合分析,圬工拱橋拱圈橫向開裂的原因,初步判斷有以下幾種:①墩臺位移;②基礎(chǔ)承載能力差,墩臺不均勻沉陷;③超載使用,或橋面加厚;④施工質(zhì)量差;⑤施工拱架的強(qiáng)度不夠,預(yù)拱度不足,造成拱軸線偏離,產(chǎn)生較大附加內(nèi)力。2鉸以上等重裂面產(chǎn)生裂解氣,影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性圬工拱橋一般是按無鉸拱設(shè)計的,如果拱圈出現(xiàn)橫向裂縫后發(fā)展到拱厚的一定深度,開裂面的抗彎慣矩將大大降低,相當(dāng)于形成鉸,改變了原結(jié)構(gòu)體系,同時內(nèi)力也發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。如出現(xiàn)多條橫向裂縫、形成三鉸以上時,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞?？梢?拱圈橫裂是拱橋最嚴(yán)重的病害。1.2主圈坍塌的縱向破裂1斜橋受力分析通過綜合分析,病害的主要原因有:①拱上側(cè)土壓力的作用。②結(jié)構(gòu)本身的特殊受力因素,如彎橋受離心力作用,斜橋的鈍角與銳角部分受彎受扭相差較大。③橫截面剛度不均勻,相應(yīng)變形不均勻,在荷載作用下,中間拱寬段變形大,下緣因拉應(yīng)力較大而開裂,形成縱向裂縫。④拱上側(cè)墻與橋臺側(cè)墻連為一體,在較大的側(cè)土壓力作用下,橋臺發(fā)生側(cè)向受力變形。⑤墩臺的不均勻下沉開裂。2縱向裂縫破壞歸納縱向開裂的原因,主要有:①結(jié)構(gòu)本身的橫向抗力差;②外界的一種或幾種不利的橫向力過大,當(dāng)超過拱圈橫向抵抗強(qiáng)度則導(dǎo)致縱向開裂破壞。拱圈產(chǎn)生縱向裂縫后,結(jié)構(gòu)的整體性被破壞,縱縫兩側(cè)拱圈的受力、變形不均勻,局部部位的內(nèi)力將增大。由于縱縫使橫向受力性能減弱,在橫向力增大的情況下,縱縫將繼續(xù)發(fā)展,最終會導(dǎo)致完全無橫向的共同作用,降低拱橋的承載能力。而拱頭石開裂后,不能參與主拱承受活載,拱圈截面積減少,內(nèi)力增大;若開裂嚴(yán)重而形成分離后,則類似一條肋拱,在偏載或橫向力作用下,外側(cè)將因失穩(wěn)而倒塌,并牽連拱上建筑損壞,及至結(jié)構(gòu)不能使用。1.3側(cè)墻損壞1后側(cè)墻與拱圈結(jié)合面脫裂和水平開裂①側(cè)墻豎向開裂。常見于L/4附近。由于側(cè)墻與橋臺翼墻或側(cè)墻之間未留變形縫,變形不一致引起。②側(cè)墻與拱圈的結(jié)合面脫裂和水平開裂。由拱上側(cè)墻與臺后側(cè)墻之間未留變形縫且砌筑質(zhì)量不好引起。③側(cè)墻外凸。由于砌筑質(zhì)量差,抗推穩(wěn)定性不夠,在側(cè)土壓力下形成外凸。2降低原拱圈的擊穿能力,降低了原拱圈的擊穿由于實腹拱的拱上側(cè)墻有參與主拱共同受力的作用,側(cè)墻出現(xiàn)較嚴(yán)重的病害后,一方面降低了原拱圈的超載潛力;另一方面直接造成側(cè)墻本身的破壞并牽連橋面系破壞。1.4墩臺豎裂產(chǎn)生的原因1)墩臺的病害形式較多,有前墻豎裂,側(cè)(翼)墻開裂,錯動,均勻沉陷,墩臺位移等。在國道207線上約有1/4的石拱橋橋臺前墻發(fā)現(xiàn)豎向裂縫。引起墩臺豎裂的因素有以下幾種:①較大的拱腳反力。②基礎(chǔ)不均勻下沉。③與主拱圈縱向開裂有關(guān)。2)墩臺豎裂使結(jié)構(gòu)整體性受到破壞,整體受力性能降低。橋臺前墻開裂及墩臺變形,對上部結(jié)構(gòu)的使用影響極大,需考慮對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。2主要原因及影響t形梁橋2.1主梁開裂1t形梁橋施工中的問題①超載使用。因原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)較低,達(dá)不到使用要求;另外,設(shè)計上橫向聯(lián)系普遍薄弱,降低了活載的橫向分配,使單根梁受力增大,也造成超載。②鋼筋與砼之間的粘結(jié)性能差。多數(shù)開裂嚴(yán)重的T形梁橋的主筋均采用Ⅰ級光圓鋼筋綁扎骨架,就地澆筑。③施工質(zhì)量差以及砼強(qiáng)度低于設(shè)計值。④附加內(nèi)力過大。由于支座約束,墩臺沉降、梁軸線扭曲等產(chǎn)生過大的附加內(nèi)力。2進(jìn)入鋼筋的特性①結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)裂縫后,空氣中的腐蝕性氣體進(jìn)入,使梁內(nèi)鋼筋銹蝕,影響結(jié)構(gòu)的耐久性。②對截面強(qiáng)度有削弱的病害裂縫,發(fā)生在控制設(shè)計斷面附近,將使結(jié)構(gòu)承載力降低。2.2條梁體的結(jié)構(gòu)1)所檢T形梁橋,橫向聯(lián)系的橫隔板,大多都出現(xiàn)裂縫,主要發(fā)生在橫隔梁中部。原因主要有以下幾種:①橫梁受力較大而設(shè)計強(qiáng)度不夠;②主梁剛度差,存在病害,增大了橫梁受力;③構(gòu)造鋼筋較少,混凝土質(zhì)量差,強(qiáng)度低;④混凝土收縮,溫度變化產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力。2)病害對原結(jié)構(gòu)的影響。橫梁開裂后,截面慣矩削弱很大,橫梁剛度降低,單根主梁受力增大,降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。3縱向裂縫產(chǎn)生原因縱向開裂是整體式板橋的一種普遍病害。裂縫寬度在0.2～2mm之間,開裂位置居于板寬約1/3處或1/2處。通過結(jié)構(gòu)計算和分析,筆者認(rèn)為產(chǎn)生縱向裂縫的原因有以下幾種:①與寬跨比有關(guān),小跨徑整體板橋的橋?qū)捯话悴簧儆?m,寬跨比大于1。整體板受力為雙向受力狀態(tài),且橫向內(nèi)力較大,應(yīng)按雙向受力設(shè)計。②荷載的偏載作用。③支承不平整和墩臺不均勻變形下沉。④溫度變化和混凝土收縮的影響?？v向裂縫出現(xiàn)后,裂縫截面的剛度明顯降低;對荷載的橫向分配的影響較大。4雙曲拱橋結(jié)構(gòu)病害出在環(huán)由于雙曲拱橋在設(shè)計理論、施工方法上存在一些問題,加之養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?致使雙曲拱橋出現(xiàn)了一些必然的結(jié)構(gòu)病害,其中以拱波開裂,拱肋與拱波結(jié)合面開裂,腹拱圈開裂等現(xiàn)象較為普遍。4.1拱波縱裂的疾病1引起拱波開裂的因素拱波縱裂部位一般在波頂,開裂范圍主要在L/4～3L/4拱跨區(qū)段。引起拱波開裂主要因素有以下幾種:①拱圈的橫向聯(lián)系內(nèi)有較大的內(nèi)力。②橫向聯(lián)系設(shè)計薄弱,拱波參與橫向分配傳力作用較大。③拱圈各單元受力不均勻,變形相應(yīng)不均勻,引起拱波開裂。④拱波預(yù)制質(zhì)量差,砼強(qiáng)度低。21疾病影響原始結(jié)構(gòu)由于在主拱圈結(jié)構(gòu)中,拱波在縱、橫向都受力,拱波出現(xiàn)病害后,將降低主拱圈的承載能力。4.2拱及其結(jié)合面的破裂1正彎矩控制設(shè)計我市早期修建的部分雙曲拱橋,其主拱圈的拱肋使用矩形截面,這類截面的拱肋與拱波結(jié)合面為通縫,結(jié)合面較小且主要用砂漿砌筑連接,在拱頂區(qū)段是正彎矩控制設(shè)計。該結(jié)合面位于受拉區(qū),拱圈受力與曲梁受力相似,在拱肋承受拉應(yīng)力時,在拱肋外弧出現(xiàn)法向拉應(yīng)力,法向拉應(yīng)力較大時,使結(jié)合面開裂。除此之外,還有如下因素:①結(jié)合面上較大的法向拉應(yīng)力或較大的剪應(yīng)力。②參與橫向分配荷載而受力。③拱圈單元變形不均勻而受扭。④由于肋、波、板混凝土的齡期差,強(qiáng)度差,溫度差等,出現(xiàn)收縮而產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。⑤施工質(zhì)量差,砂漿不飽滿,強(qiáng)度低,一旦有較小的應(yīng)力作用就易開裂。2拱肋與拱板的結(jié)合面開裂拱波縱裂,結(jié)合面開裂后,拱波在結(jié)構(gòu)中受力作用就很小。另外,結(jié)合面開裂后,使拱肋與拱板的結(jié)合面減小,結(jié)合面應(yīng)力進(jìn)一步增大;病害繼續(xù)發(fā)展,勢必造成結(jié)合面全部開裂,成為僅靠鋼筋上下連接的迭合拱受力,承載能力將大大降低。4.3腹部拱門破裂1未設(shè)鉸的邊腹拱破裂產(chǎn)生的原因腹拱圈開裂病害:主要有腹拱橫向和環(huán)向開裂,以橫向開裂最為嚴(yán)重,各腹拱大多數(shù)有橫向縫。在結(jié)構(gòu)上,腹拱多為砼板拱,多孔構(gòu)成連拱,沒有按主拱變形的需要設(shè)鉸,或只設(shè)了簡易鉸,但卻起不到鉸的作用。在使用過程中,由于荷載作用,溫度變化主拱變形,砼收縮等作用,使腹拱內(nèi)產(chǎn)生了較大的內(nèi)力而引起開裂;未設(shè)鉸的邊腹拱的開裂尤其嚴(yán)重,有些成斷裂后出現(xiàn)錯動,已達(dá)破壞程度。腹拱的環(huán)向開裂一般是因砼收縮,溫度變化等引起,主要是主拱橫向不均勻變形,使腹拱墩臺發(fā)生不均勻下沉和位移變形而引起腹拱的環(huán)向開裂,相當(dāng)于圬工拱橋的縱向開裂病害。2拱上構(gòu)造的發(fā)揮腹拱本身作為連拱,是一個多跨小拱橋,同時作為大、中跨徑拱橋的拱上構(gòu)造,其完好程度不僅與小跨拱橋的使用要求相同,還牽涉主拱的正常使用,反映主拱的病害程度。4.4其他疾病1加固橋面,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在使用養(yǎng)護(hù)過程中,有些雙曲拱因橋面翻修、修補等,特別是水泥混凝土硬化橋面,不同程度地加厚了橋面,使恒載加大,造成主拱圈各截面內(nèi)力增大,降低了原結(jié)構(gòu)的承載能力。2墩臺使用的影響一類為墩臺本身的結(jié)構(gòu)病害,如墩臺拱座豎裂,側(cè)(翼)墻開裂,外傾等。主要是影響墩臺的使用;另一類病害如墩臺