柔性吊杆拱桥拱座安全性病害特征及影响分析

曾祥春

（赣州城市投资控股集团有限责任公司，江西 赣州 341000）

0 引言

由于受到各种内、外因素错综复杂的交互影响，长期使用的桥梁结构内部会产生变异，导致承载力逐渐降低，再加上桥梁的锈蚀、老化、疲劳、破损等，给桥梁的正常使用埋下了隐患。影响因素主要包括设计标准、使用年限、投资数额、工程材料、外部环境、养护质量、交通量、作用荷载、偶然事故等。目前，我国大量20世纪90年代左右建造的吊杆拱桥，均出现了各种类型的病害，如吊杆索体病害、吊杆锚头病害、拱圈病害、拱座病害及其他构件病害。这些病害不仅使桥梁结构存在较大的安全隐患甚至有垮塌的风险，而且也对大桥的养护管理及设计维修提出了更高的要求。

本文结合柔性吊杆拱桥混凝土拱座的构造特点和受力特性，依托大量实桥的资料调研及深度检测结果，重点探讨了柔性吊杆拱桥拱座的安全性病害特征，并着重研究此类病害对拱座结构安全的影响，为此类桥梁的设计及养护管理提供一定的科学依据。

1 拱座安全性病害特征

拱座是拱桥特有的构件，将拱圈传递过来的上部结构荷载传至下部结构或系梁。由于拱座与拱圈、下部结构和系梁相连，其空间受力状态较复杂，大都采用大体积混凝土结构，连接处易产生较大局部应力，并且在基础沉降变形、温度和其他荷载作用下易产生拱座位移、混凝土开裂等影响拱桥安全性的病害[1]。

1.1 拱座位移

拱座位移的病害类型主要包括纵向水平位移和竖向位移。拱座位移主要由桥台水平推力不足或地基稳定性差等引起。拱座位移使桥跨相应增大，矢高减少，拱座向后倾斜、转动。拱座位移与纯粹的拱圈线形偏差病害不同，其使拱轴线产生不均匀变形和非对称的偏离，降低拱圈的稳定性。

1.2 拱座开裂

拱座由其受力的复杂性，大都采用钢筋混凝土结构。其主要承受来自拱肋的轴力、弯矩和剪力，并把荷载传至下部结构和系梁。大体积混凝土拱座在荷载效应下易产生结构性裂缝，特别是钢管混凝土拱肋的钢与混凝土结合面，易存在应力集中的现象，均对拱座运营的安全性产生影响。拱座开裂主要由拱座施工水化热、恒活载作用、温度变化、收缩徐变及地基不均匀沉降等引起。

根据实桥拱座的检测结果，拱座开裂的病害特征主要表现为：

（1）拱座顶面横向裂缝，一定间距分布，由弯剪效应产生；

（2）拱座与拱圈相交面上的放射型裂缝：该类裂缝主要存在钢管混凝土拱圈和钢拱圈中，裂缝易从交界位置向四周放射状开展，并扩展至拱座侧面，主要由弯剪效应和轴力效应共同产生；

（3）拱座顺桥向侧面竖向、斜向裂缝：该类裂缝主要出现在拱座侧面，沿竖、斜向开展，按一定间距分布，主要由轴力效应产生。拱座开裂在拱桥病害中较为常见，是拱桥结构重大安全隐患之一。

图1为拱座开裂病害特征的典型示意图。这些典型的拱座开裂病害可从侧面揭示拱座运营的开裂风险，为此类结构的设计、施工等提供数据支撑。

2 拱座位移的影响分析

拱座位移主要包括水平向外位移和竖向向下位移[2]，不同位移形式导致不同的拱轴线偏移，且拱圈的变形呈现非对称性。当拱座发生向外的水平位移时，矢跨比减少，拱圈变坦；当拱座发生向下的竖向位移时，拱圈的矢跨比没有明显的改变，但拱圈倾斜，对受力不利。

图2为拱座位移对拱圈承载能力的影响分析。由图可知：当拱座发生向外水平位移后，由于矢跨比降低，拱圈刚度和承载力近线性规律下降；当拱座存在竖向向下位移后，由于拱圈倾斜使加载不均匀，拱圈的刚度显著下降，承载力近线性规律下降。但是，拱座水平位移对拱圈承载力的影响更大。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）[3]规定，材料强度和承载力下降应按照“表4.1”的标度进行评判。可知：当拱座水平位移大小达45 mm（L/2 500，L为拱圈跨径）、竖向位移大小达50 mm（L/2 300）时，拱圈安全性能显著下降。

图1 拱座开裂病害特征典型示意图

图2 不同线形偏差情况下的拱圈承载能力

3 拱座开裂的影响分析

拱座主要承受拱圈截面传递的轴力和弯剪效应，由此类受力而产生的混凝土拱座裂缝为结构性裂缝，影响拱桥的安全性，但实际工程中因拱座混凝土本身收缩、水化热等原因存在表面非结构性裂缝，不会对结构安全性产生直接影响。一般而言，拱座除承受拱圈传递的荷载外，也承受一定的系梁预应力效应，但系梁预应力仅使拱座混凝土承受较小的均匀压应力，对拱座上部分混凝土的开裂应力基本无影响。因此，在进行拱座开裂的定量分析时，仅考虑其承受拱圈轴力和弯剪荷载的作用[4，5]。

图3为受拱圈轴力荷载作用时拱座混凝土的荷载-位移曲线。由图可知，在拱圈轴力荷载作用下，拱座共经历两次开裂过程，由于未考虑普通钢筋作用，最终呈现混凝土脆性拉裂破坏。图4为拱座混凝土在拱圈轴力荷载作用下的两次开裂过程数值模拟结果（图4中光点表示裂缝）。可知，第一次横向裂缝在拱座与系梁交界处圆弧倒角位置产生。第一次开裂后由于裂缝处应力的释放，最大拉应力位置下移，主要由系梁承受，因此第二次裂缝出现在拱座与系梁的连接处。

图3 轴力作用下拱座混凝土的荷载-位移曲线

由图5、图6可知，在弯剪荷载作用下，拱座混凝土共经历三次开裂过程。

（1）开裂前：弯剪效应下拱座最大主拉应力出现在拱圈上弦钢管出口处。

（2）第一次开裂（A点）：此时弯剪效应荷载为极限荷载（D点）的25%，裂缝位置出现在拱座的拱圈上弦钢管出口处，由于裂缝位置应力的释放，主拉应力最大位置转移至拱座的拱圈下弦钢管出口处。

（3）第二次开裂（B点）：此时弯剪效应荷载为极限荷载（D点）的50%，新增裂缝位置出现在拱圈下弦钢管出口处，由于裂缝位置应力的释放，主拉应力最大位置转移至拱座上部顶面处。

图4 轴力作用下拱座混凝土的两次开裂过程

图5 弯剪荷载作用下拱座混凝土的荷载-位移曲线

（4）第三次开裂（C点）：此时弯剪效应荷载为极限荷载（D点）的60%，新增裂缝位置出现在拱座上部顶面和侧面处，由于裂缝位置应力的释放，主拉应力最大位置由拱座的表面向内部转移。

（5）极限荷载（D点）：拱座上部顶面和侧面处的裂缝由表面向内部继续扩展，直到裂缝往下开展至拱座下部，最终破坏。

结合拱座开裂的病害特征及拱座混凝土开裂过程的定量分析可知：拱座顶面横向裂缝主要由弯剪效应产生，拱座位于拱圈出口处的放射型裂缝主要由弯剪效应和轴力效应共同产生，而拱座侧面的竖向、斜向裂缝则主要由轴力效应产生。一般而言，由弯剪效应产生的拱座裂缝危害更严重，因此，拱座顶面横向裂缝和拱圈附近的放射型裂缝对拱座安全性影响更大，在拱桥检测中应加以重视。

图6 弯剪荷载作用下拱座混凝土的三次开裂过程

4 结论

（1）拱座位移、开裂是拱座结构的主要退化风险。

（2）拱座位移主要表现为水平向外位移和竖向向下位移，拱座位移会导致拱圈刚度和承载力下降，且拱座水平位移比竖向位移影响更明显。

（3）拱座开裂主要表现为弯剪效应产生的顶面横向裂缝、弯剪和轴力效应共同产生的拱圈出口处放射型裂缝，以及轴力效应产生的拱座侧面竖向、斜向裂缝，拱座顶面横向裂缝和拱圈附近的放射型裂缝对拱座安全性影响更大，在拱桥检测中应加以重视。