拱桥立柱盖梁裂缝分析

李彦伟 赵福新 金文宏 朱春林

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

混凝土材料广泛应用于各类结构中，包括桥梁工程。混凝土材料有良好的耐久性、抗渗性、抗冻性和抗腐蚀性[1]，但也有很多缺陷，其有很强的抗压性能，但受拉性能较差，这导致实际桥梁结构会产生各种各样的裂缝，威胁桥梁结构的使用安全，成为混凝土桥梁结构的一个技术难题[2]。一部分宽度较小的裂缝并不会对桥梁运营产生威胁，但有较多的裂缝会在运营荷载及外界因素作用下快速发展，导致混凝土渗水、碳化剥落、内部钢筋锈蚀等一系列威胁桥梁结构安全的病害[3]。因此，混凝土桥梁结构的裂缝问题应引起工程界广泛关注，从设计、施工、运营养护各方面对混凝土桥梁裂缝的发展状态予以监控[4]。

在各类型混凝土桥梁中，盖梁都是桥梁结构重要的承重构件，更是裂缝的多发区[5]。本文以某拱桥为例，针对拱上立柱盖梁的裂缝产生原因进行分析和总结。

1 工程概况

主桥净跨180m无铰推力式拱，主梁采用C40混凝土，盖梁采用C30混凝土，全桥跨径组合为20m简支梁+净跨180m拱+20m简支梁，上部结构为预应力混凝土板梁，由9片板梁组成，宽12米，桥面板一般采用标准的13m后张预应力混凝土空心板，在拱脚处跨度为16m，两侧各设一孔20m后张预应力混凝土空心板梁与路基相接。桥台采用U型台，明挖扩大基础，钢管混凝土拱圈截面由横哑铃形桁式双肋组成，拱上结构采用梁柱式，立柱采用钢管混凝土，根据高度，立柱分别采用φ800×12mm和φ600×10mm钢管，拱顶盖梁与拱肋直接连接，盖梁横桥向宽11.76米，顺桥向宽1.3 米，高1 米，立柱高1.78～26.4 米。公路等级为二级，设计速度40km/h，荷载为公路一级，桥梁的跨径和横向布置如图1（a）、（b）所示。

图1 桥梁结构布置图

2 盖梁裂缝状态

根据检测结果发现，虽然盖梁的混凝土强度满足要求，但盖梁或多或少存在竖向裂缝，其中拱上立柱盖梁的裂缝分布较多，长度介于0.10～0.57m，最大宽度为0.78mm，其中某盖梁的裂缝分布位置及对应的钢筋网布置图如图2所示。部分盖梁混凝土表面存在水蚀劣化现象，主拱跨拱肋、横向联系、立柱钢管内均存在脱空现象，多处边板与限位挡块抵死，存在一定的支座脱空和剪切变形。此外，在桥梁外观检测时发现，拱圈存在不同程度下挠，且各立柱下挠值存在差异，最大下挠12cm，最小3cm，设计要求最大偏差不超过6cm。立柱盖梁裂缝是多因素作用的结果，目前来看尚不威胁桥梁安全，但随着周围环境各种因素的作用，或导致裂缝宽度不断加大，是桥梁运营安全的一大隐患。

图2 盖梁部分裂缝分布及支座底部盖梁钢筋布置图

经检测发现，拱上2号立柱对应的盖梁裂缝较多，同时，立柱最高，横向联系较多，相应地其盖梁产生裂缝的影响因素也较多，因此以此立柱为例来分析本桥拱上立柱盖梁裂缝的产生原因。

3 裂缝原因分析

3.1 有限元分析

裂缝的产生是多方面因素共同作用的结果，在裂缝发展初期应及时分析产生裂缝的主要原因，在后期养护阶段予以重视，进行必要的加固，利用桥梁有限元计算软件Midas/Civil对2号立柱盖梁进行模拟计算，建立有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

针对本桥梁检测结果，按照原设计进行计算，考虑设计荷载作用下对盖梁受力进行验算，同时考虑运营时各环境因素的作用，温度变化按升温20℃、降温25℃计，拱圈沉降按照横桥向作用立柱沉降不一致考虑，此处取1cm，从以下工况分析盖梁的裂缝成因：1）工况一：恒载；2）工况二：恒载+活载；3）工况三：恒载+活载+温度作用；4）工况四：恒载+活载+温度作用+拱圈下挠。

按照原设计要求，盖梁配置相应普通钢筋，同时施加相应荷载，验算结果表明：

1）工况一、二对应的荷载作用下，盖梁的最大拉应力分别为0.5MPa、1.5MPa，而C30 混凝土的抗拉设计值为1.39MPa，活载单独作用下的最大拉应力为1.3MPa，拉应力出现在盖梁顶部，与图2中所示裂缝现场检测结果一致。按现场检测和设计图纸可初步判断，裂缝原因可能是盖梁顶部的突变位置出现应力集中导致，图2支座下所布钢筋网中的纵向钢筋在盖梁突变部位并未连续布置，出现断开，这可能是导致此处拉应力超限、出现较多裂缝的原因。

2）工况三对应的荷载作用下，温度升高20℃时，盖梁的最大拉应力达7.6MPa，温度单独作用时，最大拉应力为7.4MPa，温度降低25℃时，盖梁的最大拉应力为1.9MPa，温度单独作用时，最大拉应力为1.7MPa，且都出现在与立柱连接的部位。在温差变化较大时，立柱与盖梁之间的连接会限制盖梁的位移，导致立柱与盖梁的连接不断出现破坏，同时，在立柱与盖梁之间的连接减弱时，由于盖梁上的垃圾堆积，在温度作用下，主梁的位移可能受限，对于边梁，可能导致与挡块抵死，甚至挡块出现破坏，对于支座，会出现脱空或偏载导致的变形，由于支座的部分破坏，会减弱其应有的作用，后期进一步加剧盖梁和主梁的裂缝发展，因此，在实际运营养护中应加强各作用因素的排查，在裂缝初步发展阶段予以消除。

3）工况四对应的荷载作用下，考虑拱圈不均匀下挠1cm，温度升高20℃时，盖梁的最大拉应力达10.7MPa，温度降低25℃时，盖梁的最大拉应力为2.5MPa，拱圈下挠单独作用时，最大拉应力为3.4MPa。对于拱圈的不均匀下挠，通常拱圈的刚度较大，且刚度分布差异较小，不会出现较大的挠度差，但是由于本桥梁立柱之间的联系梁发生不同程度损坏，在温度作用下可能在横桥向两立柱出现一定的下挠差，实际检测时也发现上下右侧拱圈的标高出现较大差异，因此在此处予以考虑，其单独作用对盖梁的破坏较大，和升温作用共同作用时会明显加剧盖梁的裂缝发展，威胁桥梁的安全，在桥梁的定期检查中应予以关注，对拱圈的挠度予以核查。

综上，产生盖梁裂缝的原因较多，对于盖梁构造突变部位，设计上可能由于构造突变位置钢筋网中纵向钢筋未连续布置，而温度作用对于盖梁裂缝的产生也是主要因素。

3.2 其他因素分析

盖梁横桥向长11.76米，顺桥向1.2米，盖梁尺寸较大，施工采用高空现浇混凝土施工，难度较大，容易在施工中产生较多的微小裂缝，后期由于立柱脱空、水蚀及外界各因素作用，导致裂缝进一步扩大。现场检测发现部分裂缝可能形成较早，在施工过程中就已存在，施工中混凝土质量、配比及现浇过程等各种因素都会导致裂缝的产生。

综合分析，本桥梁实际检测结果为二类桥，盖梁裂缝的产生是各因素共同作用的结果，后期的桥梁定期检查和养护应予以重视，通过对裂缝进行填补、清除伸缩缝和盖梁上的垃圾堆积、做好排水以防止盖梁水蚀作用等手段来减缓裂缝的发展。

4 结论

1）经复算，除盖梁构造突变位置的钢筋布置不符合外，盖梁设计满足规范要求，裂缝的存在是多因素共同作用的结果，应对本桥梁其他立柱盖梁进行检测，并统计裂缝的发展状况，采取相应的措施进行处治，避免裂缝的进一步发展，影响结构安全。

2）随着桥梁设计标准的提高，旧桥在大交通量和超载作用下，病害较多，运营管理单位应加强养护检查，关注裂缝发展状况，并提出合理的处治方案。