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双曲拱桥的常见病害及原因分析

时间:2022-10-06 百科知识 版权反馈
【摘要】:究其原因,双曲拱桥的拱上填料大多采用沙砾,沙砾的强度足够,但当级配不当时难以压实,从而造成桥面铺装的刚度不一,引起桥面铺装的破坏。在调查中甚至还发现,有些双曲拱桥的填料含有淤泥,所以造成桥面的沉降和损坏也就不足为奇了。当双曲拱桥的墩台置于软土地基上时,由于基础结构形式或对基础处理不当,墩台发生过量的不均匀沉降和水平位移,导致主拱圈过大的变形与开裂。

双曲拱桥一方面存在着结构钢材用量少、横向联结能力及整体结构性能差等设计上的先天不足;另一方面,在施工中,拱肋大多是预制吊装,如安装不好,尺寸出现偏差,就会改变结构的受力体系,从而使结构强度存在问题;另外,拱肋是个细长杆件,在运输及起吊过程中容易损伤,也会造成桥梁承载能力的降低。在我国交通事业不断发展的今天,荷载等级不断提高,交通量日益增大,在这样的情况下运营,大多数双曲拱桥都会出现不同程度的病害,这些病害的产生影响了桥梁的承载能力,而且还在继续发展,严重影响桥梁的使用寿命。

第一,主拱肋病害。双曲拱桥的主拱圈虽然是组合截面,但大多数双曲拱桥的横向联系薄弱,整体性较差,容易开裂,真正起作用的是各根主拱肋,从这个角度来说,双曲拱桥其实算是拱肋的一种。

拱肋是双曲拱桥主拱圈的最重要组成部分,它和拱圈共同承受全部恒载和活载,是主要受力构件,虽然由拱肋、拱波、拱板共同构成的组合截面尺寸并不小,但由于双曲拱桥拱肋的截面过小,强度不足,因此,当其抗弯强度与刚度不足时,往往使桥梁的承载能力降低,同时也会引起其他构件的损坏。

由于历史的原因,以往双曲拱桥的设计过分强调节省材料,主拱圈截面采用了过小的截面尺寸、配筋与较低的混凝土标号,同时,双曲拱桥在设计理念上是化零为整,各部件混凝土浇筑的时间有先后,混凝土龄期相差较大,容易引起由于收缩、徐变及温度等原因形成的裂缝。在施工上,双曲拱桥多采用无支架施工,真正尺寸偏小的是拱肋,这是因为拱肋要承受自身重量外,还要承受架设拱波、拱板时所产生的应力,只有拱板浇注完成并达到一定强度后,方能共同承担拱上恒载及活载。由于拱肋先期应力累积太大,故较小截面尺寸的拱肋及很小的配筋使得拱圈正截面强度不足,这通常表现在拱圈(拱肋)挠度过大,轴线偏离设计轴线过大,拱肋压应力过大,拱肋中纵向钢筋直径偏小,箍筋间距偏大造成纵向钢筋失稳外鼓,特别是在锈蚀后更为严重,如图5-4所示。上述种种原因,导致双曲拱桥的拱肋出现大量病害。

图5-4 拱肋缺损露筋

第二,拱波病害。拱波裂缝主要是出现在拱波顶部沿拱轴线方向,对于早期的填平式拱板,出现裂缝主要是由于波顶为最弱截面,现浇混凝土厚度大、收缩大,容易因收缩而在波顶拉裂。当采用波型或折线型拱板时,可防止这种裂缝的出现。

横向联系不够是波顶出现纵向裂缝的另一个重要原因。当采用拉杆作为横向联系构件时,由于构件的刚度小,又易松动,往往因拱肋扭转及横向挠度过大而导致波顶纵向裂缝。如采用足够数量的横隔板或横系梁,增强截面的横向刚度,可对纵向裂缝起到较好的抑制作用。此外,拱波的线形也对裂缝的产生有影响,若拱波的线形较为平坦,则也容易出现拱顶段的纵向裂缝。拱波纵向裂缝如图5-5所示。

图5-5 拱波纵向裂缝并导致渗水

第三,横系梁病害。双曲拱桥拱肋中设置横向联系是很重要的,当拱肋间无横向联系时,在集中荷载(车辆荷载)作用下,各片拱肋的变形在横桥方向是很不均匀的,有横向联系的拱圈,各肋间的变形就比较均匀,而且,随着横向联系的加强,各肋间的变形就更趋于一致。由于横向联系的设立,单片的拱肋在横向联成整体,形成一个拱形框架,从而大大加强了拱肋的横向刚度,保证了拱肋的横向稳定性。

早期修建的双曲拱桥,横向联系较多采用横向拉杆,它由钢筋拉条穿过拱肋上预留的孔眼和混凝土套管组合而成。由于套管和拱肋不成整体,极易松动,对加强主拱圈的横向刚度作用不大。后来虽改用横系梁或横隔板,但也存在结构处理不当或刚度过小的问题,例如横系梁或横隔板在构造上不完整,即全桥横向不贯通;施工不当使横梁(隔板)横向多呈折线,钢筋的不连续,横向连贯处混凝土不密实;横系梁(隔板)尺寸太小,即纵向刚度小,整体上起不到横向传递荷载的作用,以及拱板中的横向钢筋或分布钢筋太小等。

双曲拱桥的横系梁一般尺寸较小,强度和刚度也相应较弱,与主拱肋连结处的抗剪能力也较小,当承受较大的外荷载作用时,会产生较大的内力和变形,导致横系梁开裂、脱落,无法有效地横向分配荷载,并引起拱肋的受力与变形不均匀,这也加剧了横系梁的病害产生。

横向联系还包括另一个重要部分,就是拱肋与拱波的联系,当拱肋中伸出的连贯钢筋数量不足时,拱波就将完全简支于拱肋上,致使结构的整体性减弱,当横向联系布置不够或强度不足而产生破坏时,将会使拱桥横向稳定性降低,使得主拱圈的整体性和刚度降低,车轮荷载横向传递受阻,各拱肋不能共同受力,这将导致拱波顶的纵向开裂、拱波与拱肋的脱离、横系梁(横隔板)在接头处断裂、各拱肋下挠不均等,如图5-6所示。

图5-6 横系梁与主拱肋连接处破损,混凝土剥落

第四,腹拱病害。腹拱的环向裂缝一般是因混凝土收缩、温度变化等引起的,主要是主拱圈的横向不均匀变形,使腹拱墩台发生不均匀下沉和位移变形而引起腹拱的纵向和横向开裂,其腹拱病害与其他圬工拱桥有类似和共同处。同时,部分腹拱由弧形预制块拼接而成,分块太多以及勾缝水泥砂浆标号过低,致使其整体性差,在载荷反复作用下产生砌缝砂浆脱落,形成空腹,进而出现渗水等病害,如图5-7所示。

还有一个重要原因是一些拱桥在设计时,不考虑拱上建筑对的拱圈影响,即结构上本应保证边腹孔具有较小的抗推刚度和适量的自由变形,但多数双曲拱桥在修建过程中并未设伸缩缝、变形缝或边腹孔的铰,或因设置不当而失去功能,这些都将引起腹拱圈和侧墙等的损坏。

图5-7 腹拱圈砌缝砂浆脱落、拱圈渗水

第五,桥面系病害。桥面系的病害与普通圬工或钢筋混凝土拱桥的病害类似,主要是栏杆的病害和桥面铺装的病害。图5-8为桥面栏杆侧倾,图5-9为路面破损,出现坑槽并积水,影响行车安全。坑槽的出现使得行车时容易出现车辆跳车,对桥梁有冲击作用,若不及时修补,病害会更加严重。

究其原因,双曲拱桥的拱上填料大多采用沙砾,沙砾的强度足够,但当级配不当时难以压实,从而造成桥面铺装的刚度不一,引起桥面铺装的破坏。在调查中甚至还发现,有些双曲拱桥的填料含有淤泥,所以造成桥面的沉降和损坏也就不足为奇了。

图5-8 栏杆侧倾

图5-9 桥面铺装破损积水

第六,基础处理不当。当双曲拱桥的墩台置于软土地基上时,由于基础结构形式或对基础处理不当,墩台发生过量的不均匀沉降和水平位移,导致主拱圈过大的变形与开裂。

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