石拱桥裂缝病害机理模拟分析及检查要点

石拱桥具有造型优美、因地制宜、经济适用等优点。在上世纪8O年代左右，我国为支持地方经济的发展，在县道、乡道上修建了大量的石拱桥。经过近三十年的运营，不少石拱桥出现了病害，部分桥梁甚至成为了危桥，严重影响交通安全。而对这部分桥梁进行拆除重建是当地经济状况所不能承受的。因此，对该部分桥梁进行长期健康监控，并对已有病害桥梁进行加固改造很有必要。本文基于石拱桥在外观检查中所表现出来的常见裂缝病害，借助有限元模型计算分析病害的产生机理，总结外观检查结果同结构病害的关系，最后归纳了石拱桥的外观检查要点，为今后的检测设计工作提供参考。

　　1、石拱桥主要裂缝病害表现及机理分析

　　通过对大量的石拱桥进行外观检查，石拱桥的严重病害均出现在主拱圈上。作为主要承力结构的主拱圈一旦出现损坏，不但维修加固困难，而且影响石拱桥的承载能力和使用寿命。主拱圈的病害可分为裂缝、渗水、变形等，较严重的病害均以不同形式的裂缝为主，外观检查记录结果主要可分为以下两点：

　　（1）主拱圈横向裂缝。该病害主要出现在拱顶和拱脚位置，严重的可贯穿整个横断面。

　　（2）主拱圈纵向裂缝。该病害较为常见，一般在桥梁中轴线处从拱座发展到1／4跨位置处，或出现在拱顶处纵向发展；部分出现在横桥向1／4位置处。较严重的则贯穿整个主拱圈，将主拱圈拱桥分割为左、右两个部分。

　　引起裂缝的原因不同，则拱桥的加固和改造的方法不同。本文主要分析主拱圈的裂缝病害，介绍其特点和产生机理。以下分别分析部分常见病害机理所造成的裂缝特点。

　　（1）车辆超重

　　在自重作用和较小的荷载作用下，主拱圈的内力以轴力为主。近年来越来越多的载重汽车出现在乡道和省道上行驶，导致结构超负荷工作。当过大的荷载施加于跨中位置处时，跨中拱圈位置和拱脚位置将不可避免地出现较大弯矩，该作用是造成主拱圈拱顶和拱脚横向开裂的原因之一。图1为一石拱桥模型，主拱圈厚0．6m、跨径12m、矢高lOm的抛物线拱桥模型。当跨中受集中力作用时，可明显看出正弯矩分布区域为拱顶和拱脚处，由于拱脚轴向力较大，因此该荷载作用下，主拱圈拱顶易出现横向裂缝。

　　（2）拱脚水平位移

　　当一侧拱脚出现水平方向的均匀横向位移时，主拱圈弯矩分布如图2所示。该情况下若石料强度不足，主拱圈同样会在拱顶或拱脚出现明显的横向裂缝。一般睛况下，路堤向河道方向的滑移会造成拱脚截面的拱背出现明显裂缝；而路堤的抗推能力不足会造成拱顶截面的拱腹出现裂缝。因此，在准确判断出路堤状态的情况下，可初步判断出该病害的机理。

　　（3）基础均匀沉降

　　一侧拱脚出现均匀竖向沉降时，主拱圈将会在沉降一侧的半拱内产生正弯矩。该情况会造成横向裂缝出现在1／4跨位置。如图3所示。该类型病害一般为单侧拱脚竖向位移引起，对于中等跨径的桥梁外观检查中可辅以拱脚标高测量，对于小跨径拱桥需检查基础是否被流水掏空，即可分析出L／4处横向裂缝的产生原因。

　　（4）局部温度应力

　　当主拱圈所受作用关于中轴线不对称时，为准确把握主拱圈的受力状态，应采用空间分析计算方法。’对于一面靠山、一面临水的沿河流走向的石拱桥，由于靠山一侧温度较低，而沿河一侧由于受到日晒的影响而温度较高，主拱圈将产生较大的温度应力。现采用梁格法建立拱桥模型，对拱顶一侧施加一温度荷载。图4为主拱圈结构的内力分布，可明显发现拱顶横向联系出现较大的剪力，该剪力可能导致主拱圈出现纵向开裂。因此，对于长期存在局部日照的拱桥，主拱圈或在日照区域边缘产生纵向裂缝。

　　（5）基础非均匀沉降

　　当一侧拱脚基础出现非均匀沉降时，中部的横系梁将会出现较大剪力，如图5所示。该剪力可导致裂缝从拱脚处向拱顶开展，以至于出现贯穿半跨的纵向裂缝。对于中小跨径拱桥，单侧基础非均匀沉降主要由流水冲刷引起。