摘要：小跨径的空腹式石拱桥常见病害为主拱圈拱脚段纵向开裂，按拱桥结构整体设计计算时，均满足规范规定，不应出现此纵向裂缝。本文以midas civil软件对相同跨径不同宽度的石拱桥进行空间分析计算，分别得出计算结果。通过两者结果的对比分析，找出纵向开裂产生的内在原因，并以此作为病害处置的理论依据。
关键词：空腹式石拱桥；病害；原因分析；防治
1 概述
1.1 问题的提出
我市为山岭重丘区，山高谷深，适宜修建拱桥。上世纪八、九十年代修建了大量的石拱桥，宽度大部分为6～9m。进入21世纪后，随着国民经济的迅速发展，随后又修建了若干石拱桥，但宽度多数增加为12～16m，个别石拱桥宽度甚至达到20m以上。
早期修建的石拱桥，使用至今已经30～40年，后期修建的才10～20年。在大量的桥梁检测及桥梁病害调查中发现，早期修建的空腹式石拱桥，其主结构——主拱圈基本完好，但后期修建的中小跨径（20～30m）却出现较多的主拱圈纵向开裂现象，其纵向裂缝一般位于拱脚段沿拱轴线1-2m长度范围内，裂缝宽度不等，最大可达2mm以上。因此，这类桥梁被评定为4类桥梁，成为了危桥。
后期修建的石拱桥，使用年限短，设计荷载高（一般汽－20级以上），施工时采用C30小石子混凝土振捣砌缝，砌体质量得到了保障，不应过早地出现此类病害。反而是早期修建的石拱桥，使用年限长，设计荷载很低，施工时采用的砂浆砌体，存在砌缝不密实的现象，砌体质量不能保障，按理更容易出现此类病害。但事实恰恰相反，因此，本文就此类病害问题作详细的理论分析计算，由此找出问题关键所在，已利于病害的处理及防治。
1.2 病害原因分析方法
针对上述石拱桥主拱圈纵向开裂问题，本文选用25m空腹式石拱桥标准图进行分析计算。本标准图为四川省交通厅公路规划勘察设计院于上世纪八十年代编制的一套石拱桥标准图，我省各地普遍采用。对于上述病害问题，笔者初步认为是由于桥梁的宽跨比不恰当造成的，因此选用25m的较小跨径进行分析，因为其宽跨比的不恰当性表现更为突出，而在实际的桥梁病害调查中，也是20～30m跨径的宽石拱桥更多的出现此类病害。
常规的拱桥计算一般采用平面杆系对结构整体计算，只要主拱圈整体强度、稳定和刚度满足规范即可。但这样计算无法解释上述病害问题，因此，本文采用空间结构进行计算，选取拱圈宽度为7m和12m时的拱圈应力进行对比分析。
2 空间结构计算
2.1 计算软件
采用midas civil大型空间结构计算软件。
2.2 计算参数
标准图设计参数：净跨径25m，净矢高6.25m，拱圈厚度0.7m，拱轴系数3.142，为无铰拱；腹拱圈跨径3m，厚度0.3m；拱上填土厚度0.2m，桥面为水泥混凝土板，厚度0.2m。
材料：主拱圈采用C30小石子混凝土砌MU50块石；腹拱圈、横墙、侧墙等采用M10浆砌MU50块石；桥面为C30混凝土，拱腹填料采用卵石土。
荷载：公路—II级（JTG D60-2015），双车道。由于主要作横向分析，不考虑温度、收缩徐变等其它荷载作用，仅作汽车荷载组合计算。
2.3 空间结构建模
主拱圈采用板单元建立，纵向按沿拱轴线大约1m划分，横向按1m等分。这样，主拱圈就被划分为大致1m2左右的板单元结构，厚度0.7m。为建模简便，拱上横墙、腹拱圈等其它全部上部结构均采用与主拱圈相应的板单元建立，侧墙采用横向宽度0.75m的竖直板单元，拱腹填料与桥面单元释放板端M约束。成桥后模型如下图，单位：KN.m。
图中上方为12m宽、下方为7m宽石拱桥模型
2.4 计算结果
采用的荷载组合：1.2D+1.4M
（1）拱脚段纵向轴应力
由以上结果可以看出，7m宽的拱圈在拱脚段的横向7个单元产生的横向弯拉应力几乎一致，均在232～234kPa之间；12m宽的拱圈在拱脚段的横向12个单元产生的横向弯拉应力分布差异较大，从边板单元的262kPa至中轴线的348kPa。
3 病害原因分析
根据《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）表3.3.4-3，主拱圈材料为C30小石子混凝土砌MU50块石（齿缝），其弯曲抗拉设计强度ｆtmd＝290kPa。拱圈宽度为7m时，弯曲应力均小于290 kPa，仅达到砌体设计强度的80％左右，因此不易产生纵向开裂；拱圈宽度增加为12m时，弯曲应力最大达到348 kPa，超过砌体设计强度的20％左右，因此拱圈在此横向弯拉应力作用下，产生纵向开裂，且裂缝多数位于拱圈中轴线附近。
结论：宽跨比较大的主拱圈，由于拱脚段横向“跨中”产生较大的弯拉应力，超出砌体材料抗拉强度设计值，因此产生纵向开裂。
4 防治措施
根据病害原因分析，宽跨比较大的空腹式石拱桥主拱圈拱脚段容易产生纵向裂缝。对于已经产生裂缝的旧桥加固，可以在拱脚段外包一层钢筋混凝土套拱，抵抗横向弯拉应力；对于新建石拱桥，在设计阶段，可增加拱圈厚度，使其横向弯拉应力控制在设计强度范围之内；但对于较宽的石拱桥，比如宽度达到16m、20m以上，且跨径不是很大时，靠增加拱圈厚度的办法就显得较为困难且不经济。此时，建议将桥梁对称划分为左右两座，降低其横向弯拉应力，避免纵向开裂。
参考文献
[1]虞建成.系杆拱桥空间内力分析[J]；华东公路；1998年06期
[2]周建庭，刘思孟，李跃军.石拱桥加固改造技术.北京：人民交通出版社，2008年
[3]胡柏学，周建庭，徐海燕.石拱桥安全评估与加固改造技术.北京：人民交通出版社，2012年
论文作者:刘朝贵
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/15
标签：拱圈论文; 石拱桥论文; 病害论文; 纵向论文; 应力论文; 横向论文; 宽度论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;