摘要：石拱桥作为一种历史悠久的桥梁类型，在目前新建桥梁中使用相对较少，但在一些老桥中，尤其在我国华南、西南地区仍广泛存在，并且历经多年使用后，出现了不同程度的病害。其中斜石板拱桥因其结构受力特点，存在拱圈纵、横向开裂，侧墙外鼓等典型病害。本文针对某斜板拱桥出现的主拱圈纵向开裂及桥台竖向开裂病害，采用Midas Civil及Midas FEA有限元软件建立三维模型，对上、下部结构进行数值模拟，分析病害成因，据此提出有针对性的处治措施，并对加固后桥梁结构进行受力计算，对比加固前后结构受力变化，验证加固效果，为该桥的维修处治提供重要的理论依据，为同类型桥梁加固提供参考。
关键字：斜板拱桥 主拱圈纵向开裂 桥台竖向开裂 应力集中 三维有限元模型
1 引言
石板拱桥因其结构优美、取材方便、造价低廉、经久耐用等优点在我国桥梁历史中占有重要地位。随着我国交通事业的不断发展，新桥型、新材料的广泛使用，石板拱桥的建设数量逐渐减少。但是在我国华南、西南等地区，石板拱桥以其较好的受力特性、较高的性价比、较简单的建造技术目前仍在大范围使用。所以，石板拱桥的重要性不容忽视。由于大多数石板拱桥建设年代较早、使用年限较长，日久年深，很多构件出现了不同程度的病害。其中，斜石板拱桥，因其结构受力特点，主要存在主拱圈纵、横向开裂，侧墙外鼓等病害。目前对斜交拱桥的理论计算仍不成熟，现有简化计算方法对斜交拱桥的受力分析准确度较低【3】，大多时候难以与桥梁实际病害对应。
本文针对广东省某座斜石板拱桥进行三维有限元数值模拟分析，研究病害成因，并提出合理的维修加固措施。
桥梁概况：全长27.4米，跨径10米，桥面总宽12.5m，横向布置为0.5米（人行道+护栏）+11.5米（行车道）+0.5 米（人行道+护栏）。主拱圈为浆砌块石板拱构造，拱厚0.45米，矢跨比1/4，斜交角60度；
主要病害：该桥修建于2003年，在2009年主拱圈出现纵向贯通开裂，裂缝宽度由靠近1号台侧拱圈锐角侧拱脚向另一侧拱脚逐渐减小，并延伸至桥台前墙，同时前墙出现竖向开裂，裂缝宽度自拱脚向下端逐渐减小。
2 三维有限元数值模拟
2.1有限元模型
由于斜板拱桥受力较为复杂，用传统的杆系模型仅能模拟其纵向受力状态，无法考虑斜交桥的弯扭组合作用【3】，所以，为准确分析本桥上、下部结构的受力情况，本文采用Midas Civil有限元软件建立上部结构板单元模型，模拟主拱圈的受力状态，同时采用Midas FEA有限元软件建立下部结构实体单元模型，并导入上部结构计算结果，模拟桥台的受力状态。
2.2计算荷载与组合
根据该桥实际情况，本次对上部结构考虑恒载、活载及基础的不均匀沉降作用，桥台计算考虑本身恒载，主拱圈传递恒载及活载、台后土自重、土压力及台后活载引起的土压力。并对各个荷载进行组合。
2.3计算结果
1）主拱圈
分别对主拱圈0号桥台处截面、距0号桥台L/4处截面、拱顶处截面、距0号桥台3L/4截面及1号桥台处截面进行受力分析。根据斜交桥的受力特点，在桥梁平面上，钝角边与锐角边受力差异较大，因此为更加准确地研究斜交截面的受力状况，除对各个截面进行整体验算的基础上，本次还考虑对各关键截面的锐角边、钝角边及道路中心线处的局部截面受力状态进行研究，提取各截面最不利位置应力结果，应力结果如表2.3-1所示。
表2.3-1 主拱圈横桥向截面应力验算
注：表中符号拉应力为负，压应力为正。均取各个截面对应位置中的最不利应力。
根据表2.3-1计算结果，考虑基础不均匀沉降后，原结构0号台截面板顶，距0号台1L/4截面、拱顶、距0号台3L/4截面、1号台截面板顶及板底的拉应力均有增加，其中越靠近1号台位置拉应力增加越明显，1号台处拱脚截面板底拉应力最大，达到8.64MPa，已远超出了石材的拉应力限值，则认为随着基础不均匀沉降的增大，1号台拱脚截面先达到石材的拉应力限值，引起结构开裂。
2）桥台验算
根据桥台计算结果，提取在最不利荷载组合下桥台主应力，如图2.3-2所示。根据应力云图可知，在最不利荷载组合下，桥台最大横向拉应力出现在桥台钝角侧，且拉应力达到2.6MPa，超出了石材的拉应力限值，故由于桥台本身抗拉设计不足，在桥梁运营通车后，极易发生结构开裂。
3 病害成因分析
本文以三维有限元数值模拟结果及现有研究成果，结合斜板拱桥受力特点，对该桥纵向裂缝成因进行分析。从上部结构计算结果来看，若基础发生不均匀沉降，极易引起拱圈开裂，且拱脚先开裂，继而引发本桥中的向拱顶和墩台延伸的纵向、竖向开裂；从下部结构计算结果来看，斜桥桥台设计考虑欠缺，易在钝角侧前墙发生应力集中，产生较大拉应力，引起开裂。根据本桥实际情况，该桥未发现明显基础不均匀沉降，故认为该桥主要由于桥台设计考虑不足，钝角侧抗拉性能不足，在运营不久即发生开裂，同时结合桥面系病害，该桥在桥跨及1号台顶处桥面网裂下沉，分析为拱上及台后填料压实不足、渗水、下沉，导致桥面网裂下沉，且引发土体对侧墙及台身产生较大水平推力，进一步增加了台身在钝角侧的集中应力，加速了裂缝的产生和发展，最终延伸至主拱圈，作用在拱上侧墙的较大水平推力也同样对裂缝的发展起到了积极作用。
4 维修加固方案
通过对本桥主拱圈及台身裂缝成因分析研究，本文提出对该桥进行桥台新增框架梁的加固方案，其中分别提出台身内侧新增正交及斜交梁方案，如图4-1、4-2所示，即：1）凿除台后松散填料，对桥台台身沿倾斜方向新增4道混凝土横梁；2）垂直路线中心线方向新增8道混凝土横梁、一道纵梁，外侧新增一道台身倾斜方向混凝土横梁，横梁纵梁形成框架结构。本文对桥台的两种加固方案进行应力分析，分析结果见图4-1、4-2，根据应力结果，采用正交梁加固后台身最大应力为1.37Mpa，采用斜交梁加固后台身最大应力为1.17Mpa，两种方案加固后台身应力均明显减小，加固效果显著。综合考虑台身应力及施工难度，本桥最终采用斜交梁对桥台进行加固（即图4-1所示）。同时为解决桥面下沉及拱圈渗水病害，限制填土下沉对侧墙及桥台水平推力的增加，本次同时凿除重做拱上松散填料，回填素混凝土填料，新建20cm桥面板+10cm桥面铺装，重做桥面系。
图5.2.5-1 最不利作用下桥台横桥向应力云图
图4-1 斜交横梁最不利应力云图
图4-2 正交横梁最不利应力云图
图4-3 加固前后主拱圈承载能力安全储备对比情况
考虑到该桥建成年限较短即发生严重纵向开裂，本文同时对上部结构板拱加固前后进行纵向受力计算。文献【4】考虑了拱圈、拱上侧墙、填料的共同作用进行分析，认为这种共同作用对结构的承载力和稳定性是有利的。本文对主拱圈计算时未考虑拱上建筑对结构的加强作用，仅考虑主拱圈自身的抗力效应，拱上建筑作为恒载考虑。经过对图2.3-1所示石板拱主拱圈各个截面进行验算，加固前后板拱各个验算面承载能力均满足要求，提取各个截面最不利位置承载能力安全储备进行对比，如图4-3所示，可看出加固后由于填料恒载的增加及通过承载能力评定对结构受力的修正，主拱圈各个截面承载力安全储备随有所降低，但最小安全储备有1.2，且均满足规范要求。考虑到加固必要性及经济性，本次除对主拱圈裂缝封闭灌浆等局部修补外，未针对主拱圈纵向受力进行加固处治。
5 结语
当前对斜石板拱桥受力研究相对较少，且主要以杆系模型分析为主，文献【3】在现有分析理论的基础上提出实体模拟斜交拱桥的分析方法，可以更准确的模拟斜交拱桥的实际受力状态。本文以一斜石板拱桥工程实例，对主拱圈纵向及台身竖向裂缝成因分别采用有限元软件建立板单元及实体单元模型进行数值模拟分析。根据分析结果，得出引起本桥台身钝角侧竖向开裂的主要原因为台身设计考虑不足，结合桥梁桥面系病害，认为拱上及台后填料松散导致填料对侧墙及台身水平推力的增加也是台身及主拱圈裂缝产生以及发展的原因。针对以上成因，结合结构计算对比分析，提出了对桥台进行新增斜交梁的加固方案，并对拱上建筑进行加固改造，同时对加固效果进行了验算，加固效果良好。
文献【6】、【7】均对石拱桥提出了减载的加固改造理论，本次主要针对桥台进行加固，对拱上建筑改造后，无减载反而有所增加，但经过对主拱圈的纵向计算，承载能力满足要求，且未考虑拱上建筑的联合作用，故本次未对主拱圈进行相应承载能力的提高处治。在同类型桥梁加固设计过程中，考虑到不同桥梁情况差异，需充分考虑加固措施对桥梁结构各个部位的受力影响。
综上所述，结合现有研究成果【1】【2】，对于斜石板拱桥出现纵向开裂的因素有很多，主要有填料松散、基础不均匀沉、施工不当、设计考虑欠缺等原因，实际上病害的形成并不是单一的原因，而是多种作用的组合效应。加固时应针对各影响因子提出处治方案，同时还要分析加固方案对未加固部分原桥桥梁结构受力的影响，保证结构安全。
参考文献
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【2】王国华，石拱桥常见病害与技术改造【J】，广东交通职业技术学院学报，2005,4（2）:48-49,106.
【3】陈锐，斜交连孔拱桥的结构分析与加固技术研究【S】，华中科技大学，2007.
【4】张卫喜，吴艳红等，陆安(石拱)桥结构分析【J】，工业建筑，2008（38）:370-372
【5】JTJ 022-85，公路砖石及混凝土桥涵设计规范
【6】王鹏，周建庭，拱上恒载调整的石拱桥加固改造研究【J】，重庆交通学院学报，2006,6（25）增刊：12-15.
【7】高凯，周建庭等，小跨径实腹式石拱桥拱背加固减载法研究【J】，重庆交通大学学报（自然科学版），2013,9（32）增刊1:815-817,868.
作者简介：袁媛（1987-），女，内蒙古赤峰人，工程师，现任北京特希达交通勘察设计院项目负责人。
论文作者:袁媛,李庆择
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：拱圈论文; 桥台论文; 应力论文; 拱桥论文; 截面论文; 受力论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第14期论文;