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。
2、石拱桥检查要点
将50座中小跨径石拱桥的裂缝病害现象及其机理汇总于表1，其中数据为病害现象和病害机理相符合的桥梁数量。其统计结果基本符合上述病害机理分析。此外，大多数病害桥梁均出现超载现象，因此对桥梁活载的控制对于保证桥梁使用寿命有积极意义。
通过以上分析可看出，引起主拱圈裂缝病害的原因较多，同一位置处裂缝的病害机理也是不同的。因此，正确把握引起裂缝的真正原因不仅能够提高外观检查效率，也能够在后期较好地对桥梁进行加固改造，保证其使用性能。对于石拱桥的外观检查，笔者总结了如下经验，供设计检测人员参考：
（1）拱顶出现横向裂缝，须查看地区周围有无大型生产基地，是否长期有重型车辆通过；其次检查路堤或河堤是否有滑移现象，拱脚处是否有横向变位。
（2）主拱圈1／4位置或其他位置出现横向裂缝，须查看拱脚基础是否有沉降，是否被流水掏空。
（3）主拱圈出现中轴线附近的纵向裂缝，须查看拱脚基础是否有非均匀沉降、部分基底有无被流水掏空；桥梁结构是否长期处于非均匀日照的位置。石拱桥的病害机理多种多样，以上仅为常见的病害及其原因，对于复杂的环境和病害特性仍需要具体研究。
3、结语
主拱圈的病害主要以横向裂缝和纵向裂缝为主，产生裂缝的具体原因不同，后期需要进行的加固改造设计不同。因此，需要在对石拱桥进行外观检查的同时，准确把握产生病害的原因。本文通过对石拱桥的病害机理分析，总结了产生主要裂缝病害的具体原因；通过对大量石拱桥的实际检查和模型分析，得出了相应结论，为更有效地开展检测和加固工作提供了一定理论依据和经验总结。
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