石拱橋具有造型優(yōu)美、因地制宜、經(jīng)濟適用等優(yōu)點。在上世紀8O年代左右，我國為支持地方經(jīng)濟的發(fā)展，在縣道、鄉(xiāng)道上修建了大量的石拱橋。經(jīng)過近三十年的運營，不少石拱橋出現(xiàn)了病害，部分橋梁甚至成為了危橋，嚴重影響交通安全。而對這部分橋梁進行拆除重建是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟狀況所不能承受的。因此，對該部分橋梁進行長期健康監(jiān)控，并對已有病害橋梁進行加固改造很有必要。本文基于石拱橋在外觀檢查中所表現(xiàn)出來的常見裂縫病害，借助有限元模型計算分析病害的產(chǎn)生機理，總結(jié)外觀檢查結(jié)果同結(jié)構(gòu)病害的關(guān)系，最后歸納了石拱橋的外觀檢查要點，為今后的檢測設(shè)計工作提供參考。
1、石拱橋主要裂縫病害表現(xiàn)及機理分析
通過對大量的石拱橋進行外觀檢查，石拱橋的嚴重病害均出現(xiàn)在主拱圈上。作為主要承力結(jié)構(gòu)的主拱圈一旦出現(xiàn)損壞，不但維修加固困難，而且影響石拱橋的承載能力和使用壽命。主拱圈的病害可分為裂縫、滲水、變形等，較嚴重的病害均以不同形式的裂縫為主，外觀檢查記錄結(jié)果主要可分為以下兩點：
（1）主拱圈橫向裂縫。該病害主要出現(xiàn)在拱頂和拱腳位置，嚴重的可貫穿整個橫斷面。
（2）主拱圈縱向裂縫。該病害較為常見，一般在橋梁中軸線處從拱座發(fā)展到1／4跨位置處，或出現(xiàn)在拱頂處縱向發(fā)展；部分出現(xiàn)在橫橋向1／4位置處。較嚴重的則貫穿整個主拱圈，將主拱圈拱橋分割為左、右兩個部分。
引起裂縫的原因不同，則拱橋的加固和改造的方法不同。本文主要分析主拱圈的裂縫病害，介紹其特點和產(chǎn)生機理。以下分別分析部分常見病害機理所造成的裂縫特點。
?。?）車輛超重
在自重作用和較小的荷載作用下，主拱圈的內(nèi)力以軸力為主。近年來越來越多的載重汽車出現(xiàn)在鄉(xiāng)道和省道上行駛，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超負荷工作。當(dāng)過大的荷載施加于跨中位置處時，跨中拱圈位置和拱腳位置將不可避免地出現(xiàn)較大彎矩，該作用是造成主拱圈拱頂和拱腳橫向開裂的原因之一。圖1為一石拱橋模型，主拱圈厚0．6m、跨徑12m、矢高lOm的拋物線拱橋模型。當(dāng)跨中受集中力作用時，可明顯看出正彎矩分布區(qū)域為拱頂和拱腳處，由于拱腳軸向力較大，因此該荷載作用下，主拱圈拱頂易出現(xiàn)橫向裂縫。
?。?）拱腳水平位移
當(dāng)一側(cè)拱腳出現(xiàn)水平方向的均勻橫向位移時，主拱圈彎矩分布如圖2所示。該情況下若石料強度不足，主拱圈同樣會在拱頂或拱腳出現(xiàn)明顯的橫向裂縫。一般睛況下，路堤向河道方向的滑移會造成拱腳截面的拱背出現(xiàn)明顯裂縫；而路堤的抗推能力不足會造成拱頂截面的拱腹出現(xiàn)裂縫。因此，在準確判斷出路堤狀態(tài)的情況下，可初步判斷出該病害的機理。
?。?）基礎(chǔ)均勻沉降
一側(cè)拱腳出現(xiàn)均勻豎向沉降時，主拱圈將會在沉降一側(cè)的半拱內(nèi)產(chǎn)生正彎矩。該情況會造成橫向裂縫出現(xiàn)在1／4跨位置。如圖3所示。該類型病害一般為單側(cè)拱腳豎向位移引起，對于中等跨徑的橋梁外觀檢查中可輔以拱腳標高測量，對于小跨徑拱橋需檢查基礎(chǔ)是否被流水掏空，即可分析出L／4處橫向裂縫的產(chǎn)生原因。
?。?）局部溫度應(yīng)力
當(dāng)主拱圈所受作用關(guān)于中軸線不對稱時，為準確把握主拱圈的受力狀態(tài)，應(yīng)采用空間分析計算方法。’對于一面靠山、一面臨水的沿河流走向的石拱橋，由于靠山一側(cè)溫度較低，而沿河一側(cè)由于受到日曬的影響而溫度較高，主拱圈將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。現(xiàn)采用梁格法建立拱橋模型，對拱頂一側(cè)施加一溫度荷載。圖4為主拱圈結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，可明顯發(fā)現(xiàn)拱頂橫向聯(lián)系出現(xiàn)較大的剪力，該剪力可能導(dǎo)致主拱圈出現(xiàn)縱向開裂。因此，對于長期存在局部日照的拱橋，主拱圈或在日照區(qū)域邊緣產(chǎn)生縱向裂縫。
?。?）基礎(chǔ)非均勻沉降
當(dāng)一側(cè)拱腳基礎(chǔ)出現(xiàn)非均勻沉降時，中部的橫系梁將會出現(xiàn)較大剪力，如圖5所示。該剪力可導(dǎo)致裂縫從拱腳處向拱頂開展，以至于出現(xiàn)貫穿半跨的縱向裂縫。對于中小跨徑拱橋，單側(cè)基礎(chǔ)非均勻沉降主要由流水沖刷引起。
2、石拱橋檢查要點
將50座中小跨徑石拱橋的裂縫病害現(xiàn)象及其機理匯總于表1，其中數(shù)據(jù)為病害現(xiàn)象和病害機理相符合的橋梁數(shù)量。其統(tǒng)計結(jié)果基本符合上述病害機理分析。此外，大多數(shù)病害橋梁均出現(xiàn)超載現(xiàn)象，因此對橋梁活載的控制對于保證橋梁使用壽命有積極意義。
通過以上分析可看出，引起主拱圈裂縫病害的原因較多，同一位置處裂縫的病害機理也是不同的。因此，正確把握引起裂縫的真正原因不僅能夠提高外觀檢查效率，也能夠在后期較好地對橋梁進行加固改造，保證其使用性能。對于石拱橋的外觀檢查，筆者總結(jié)了如下經(jīng)驗，供設(shè)計檢測人員參考：
?。?）拱頂出現(xiàn)橫向裂縫，須查看地區(qū)周圍有無大型生產(chǎn)基地，是否長期有重型車輛通過；其次檢查路堤或河堤是否有滑移現(xiàn)象，拱腳處是否有橫向變位。
?。?）主拱圈1／4位置或其他位置出現(xiàn)橫向裂縫，須查看拱腳基礎(chǔ)是否有沉降，是否被流水掏空。
?。?）主拱圈出現(xiàn)中軸線附近的縱向裂縫，須查看拱腳基礎(chǔ)是否有非均勻沉降、部分基底有無被流水掏空；橋梁結(jié)構(gòu)是否長期處于非均勻日照的位置。石拱橋的病害機理多種多樣，以上僅為常見的病害及其原因，對于復(fù)雜的環(huán)境和病害特性仍需要具體研究。
3、結(jié)語
主拱圈的病害主要以橫向裂縫和縱向裂縫為主，產(chǎn)生裂縫的具體原因不同，后期需要進行的加固改造設(shè)計不同。因此，需要在對石拱橋進行外觀檢查的同時，準確把握產(chǎn)生病害的原因。本文通過對石拱橋的病害機理分析，總結(jié)了產(chǎn)生主要裂縫病害的具體原因；通過對大量石拱橋的實際檢查和模型分析，得出了相應(yīng)結(jié)論，為更有效地開展檢測和加固工作提供了一定理論依據(jù)和經(jīng)驗總結(jié)。
