本文是一篇土木工程论文，本文利用有限元软件MIDAS/Civil2020对该桥进行了模拟计算，在验证了该桥主拱圈纵向裂缝的成因之后，进一步探讨了缓解主拱圈纵向裂缝病害出现的措施，研究了主拱肋外包混凝土厚度变化对主拱圈纵向裂缝病害的影响、劲性骨架内置钢管直径变化对主拱圈纵向裂缝病害的影响以及混凝土材料变化对主拱圈纵向裂缝病害的影响
第一章绪论
1.1研究背景及意义
据统计，截至2022年底，我国桥梁总数已达103.3万座，总长约8576万延米，包括拱桥、斜拉桥及悬索桥等，建造技术水平和建造质量均达到了世界领先水平。其中，拱桥的建造历史最为悠久且建造技术水平位于世界前列，始建于隋朝的一座跨径为37.02m的石拱桥——赵州桥至今仍屹立在洨河上，已有一千余年历史。随着时代的发展和技术的进步，拱桥的建造手段和建筑材料也发生了较大改变，跨径也得到了提升，特别是上世纪九十年代后，钢管混凝土劲性骨架施工法的成功应用，使我国拱桥跨径突破了300m，在此之前全世界仅有3座跨径超过300m的拱桥[1-2]。截至目前，据不完全统计我国已建成以及在建的跨径超过300m的拱桥达到了13座。
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1.2钢管混凝土劲性骨架拱桥发展历程
钢管混凝土劲性骨架拱桥是指以钢管混凝土作为拱桥劲性骨架、并以劲性骨架施工法建设的混凝土拱桥，其成桥后受力性质大致可以按照混凝土拱桥的计算方式进行分析[6]。在施工过程中，首先在桥位处搭设轻质高强的钢管，并在钢管合龙后灌注管内混凝土，形成拱桥基本骨架，该骨架即为劲性骨架。随后以劲性骨架作为拱桥的施工支架，分环分段浇筑外包混凝土[7-9]，形成混凝土拱桥结构。其中劲性骨架在施工过程中承担现浇混凝土的自重，施工完成后埋设于混凝土之中不予拆除，在使用中承担相应荷载，成为拱桥的受力结构之一。
钢管混凝土劲性骨架拱桥作为劲性骨架拱桥中最具潜力的一种桥梁，具有自身鲜明的优越性，主要体现在以下两个方面。一是经济性能良好。外包混凝土作为内部劲性骨架的保护层，可以有效地防止钢材锈蚀，使得结构更为耐热、耐火、耐久；同时钢管混凝土劲性骨架拱桥多为箱型拱肋，能够有效的减少钢材及混凝土的用量，大幅度降低拱桥结构自重，相关文献[10]表明，在自身重力与结构承载能力等条件相近的情况下，钢管混凝土劲性骨架拱桥较钢结构拱桥可节省约50％的钢材用量，较钢筋混凝土拱桥可节省约60％的混凝土用量。二是结构性能更优，首先相对于钢筋混凝土拱桥，在拱肋截面尺寸相差不大的情况下，钢管混凝土劲性骨架拱桥的含钢率更高，因此拱桥整体结构的承载力和变形协调能力得到了，相关文献[11-12]表明，在考虑劲性骨架作用时，拱桥的刚度提升最大幅度可达21.91％，强度提升最大幅度可达10.4％。其次相对于钢结构拱桥，钢管混凝土劲性骨架拱桥因具有外包混凝土，对于温度变化的敏感性较低，有效缓解了温度变化对拱桥结构的不利影响[13]。同时钢管混凝土劲性骨架拱桥稳定性能好，承受水平荷载的能力较强，在风力较大或者发生地震的情况下能够严格控制好结构的水平位移。因此，钢管混凝土劲性骨架拱桥在我国高等级道路中非常受重视，在未来的建设中必然还将有进一步的发展。
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第二章某钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱裂缝病害情况调查
2.1桥梁概况
某钢管混凝土劲性骨架拱桥位于我国华南地区，桥梁呈东西走向。该桥采用斜拉扣挂分环分段浇筑混凝土的方法进行主拱施工，于1996年建成通车，至今已运营27年，是我国建设比较早的一批大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥。
某钢管混凝土劲性骨架拱桥桥梁全长458.4m，共分为9跨，桥跨组合为4×16.0m+312.0m+4×16.0m；其中主桥为中承式拱桥，全长312.0m。主桥上部结构为单跨梁拱组合结构，由2榀拱肋、54根吊杆、主梁及横梁组成。
主拱圈跨径为312m，矢高52m，矢跨比为1/6，拱轴线采用无铰悬链线，拱轴系数为1.347。主桥拱肋采用劲性骨架钢筋混凝土结构，为2榀平行分离式钢骨钢筋混凝土闭口箱形变截面拱箱，截面四角各布置1根Φ402×12mm钢管，钢管内部采用C50混凝土灌注填充；腹杆及连接系为16Mn的槽钢，共分为2L160×100×10、2L100×80×8、[160×65×8.5三种形式，并且与上、下弦杆采用焊接的方式进行连接。拱箱截面高度由拱脚6.8m渐变至拱顶5.0m；同时自拱脚向拱顶25m处为加宽段拱箱，截面宽度由4m渐变至标准段3m，其后截面宽度不再变化。两榀拱肋中心距为15.4m，拱肋间设2道K撑、2道X撑及3道横梁，两侧拱箱各布置27根吊杆。主桥中部252m由主梁和横梁组成整体结构体系，横梁为预应力混凝土结构，共设27道。桥梁设计荷载为汽车—超20级，挂车—120，人群荷载为3.5kN/m²。
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2.2主拱裂缝病害发展情况
某钢管混凝土劲性骨架拱桥自2008年起至今已经经过多次桥梁检测，本文收集了该桥2008年、2014年、2017年、2018年、2020年、2021年及2022年等年份的检测数据，现以各年份检测数据中的主拱裂缝情况为基础，对主拱裂缝发展状况及趋势做进一步分析。本文为方便表述桥梁病害状况，以北侧拱箱（即上游侧拱箱）为1#拱箱，以南侧拱箱（即下游侧拱箱）为2#拱箱；同时以1#拱箱上游侧腹板、2#拱箱下游侧腹板为外腹板，以1#拱箱下游侧腹板、2#拱箱上游侧腹板为内腹板。各构件从西端向东端依次进行编号，其中西端的桥台为0#台，东端的桥台为9#台，主跨为5#跨，5-a#梁及5-b#梁为桥面系与主拱连接处，吊杆从西端往东端依次编号为1#吊杆~27#吊杆，具体构件编号如图2-3。
2.2.1主拱裂缝病害整体发展分析
在2008年进行桥梁检测时，该桥主拱共发现裂缝322道，裂缝总长3141.50m。其中1#拱箱发现纵向裂缝177道，斜向裂缝2道，竖向裂缝1道，未发现水平裂缝；2#拱箱发现纵向裂缝141道，1道斜向裂缝，未发现竖向裂缝和水平裂缝；同时，主拱裂缝在本次检测后进行了部分修补。
在2014年进行桥梁检测时，该桥主拱仍发现裂缝116道，裂缝总长1014.54m。相比于2008年裂缝检测及维修数据，本次检测的116道裂缝中，有44道裂缝为新增裂缝，占检测裂缝数量的37.9%；有60道裂缝为原修补处开裂裂缝，占检测裂缝数量的51.7%；有4道裂缝为原修补处扩展裂缝，占检测裂缝数量的3.4%；有8道裂缝为未修补裂缝，占检测裂缝数量的6.9%。因此，该桥主拱裂缝病害在2008年至2014年之间仍有进一步发展的趋势。1#拱箱发现纵向裂缝71道，其中16道为新增裂缝，46道为原修补处开裂裂缝，3道为原修补处扩展裂缝，6道为未修补裂缝；斜向裂缝2道，水平裂缝1道，均为新增裂缝；未发现竖向裂缝。2#拱箱仅发现纵向裂缝42道，其中25道为新增裂缝，14道为原修补处开裂裂缝，1道为原修补处扩展裂缝，2道为未修补裂缝。由此可知，1#拱箱裂缝病害的发展要比2#拱箱裂缝病害的发展更为严重。同时，主拱裂缝在本次检测后进行了全面修补。
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第三章 钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱裂缝病害成因分析 ................ 23
3.1 混凝土主拱常见裂缝病害类型及产生原因 ................................ 23
3.2 某钢管混凝土劲性骨架拱桥有限元模型建立 ............................ 25
第四章 钢管混凝土劲性骨架主拱圈抗裂参数分析 ............................ 47
4.1 钢管混凝土劲性骨架主拱圈受力影响参数分析 ........................ 47
4.2 外包混凝土厚度对主拱圈截面受力的影响分析 ........................ 48
第五章 结论与展望 ................... 83
5.1 结论 .................................. 83
5.2 展望 .......................... 84
第四章钢管混凝土劲性骨架主拱圈抗裂参数分析
4.1钢管混凝土劲性骨架主拱圈受力影响参数分析
从第三章可知，某钢管混凝土劲性骨架主拱圈裂缝是由于在桥梁运营阶段受到恒载与活载标准组合、收缩、徐变、日照辐射或者寒流降温共同作用产生的，即主拱在运营阶段受到荷载应力、收缩、徐变应力及温度应力的共同作用而产生裂缝。因此，为进一步提高桥梁使用寿命，本章将进一步探讨主拱圈结构参数对主拱圈受力的影响，并提出结构优化思路，以期延缓甚至避免钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱裂缝病害的出现。
钢管混凝土劲性骨架拱肋属于钢骨混凝土结构的一种，其受力特征与钢骨混凝土结构相类似，可作为压弯构件进行计算。因此，参照钢骨混凝土梁抗弯试验结果[67]，可将钢管混凝土劲性骨架拱肋破坏过程总结如下：
（1）弹性阶段：拱肋主要受到小偏心压力的作用，结构承受的弯矩较小，拱肋截面各材料均处于弹性阶段；此时外包混凝土与钢管混凝土的应力、应变呈线性变化，且外包混凝土与钢管混凝土的应变一致。随着施加荷载的不断增大，拱肋受拉区域的混凝土逐渐出现塑性变形，所受拉应力最终超过混凝土极限抗拉强度而出现裂缝，此时受拉区域混凝土的应力、应变变化呈曲线形态，内置钢管始终为弹性状态。
（2）带裂缝工作阶段：当拱肋受拉区域的混凝土处于开裂状态时，其所受的拉应力会转移至型钢及配筋，拱肋截面的应变越来越大，外包混凝土出现剥落。
（3）破坏阶段：在带裂缝工作阶段继续对拱肋施加荷载，就进入到破坏阶段。此时外包混凝土逐渐破碎并退出工作状态，拉应力传导到管内混凝土上，由于劲性骨架内置钢管的束缚，使得管内混凝土裂缝的发展速度得到了一定程度上的延缓，并在一定程度上能够与内置钢管共同承受部分荷载，直至最终破坏屈服。
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第五章结论与展望
5.1结论
本文以某钢管混凝土劲性骨架拱桥为工程背景，收集了该桥多年桥梁检测数据，并对主拱裂缝病害及成因进行了重点分析；利用有限元软件MIDAS/Civil2020对该桥进行了模拟计算，在验证了该桥主拱圈纵向裂缝的成因之后，进一步探讨了缓解主拱圈纵向裂缝病害出现的措施，研究了主拱肋外包混凝土厚度变化对主拱圈纵向裂缝病害的影响、劲性骨架内置钢管直径变化对主拱圈纵向裂缝病害的影响以及混凝土材料变化对主拱圈纵向裂缝病害的影响，得到主要结论如下：
1.在日照辐射、恒载、活载及收缩、徐变共同作用下，10#吊杆~18#吊杆对应主拱内部腹板产生接近或超过主拱混凝土轴心抗拉强度标准值的竖向拉应力，从而导致主拱内部腹板易出现纵向裂缝，其中日照辐射引起的温差应力是产生裂缝的主要原因；在寒流降温、恒载、活载及收缩、徐变共同作用下，主拱外部顶板、底板产生超过主拱混凝土轴心抗拉强度标准值的横向拉应力，从而导致主拱外部顶板及底板出现纵向裂缝，其中寒流降温引起的温差应力是产生裂缝的主要原因。
2.增大钢管混凝土劲性骨架拱桥内置钢管的直径或者主拱肋外包混凝土的厚度，都可以在一定程度上降低由日照辐射、恒载、活载及收缩、徐变共同作用下引起的主拱腹板内侧竖向拉应力，缩小主拱肋腹板内侧出现纵向裂缝的范围。当钢管直径由335mm增大到480mm时，腹板内侧竖向拉应力最大值由3.74MPa减小到3.62MPa，减小幅度为3.2%；当外包混凝土厚度由39mm增大到109mm时，腹板内侧竖向拉应力最大值由3.82MPa减小到3.41MPa，减小幅度为10.7%。由此可见，在减小主拱腹板内侧竖向拉应力方面，增加主拱肋外包混凝土厚度比增大内置钢管直径更为高效，但并不能完全避免主要因日照辐射、恒载、活载及收缩、徐变共同作用引起的主拱内侧纵向裂缝的出现，仍需要加强对主拱跨中截面附近的拱内养护。
参考文献（略）