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【摘 要】针对某5跨连拱钢管混凝土拱桥4个拱座预留槽附近出现的裂缝，根据现场调查资料对裂缝的成因进行了定性与定量的分析研究。研究结果表明，拱座预留槽后浇带在浇筑时混凝土产生的水化热导致结构的内外温差以及混凝土早期的收缩是裂缝产生的根本原因，在类似工程中，对于混凝土的水化热以及现浇混凝土与周边接触面之间因相对位移约束或错动而产生的裂缝应当给予充分重视。
【关键词】钢管混凝土拱；拱座；裂缝；预留槽；水化热；空间有限元
1 工程概况
某五孔中承式钢管混凝土系杆拱桥，孔跨形式为(30+3×80+30)m，中拱、次中孔和边孔矢跨比分别为1/2.5、1/3、1/5，拱轴线型为二次抛物线。桥面横向设三道拱肋，拱肋截面为等高（H=2m）与等宽（B=0.9m）的哑铃形，每拱肋采用2根Φ900的钢管通过缀板连接在一起形成格构，其中边孔拱肋钢管壁厚20mm，次中孔、中孔拱肋钢管壁厚14mm，管内填充C50微膨胀混凝土。
系杆采用柔性系杆，位于桥面与拱肋相交处，并置于横梁及墩柱盖梁之上，在边跨端横梁处将系杆拉过分别进行平弯及竖弯后，锚固于端横梁外侧。全桥系杆拉索共由12孔19Φ15.24mm的预应力钢绞线组成。
吊杆为PES(FD)低应力防腐索体，中心线水平间距5米，采用双层HDPE防护的成品索，索体分别锚固于拱肋的上弦管上缘及横梁的下缘。
吊杆处横梁采用预制箱形预应力混凝土构件，拱肋上、拱座上立柱顶盖梁采用现浇箱形预应力混凝土构件。横撑采用Φ1000×14mmX形或直钢管，每孔X形钢管设一道，直钢管设4道，横撑钢管内不填充混凝土。
拱座、拱肋上立柱均为钢管混凝土立柱直径分别为80cm和60cm，立柱顶与横梁固结，钢管内填充C40微膨胀混凝土。
车行道板采用预制钢筋混凝土槽形板，桥面铺装为18cmC40纤维网混凝土。主桥范围内槽形板及桥面铺装全桥连续，中间未设置伸缩缝。
主桥中墩拱座、承台采用钢筋混凝土，承台顶面设四棱台拱座，横向做成整体，承台厚3m，每个承台下设12个Φ200cm钻孔灌注桩。分隔墩采用柱式墩，盖梁横向为整体式，承台厚3m，每个承台下设6个Φ160cm钻孔灌注桩。
设计荷载等级：公路-Ⅰ级（见图1）。
2 拱座裂缝特征
经过对该桥进行详细的病害检测，各拱座裂缝检查结果如图2所示，各拱座裂缝呈现如下特点：
2.1 各拱座裂缝均较宽，在13号墩最大达到0.81mm，且抽查部分裂缝钻芯发现，裂缝深度超出钻芯范围，继续往里延伸；
图1 5跨连拱钢管混凝土拱桥示意图
（单位：cm）
2.2 从裂缝分布图2中可以看出，各拱座裂缝分布方式基本相似，除了拱脚位置几条细小裂缝之外，基本上均位于拱脚处拱座后浇预留槽新老混凝土结合面附近；
2.3 预留槽接缝处裂缝均贯穿横断面外露部分，由于承台位于冰或水下，无法看到是否延伸至承台，但裂缝宽度向承台方向明显变窄。
3 裂缝成因的定性分析
拱座裂缝基本上可分为两类，一类是拱脚与拱座结合部位较短小的斜向裂缝，这类裂缝宽度较小，在离拱脚较远的位置就不再延伸，而且多为表面裂缝，这类裂缝在拱桥拱脚部位较为常见，属于典型的应力集中造成的局部开裂。另一类是拱座预留槽部位新老混凝土接缝处的裂缝，裂缝沿接缝延伸，基本上贯穿拱座，拱座顶部裂缝宽度较小，且明显从顶部开始开裂。
3.1 结构恒载的空间效应
该桥是5跨连续的刚架系杆拱桥，桥梁上部、下部、基础和地基连成一体，结构为超静定结构且超静定次数较多。拱肋与桥墩固结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆平衡拱的推力，拱的水平推力主要由桥墩和拱肋间的相互平衡来承担，但由于该桥柔性系杆为锚固于端横梁的通长预应力束，预应力施加于两边拱，主要用于平衡边墩的水平推力，而中墩的不平衡推力主要由中墩自身承担。而且由于横桥向由三片拱肋组成，且在纵向各跨矢跨比不同，拱肋、拱座立柱、樁基各构件汇聚于此，导致拱座处于复杂的空间受力状态。
3.2 降温的影响
由于桥梁位于严寒地区，桥梁刚刚完工即遇到当地少有的极寒天气，气温降到零下15℃以下，而且本桥全桥桥面板连续，系杆仅用塑料管防护，因此急剧的升降温对结构的影响较明显。
3.3 水化热的影响
尽管预留槽后浇混凝土相对整个拱座混凝土来讲体积较小，但是按照美国AASHTO设计规范中“大体积混凝土”中 “最小尺寸大于1200mm的结构性大体积混凝土构件”的定义，仍然属于大体积混凝土，其最小边尺寸也有2.5m。国内《公路桥涵施工技术规范》也明确规定，混凝土浇筑时内外温差不宜超过25℃。查阅该桥的施工方案得知，先浇段混凝土采取了温控措施，后浇段并未采取降温措施，拱座混凝土水泥用量是每方330～340kg，使用的是普通硅酸掺合粉煤灰110kg左右，混凝土浇筑时间间隔有3～4个月左右，预留槽大约是在10～11月份浇筑的，浇筑时环境气温约有10℃。在混凝土硬化过程中，水泥水化热量大，使混凝土内部温度升温过高，造成内外温差过大，而且水化热基本释放完成之后开始降温，而在这时候后浇混凝土和先浇混凝土之间已经有一定的粘结强度，但由于先浇混凝土浇筑已经约有100天的龄期，其强度远大于后浇混凝土，这时候预留槽混凝土受到约束，易产生降温收缩裂缝。
3.4 混凝土收缩的影响
混凝土的收缩包括自身收缩、干燥收缩和碳化收缩。自身收缩是水泥水化物的体积小于参与水化反应的水泥和水的体积，它主要发生在混凝土硬化的早期。干缩是混凝土内部的自由水随外界环境条件改变而蒸发引起体积的减小，干缩在整个收缩中所占比重较大。碳化收缩是水泥水化物碳化后的体积小于水泥水化物的体积，一般在后期收缩量较大。处于自由状态下的混凝土构件即使发生较大的收缩变形，也不一定会开裂。但预留槽周围混凝土由于浇筑在100天之前，收缩已经完成，预留槽混凝土收缩时受到约束易导致开裂。
4 裂缝成因的定量分析
4.1 成桥初始受力状态与降温影响分析
由于杆系有限元法无法精确模拟拱座局部的受力，考虑到实体有限元模型在细部分析方面的优势，用MidasGTS2.6.0创建了实体模型。拱座、拱肋、端横梁采用实体单元，系杆采用杆单元，桥面板采用板单元，桥面系所有荷载均通过拱肋吊杆或横梁传递给拱肋再传给拱座。
4.1.1 成桥初始受力状态分析
拱在成桥初始受力状态不考虑温度影响下计算分析结果，图3和图4为边拱座横桥向和边拱座预留槽接缝处横桥向正应力云图，从表中以及图中可以看出，拱座在成桥初始受力状态下，最大正应力、剪应力和主应力均在1.1MPa以下，其受力不会导致拱座混凝土开裂。
根据施工实际情况，近似取基准合拢温度为20℃，参考该桥极端天气的观测结果，对拱座进行整体降温分析的温度荷载取值是有效温度-15℃，温差-35℃。
施加上述温度荷载，对拱座的受力进行了计算分析，结果证明在拱座预留槽接缝处最大正应力、剪应力和主应力均在1MPa以下，不足以使拱座产生沿横断面的裂缝。
4.2 水化热与收缩分析
由于拱座砼标号较高，水泥用量较多，且构件本身较大，因此，水化热不容忽视，而且先浇筑混凝土与后浇段相隔有3至4个月，先浇筑混凝土收缩和水化热释放均基本完成，混凝土弹性模量已经较高，且由于预留槽为槽形构造，先浇混凝土约束了后浇混凝土的变形。为了得到拱座浇筑时期的水化热以及浇筑以后混凝土本身的收缩对拱座结构所带来的影响，创建了局部分析模型对进行模拟计算分析。局部分析仍然采用的是实体单元，考虑到结构基本对称，只取1/4构件进行分析。
4.2.1 预留槽混凝土水化热分析
水化热分析结果表明，预留槽混凝土浇筑60小时之后内部达到最高温度46℃，接缝处混凝土最大主拉应力达到3.21MPa，最大正应力达到2.61MPa，均大于混凝土的抗拉强度。
4.2.2 混凝土收缩影响分析
参考89版《公路桥涵设计通用规范》，对于混凝土收缩影响可作为相应于温度的降低考虑。由于前后混凝土浇筑时间超过3个月，预留槽混凝土可以看作是整体浇筑的钢筋混凝土结构，其收缩影响力相当于降低温度15~20℃，现在取预留槽混凝土降温17.5℃计算其对拱座受力的影响，计算结果如图5、图6所示，从图中数据可以看出：接缝处混凝土最大主拉应力达到2.93MPa,大于混凝土的抗拉强度。
主拉应力分布图
5 总结
5.1 通过上述计算可以看出，成桥初始受力状态和降温作用下拱座特别是中拱座沿预留槽后浇带接缝断面应力较小，尽管边拱座细部分析表明应力局部偏大，那只是由于拱脚与拱座之间产生应力集中造成的,只會让拱肋与拱座结合处产生裂缝，而离拱脚边缘有0.5m的接缝处的应力均并不至于让接缝砼开裂；
5.2 由于边拱座在降温工况下不平衡推力远大于中拱座，如果裂缝是由拱肋传递给拱座的较大荷载造成的，那么边拱座裂缝宽度应明显大于中拱座,实际检测结果表明没有明显差异；且如果裂缝是由拱肋传递给拱座的较大的力造成的，一般会发生剪切裂缝，而剪切裂缝形态一般是斜向裂缝，尽管新老混凝土接合处较为薄弱，也可能会从此部位开裂，但从裂缝的宽度与深度来看，如果剪力大到能够让拱座产生这样的裂缝，那开裂处两侧混凝土应该有明显的高差，实际检测结果并没有发现此类现象；
5.3 预留槽混凝土水化热分析与收缩分析均表明，水化热造成的温度收缩与混凝土因龄期增长而产生收缩均会在接缝处产生较大的应力，所以收缩是裂缝产生的主要原因。由于拱座砼标号较高，水泥用量较多，且构件本身较大，浇筑时没有采取相应的温控措施，从而产生了较多的水化热，而先浇筑混凝土与后浇段相隔有3到4个月，先浇筑混凝土收缩和水化热释放均基本完成，混凝土弹性模量已经较高，先浇混凝土形成的槽形构件约束了后浇混凝土变形，当后浇混凝土发生收缩时，在相对较为薄弱的新老混凝土结合面上产生较大的拉应力。
综上所述，5跨连拱钢管混凝土拱桥的拱座预留槽接缝附近裂缝的主要成因是预留槽接缝的构造特点导致水化热产生的温升与温降以及混凝土在硬化过程产生的收缩受到限制造成的，拱脚与拱座的结合部位周围出现的部分裂缝主要是恒载以及降温使拱肋与拱座产生较大的应力集中导致的。
参考文献：
[1]叶琳昌、沈义，大体积混凝土施工，中国建筑工业出版社，1987
[2]陈仲先等，厦门海沧大桥锚碇温度监控与温控效果，桥梁建设，1999.2
[3]经德良等，宜昌长江大桥锚碇大体积混凝土温度控制
【关键词】钢管混凝土拱；拱座；裂缝；预留槽；水化热；空间有限元
1 工程概况
某五孔中承式钢管混凝土系杆拱桥，孔跨形式为(30+3×80+30)m，中拱、次中孔和边孔矢跨比分别为1/2.5、1/3、1/5，拱轴线型为二次抛物线。桥面横向设三道拱肋，拱肋截面为等高（H=2m）与等宽（B=0.9m）的哑铃形，每拱肋采用2根Φ900的钢管通过缀板连接在一起形成格构，其中边孔拱肋钢管壁厚20mm，次中孔、中孔拱肋钢管壁厚14mm，管内填充C50微膨胀混凝土。
系杆采用柔性系杆，位于桥面与拱肋相交处，并置于横梁及墩柱盖梁之上，在边跨端横梁处将系杆拉过分别进行平弯及竖弯后，锚固于端横梁外侧。全桥系杆拉索共由12孔19Φ15.24mm的预应力钢绞线组成。
吊杆为PES(FD)低应力防腐索体，中心线水平间距5米，采用双层HDPE防护的成品索，索体分别锚固于拱肋的上弦管上缘及横梁的下缘。
吊杆处横梁采用预制箱形预应力混凝土构件，拱肋上、拱座上立柱顶盖梁采用现浇箱形预应力混凝土构件。横撑采用Φ1000×14mmX形或直钢管，每孔X形钢管设一道，直钢管设4道，横撑钢管内不填充混凝土。
拱座、拱肋上立柱均为钢管混凝土立柱直径分别为80cm和60cm，立柱顶与横梁固结，钢管内填充C40微膨胀混凝土。
车行道板采用预制钢筋混凝土槽形板，桥面铺装为18cmC40纤维网混凝土。主桥范围内槽形板及桥面铺装全桥连续，中间未设置伸缩缝。
主桥中墩拱座、承台采用钢筋混凝土，承台顶面设四棱台拱座，横向做成整体，承台厚3m，每个承台下设12个Φ200cm钻孔灌注桩。分隔墩采用柱式墩，盖梁横向为整体式，承台厚3m，每个承台下设6个Φ160cm钻孔灌注桩。
设计荷载等级：公路-Ⅰ级（见图1）。
2 拱座裂缝特征
经过对该桥进行详细的病害检测，各拱座裂缝检查结果如图2所示，各拱座裂缝呈现如下特点：
2.1 各拱座裂缝均较宽，在13号墩最大达到0.81mm，且抽查部分裂缝钻芯发现，裂缝深度超出钻芯范围，继续往里延伸；
图1 5跨连拱钢管混凝土拱桥示意图
（单位：cm）
2.2 从裂缝分布图2中可以看出，各拱座裂缝分布方式基本相似，除了拱脚位置几条细小裂缝之外，基本上均位于拱脚处拱座后浇预留槽新老混凝土结合面附近；
2.3 预留槽接缝处裂缝均贯穿横断面外露部分，由于承台位于冰或水下，无法看到是否延伸至承台，但裂缝宽度向承台方向明显变窄。
3 裂缝成因的定性分析
拱座裂缝基本上可分为两类，一类是拱脚与拱座结合部位较短小的斜向裂缝，这类裂缝宽度较小，在离拱脚较远的位置就不再延伸，而且多为表面裂缝，这类裂缝在拱桥拱脚部位较为常见，属于典型的应力集中造成的局部开裂。另一类是拱座预留槽部位新老混凝土接缝处的裂缝，裂缝沿接缝延伸，基本上贯穿拱座，拱座顶部裂缝宽度较小，且明显从顶部开始开裂。
3.1 结构恒载的空间效应
该桥是5跨连续的刚架系杆拱桥，桥梁上部、下部、基础和地基连成一体，结构为超静定结构且超静定次数较多。拱肋与桥墩固结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆平衡拱的推力，拱的水平推力主要由桥墩和拱肋间的相互平衡来承担，但由于该桥柔性系杆为锚固于端横梁的通长预应力束，预应力施加于两边拱，主要用于平衡边墩的水平推力，而中墩的不平衡推力主要由中墩自身承担。而且由于横桥向由三片拱肋组成，且在纵向各跨矢跨比不同，拱肋、拱座立柱、樁基各构件汇聚于此，导致拱座处于复杂的空间受力状态。
3.2 降温的影响
由于桥梁位于严寒地区，桥梁刚刚完工即遇到当地少有的极寒天气，气温降到零下15℃以下，而且本桥全桥桥面板连续，系杆仅用塑料管防护，因此急剧的升降温对结构的影响较明显。
3.3 水化热的影响
尽管预留槽后浇混凝土相对整个拱座混凝土来讲体积较小，但是按照美国AASHTO设计规范中“大体积混凝土”中 “最小尺寸大于1200mm的结构性大体积混凝土构件”的定义，仍然属于大体积混凝土，其最小边尺寸也有2.5m。国内《公路桥涵施工技术规范》也明确规定，混凝土浇筑时内外温差不宜超过25℃。查阅该桥的施工方案得知，先浇段混凝土采取了温控措施，后浇段并未采取降温措施，拱座混凝土水泥用量是每方330～340kg，使用的是普通硅酸掺合粉煤灰110kg左右，混凝土浇筑时间间隔有3～4个月左右，预留槽大约是在10～11月份浇筑的，浇筑时环境气温约有10℃。在混凝土硬化过程中，水泥水化热量大，使混凝土内部温度升温过高，造成内外温差过大，而且水化热基本释放完成之后开始降温，而在这时候后浇混凝土和先浇混凝土之间已经有一定的粘结强度，但由于先浇混凝土浇筑已经约有100天的龄期，其强度远大于后浇混凝土，这时候预留槽混凝土受到约束，易产生降温收缩裂缝。
3.4 混凝土收缩的影响
混凝土的收缩包括自身收缩、干燥收缩和碳化收缩。自身收缩是水泥水化物的体积小于参与水化反应的水泥和水的体积，它主要发生在混凝土硬化的早期。干缩是混凝土内部的自由水随外界环境条件改变而蒸发引起体积的减小，干缩在整个收缩中所占比重较大。碳化收缩是水泥水化物碳化后的体积小于水泥水化物的体积，一般在后期收缩量较大。处于自由状态下的混凝土构件即使发生较大的收缩变形，也不一定会开裂。但预留槽周围混凝土由于浇筑在100天之前，收缩已经完成，预留槽混凝土收缩时受到约束易导致开裂。
4 裂缝成因的定量分析
4.1 成桥初始受力状态与降温影响分析
由于杆系有限元法无法精确模拟拱座局部的受力，考虑到实体有限元模型在细部分析方面的优势，用MidasGTS2.6.0创建了实体模型。拱座、拱肋、端横梁采用实体单元，系杆采用杆单元，桥面板采用板单元，桥面系所有荷载均通过拱肋吊杆或横梁传递给拱肋再传给拱座。
4.1.1 成桥初始受力状态分析
拱在成桥初始受力状态不考虑温度影响下计算分析结果，图3和图4为边拱座横桥向和边拱座预留槽接缝处横桥向正应力云图，从表中以及图中可以看出，拱座在成桥初始受力状态下，最大正应力、剪应力和主应力均在1.1MPa以下，其受力不会导致拱座混凝土开裂。
根据施工实际情况，近似取基准合拢温度为20℃，参考该桥极端天气的观测结果，对拱座进行整体降温分析的温度荷载取值是有效温度-15℃，温差-35℃。
施加上述温度荷载，对拱座的受力进行了计算分析，结果证明在拱座预留槽接缝处最大正应力、剪应力和主应力均在1MPa以下，不足以使拱座产生沿横断面的裂缝。
4.2 水化热与收缩分析
由于拱座砼标号较高，水泥用量较多，且构件本身较大，因此，水化热不容忽视，而且先浇筑混凝土与后浇段相隔有3至4个月，先浇筑混凝土收缩和水化热释放均基本完成，混凝土弹性模量已经较高，且由于预留槽为槽形构造，先浇混凝土约束了后浇混凝土的变形。为了得到拱座浇筑时期的水化热以及浇筑以后混凝土本身的收缩对拱座结构所带来的影响，创建了局部分析模型对进行模拟计算分析。局部分析仍然采用的是实体单元，考虑到结构基本对称，只取1/4构件进行分析。
4.2.1 预留槽混凝土水化热分析
水化热分析结果表明，预留槽混凝土浇筑60小时之后内部达到最高温度46℃，接缝处混凝土最大主拉应力达到3.21MPa，最大正应力达到2.61MPa，均大于混凝土的抗拉强度。
4.2.2 混凝土收缩影响分析
参考89版《公路桥涵设计通用规范》，对于混凝土收缩影响可作为相应于温度的降低考虑。由于前后混凝土浇筑时间超过3个月，预留槽混凝土可以看作是整体浇筑的钢筋混凝土结构，其收缩影响力相当于降低温度15~20℃，现在取预留槽混凝土降温17.5℃计算其对拱座受力的影响，计算结果如图5、图6所示，从图中数据可以看出：接缝处混凝土最大主拉应力达到2.93MPa,大于混凝土的抗拉强度。
主拉应力分布图
5 总结
5.1 通过上述计算可以看出，成桥初始受力状态和降温作用下拱座特别是中拱座沿预留槽后浇带接缝断面应力较小，尽管边拱座细部分析表明应力局部偏大，那只是由于拱脚与拱座之间产生应力集中造成的,只會让拱肋与拱座结合处产生裂缝，而离拱脚边缘有0.5m的接缝处的应力均并不至于让接缝砼开裂；
5.2 由于边拱座在降温工况下不平衡推力远大于中拱座，如果裂缝是由拱肋传递给拱座的较大荷载造成的，那么边拱座裂缝宽度应明显大于中拱座,实际检测结果表明没有明显差异；且如果裂缝是由拱肋传递给拱座的较大的力造成的，一般会发生剪切裂缝，而剪切裂缝形态一般是斜向裂缝，尽管新老混凝土接合处较为薄弱，也可能会从此部位开裂，但从裂缝的宽度与深度来看，如果剪力大到能够让拱座产生这样的裂缝，那开裂处两侧混凝土应该有明显的高差，实际检测结果并没有发现此类现象；
5.3 预留槽混凝土水化热分析与收缩分析均表明，水化热造成的温度收缩与混凝土因龄期增长而产生收缩均会在接缝处产生较大的应力，所以收缩是裂缝产生的主要原因。由于拱座砼标号较高，水泥用量较多，且构件本身较大，浇筑时没有采取相应的温控措施，从而产生了较多的水化热，而先浇筑混凝土与后浇段相隔有3到4个月，先浇筑混凝土收缩和水化热释放均基本完成，混凝土弹性模量已经较高，先浇混凝土形成的槽形构件约束了后浇混凝土变形，当后浇混凝土发生收缩时，在相对较为薄弱的新老混凝土结合面上产生较大的拉应力。
综上所述，5跨连拱钢管混凝土拱桥的拱座预留槽接缝附近裂缝的主要成因是预留槽接缝的构造特点导致水化热产生的温升与温降以及混凝土在硬化过程产生的收缩受到限制造成的，拱脚与拱座的结合部位周围出现的部分裂缝主要是恒载以及降温使拱肋与拱座产生较大的应力集中导致的。
参考文献：
[1]叶琳昌、沈义，大体积混凝土施工，中国建筑工业出版社，1987
[2]陈仲先等，厦门海沧大桥锚碇温度监控与温控效果，桥梁建设，1999.2
[3]经德良等，宜昌长江大桥锚碇大体积混凝土温度控制