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拱桥的设计和桥梁裂缝产生的原因分析
本章涵盖了许多桥型的拱桥和一系列关于材料的研究案例，还有介绍了所做的设计决策是怎么形成的。介绍了分析研究拱桥的一般处理方法，包括推导可用于进行手工计算的基本方程以用来验证计算机分析的结果。详细拱桥的设计在本章的范围之外，因此只进行了一般性问题的讨论。本章的大部分内容介绍的是砌体拱桥。砖石拱桥施工中讨论了它的历史背景和强调了工程技术人员采取一种全面的方法来评估和设计桥梁的重要性。桥梁评估有一个重要原则 ，就是一种在现在和未来都能够有指导作用的评估方法。这也是建立在以砌体材料的背景资料的基础之上的。本章最后总结得出了一种修补的方法和用一张包含了常用的补救措施和加强措施的综合图表来说明的维护策略。
拱作为一种建筑结构形式的起源历史可以追溯到古代(凡比克，1987年)。在试图为拱寻找一个适当的定义时，我们可以借鉴一下不久前胡克在1675年说的“刚性拱”字谜。这表明任何给定负载量的柔性电缆如果在冻结并且倒转之后在外部荷载下将是一个平衡的抗压结构。显然，加载时任何轻微的变化都会对拱产生诱发突变。达到合适比例的拱厚度以符合推力线的偏心率的适用范围是桥梁工程师所面临的挑战。即使在中世纪表示赞赏砌体拱桥,但其表现形式基本上是作为几何和比例决定的审美情趣和稳定的重力结构。其压缩强度可以依赖但是拉伸强度却不能。根据经验，大跨度和拱厚度的很多经验关系融合并成功地应用，在整个欧洲产生了很多优雅的结构。
铁路和运河的扩大使用导致了桥梁的爆炸式增长，砖砌拱桥成为越来越受欢迎的形式。随着施工的Coalbrookdale桥（1780年），标志着拱桥建设的新时代开始了。到十九世纪，铸铁、锻造铁和钢终于越来越受欢迎，只是世纪之交会受到钢筋混凝土的挑战。
在十九世纪分析技术迅速发展，特别是，卡斯蒂利亚诺(1879)的应变能量定理，能适用于砌体拱桥使他们保持弹性。提供推力线属于中间第三，从而确保没有拉应力诱导，能满足这一条件。要求避免拉应力，因此只适用于砌体和铸铁，它并不适用钢或钢筋混凝土（或木材），因为这些材料有抗拉伸应力的能力。
二十世纪的拱桥已成为越来越多的与现代材料相结合的复杂的结构，以创造令人兴奋的功能性城市雕塑。
拱桥的类型
在图1中显示用来描述一个拱桥的各部分的有关术语。拱桥可以根据以下参数进行分组：
1．建筑材料
2．结构的衔接
3．拱桥的形状
从历史上看，拱桥都是与石头建筑有联系的，但是在十九世纪让位给了砖砌结构。因为他们的比例尽可能的减少了拉伸应力的可能性，这使得他们有成为巨大结构的趋势。相比之下，使用钢筋混凝土和现代结构钢为拱桥提供了简约、典雅的机会。
现在，木材被限制在一些桁架形式的小桥上，但通常更作为复合曲线的拱桥。虽然木材相比于粮食作物的比例有一个高的强度和密度，但是它的各向异性和横纹的强度性能是相对比较弱的。这就需要注意的连接细节，以确保材料的经济使用。
至于衔接拱结构可固接或铰接。在后一种情况中一个、两个或三个铰链可以被使用到拱肋。虽然固结的拱桥存在三个多余约束，但是一个铰的作用就是减少一个多余约束，而对于三个铰来说的拱桥是静定的，因此，从理论上来讲，无二次应力问题。图2显示了一系列可能的布置情况。拱桥的衔接不仅仅取决于铰的数量，也从根本上受到桥面的位置和从桥面传向拱的荷载性质的影响。
传统的填充拱肩是车辆荷载通过其回填材料传递到拱背，这是第一眼能够看到的最简单的结构状况。但是稍后我们看到的就不是这种状况，这就导致了我们在试图提高对这种结构的认识时，将要对这种砖石拱桥的许多特定案例进行研究。
带有柱子的拱肩会被做成开放式的，铰用来传递桥面板的荷载到拱。在试图尽量减少对桥墩的水平推力时，桥面板就会和系杆拱配合使用。当桥面的建设深度受到限制时或者需要大跨度时（特别是如果地面条件也很困难，将需要大量的桩以抵抗水平推力时），系杆拱就会特别的适用。
回到胡克的字谜，拱的完美形状将是一个倒立的悬链线——这是一种抵抗自身重量的情况。车辆荷载和不同的自上而下的恒载是两种诱导弯曲的情况。因此，拱必须有足够的厚度以适应“蜿蜒”的推力作用线。
为了便于施工放样，简单的建筑物形状现在被分段采用或者采用抛物线形状。虽然在最大宽度的情况下净空必须提供（比如在一个铁路，公路或运河），椭圆形状可能是其最接近的要求或其最相近的等价物是“简单”的三个铰的拱。
这是值得在现阶段讨论的理想化的拱结构。传统意义上，拱被认为是二维结构。这当然是不真实的——但它在何种程度上是不正确的应该是设计师和评估员所关心的问题。即使在表面上看是静定的三铰拱的情况下，“插脚”都能传递剪力，即使他们理论上不能传递。非均匀的荷载横向分布的情况下，铰链会传递一个会在拱内产生扭矩的不断变化的剪力。此外，斜拱或非垂直拱肋的情况下，结构具有很高的冗余，因此将需要更多地注意发布的工程结构方面的详细信息。
从美学的角度来看，拱桥有一个普遍的吸引力。尽管这样，重视规模不大的桥梁的影响是十分有意义的。实体的拱桥总是砖石（或砖石扩大）桥梁。行清洁、诚信的理念和注重细节是成功的桥梁的至关重要的因素。当然，简单的层拱和顶层更适合详细描述一些昂贵的和与许多现代桥梁不相称的细节。使用石头是因为它材质重要的环境敏感性。应采用现代开采技术（激光切割、金刚石锯、火焰变形和喷砂)，保留传统加工保护计划。如果使用不同的砖砌体可以指定纹理或琉璃砖和灰泥。在这里，层拱可以很有效的掩饰层面方向上的变化。
从历史上看，桥墩是由岩石或者是大量的厚重砖石结构组成的，依靠自身的重量抵抗拱桥的推力。依靠结构的稳定性，这是必要的，因为这是一种本能去期待这种支持。
钢筋混凝土桥和钢拱桥有许多轻结构。结构基本上包括拱、桥面板和通常一些拱肋到桥面板的支撑结构——重要的顺序。这些元素应该表现在细节和形式上，并充分考虑其层次性（高速公路局，1996年）。重要的是，如果在拱顶处的桥面板，不应该用任何方法去掩饰它。无论是层拱还是铰链的任何支撑结构（在系杆拱桥的情况下）都不应该被允许占据主导地位。最好是他们相对于栏杆和层拱能够隐藏起来。
混凝土拱可以是一个完整的弯曲宽板或者是一系列的肋骨组成，钢拱桥大多是由一系列的肋骨组成。凡是使用肋骨的时候应当考虑（如果是从下面看的话）拱腹的明暗变化。对跨度上升的比例应控制在10:1到2:1的范围内。拱越平坦水平推力就越大，这可能影响结构形式的选择等等，不论是系杆是否应该被引进，还是桥面板相对于拱的刚度。
近几年来，我国交通基础建设得到迅猛发展，各地区修建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中，有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导桥梁垮塌的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着桥梁工程技术人员。其实，如果采取一定的设计和施工措施，很多裂缝是可以克服和控制的。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文尽可能对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因作较全面的分析、总结，以方便设计、施工找出控制裂缝的可行办法，达到防范于未然的作用。
混凝土桥梁裂缝种类、成因实际上，混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种：
1．荷载引起的裂缝
混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：（1）设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。（2）施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。（3）使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。
次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：（1）在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋、同时削减该处断面尺寸的办法设计铰，理论计算该处不会存在弯矩，但实际该铰仍然能够抗弯，以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。（2）桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算，但在40年前却比较困难。
在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出，如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根据结构不同受力方式，产生的裂缝特征如下：（1）中心受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。（2）中心受压。沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。（3）受弯。弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏。（4）大偏心受压。大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件，类似于受弯构件。（5）小偏心受压。小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件，类似于中心受压构件。（6）受剪。当箍筋太密时发生斜压破坏，沿梁端腹部出现大于45°方向的斜裂缝；当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端中下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝。（7）受扭。构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开。（8）受冲切。沿柱头板内四侧发生约45°方向斜面拉裂，形成冲切面。（9）局部受压。在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。
2．温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有：（1）年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。（2）日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。（3）骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。（4）水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过2.0米）浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。（5）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。（6）预制T梁之间横隔板安装时，支座预埋钢板与调平钢板焊接时，若焊接措施不当，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至350℃，混凝土构件也容易开裂。试验研究表明，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%，抗压强度下降60%，光圆钢筋与混凝土的粘结力下降80%；由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。
3．收缩引起的裂缝
在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。塑性收缩。发生在施工过程中、混凝土浇筑后4～5小时左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大，可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比
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