大跨鋼管混凝土拱橋病害分析與加固設計要點

宋重陽，龔輝朋，丁德豪

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

20世紀90年代鋼管混凝土拱橋在我國快速發(fā)展，限于當時技術(shù)水平，中承式鋼管混凝土拱橋懸吊橋面系多采用預應力混凝土橫梁與矮T縱梁體系，高強吊桿與系桿容易由于腐蝕和疲勞引起破斷，懸吊橋面剛度與整體性較差，如四川宜賓小南門大橋、新疆孔雀河大橋均由于吊桿斷裂導致橋面系斷裂墜江事故。

本文以六景郁江橋為工程背景，討論了鋼管混凝土拱橋的病害分析與加固設計要點，可為同類型橋梁借鑒。

1 原橋概況

六景郁江橋采用凈跨220 m中承式鋼管混凝土拱橋，凈矢跨比為1/5，拱軸線采用無鉸懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543，矢高44 m。1999年建成通車，原設計荷載：汽-超20級，掛-120。橋型布置見圖1。

主拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，橫斷面由4-Φ820 mm鋼管組成，管內(nèi)灌注50#混凝土，主拱肋間設5道鋼管桁架橫向聯(lián)系。吊桿有35組，相鄰吊桿間距5.1 m。橋面系吊桿橫梁采用預應力混凝土T梁，縱梁采用鋼筋混凝土矮T梁。橫斷面布置見圖2。

圖2 橫斷面布置圖/cm

2 典型病害及成因分析

自1999年通車以來，該橋主要經(jīng)歷7次病害檢查，該橋的典型病害為主拱鋼管混凝土脫空、吊桿錨頭積水、橋面預應力橫梁U型裂縫、縱向矮T梁U型裂縫，與國內(nèi)同類型的采用預應力混凝土橫梁與矮T縱梁橋面系的中承式鋼管混凝土拱橋典型病害一致。

2.1 主拱肋鋼管混凝土不密實

(1)病害描述：主拱肋鋼管混凝土不密實、脫粘情況較為普遍，管內(nèi)混凝土不密實面積約占檢測面積的55%～60%。

(2)病害分析：由于受施工技術(shù)限制，曲線鋼管內(nèi)灌注混凝土很難達到絕對密實，且鋼管與混凝土膨脹系數(shù)有一定的差異，受日照溫差等影響，鋼管與混凝土之間的脫空不可避免。鋼管混凝土不密實會降低主拱肋有效截面面積，降低鋼管對混凝土的套箍效應，導致截面剛度和強度削弱。

2.2 吊桿錨頭積水

(1)病害描述：吊桿上、下錨頭存在66處防水蓋缺失、松動、積水。

(2)病害分析：錨頭積水主要是由于防水罩開裂導致雨水滲流至錨頭保護罩內(nèi)，雨水長時間積存會造成錨頭銹蝕，導致吊桿的安全性降低。

2.3 橋面橫縱梁跨中U型裂縫

(1)病害描述

①橋面橫梁：2007年4片拱上橫梁出現(xiàn)大量U型裂縫，于是粘貼鋼板加固，2011年這4片橫梁又出現(xiàn)87條裂縫，2014年新增90條裂縫，裂縫均從梁底向上發(fā)展至下鋼板下邊緣。

②橋面縱梁：2011年8片縱向矮T梁跨中存在U型裂縫，最大裂縫寬度0.1 mm，2014年縱向矮T梁共存在2 220條裂縫，主要表現(xiàn)為：橫向、L型、U型及豎向裂縫，最大裂縫寬度0.25 mm。

(2)病害分析：拱上橫梁、橋面縱梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大裂縫寬度0.25 mm，未超過規(guī)范限值，該裂縫屬正常受力現(xiàn)象，但構(gòu)件開裂現(xiàn)象在逐步加劇。

3 加固設計要點

3.1 設計標準

原設計荷載：汽車-超20級，掛車-120。

加固設計荷載：公路一Ⅰ級。

3.2 設計思路

(1)吊桿錨頭積水，容易造成內(nèi)部鋼絲銹蝕，吊桿承載力很難準確評定；

(2)拱上橫梁2007年已加固，但裂縫不斷加劇，再通過加固的手段限制裂縫和提高承載力的空間有限；

(3)橋面縱梁開裂，且裂縫逐步加劇，容易造成內(nèi)部鋼筋銹蝕，耐久性和安全性逐步降低；

(4)原懸吊橋面采用預應力混凝土橫梁與矮T縱梁體系，橋面整體性剛度與穩(wěn)定性較差。

為提高橋面系整體剛度及穩(wěn)定性，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，吊桿、橋面系結(jié)構(gòu)全部拆除更換，并對不密實主拱肋注漿加固。

3.3 加固設計

(1)新橋面系結(jié)構(gòu)

新橋面系結(jié)構(gòu)選擇鋼-混疊合梁形式，橋面系自重略有減少，不會影響拱軸線，且瀝青混凝土鋪裝與混凝土橋面板粘結(jié)性較好。

新橋面系由橋面鋪裝層、預制橋面板、縱橫鋼板梁組成。橫、縱梁采用焊接工字鋼截面。新橋面系結(jié)構(gòu)橫斷面見圖3。

圖3 新橋面系標準橫斷面/cm

橫梁為橋面主受力結(jié)構(gòu)，縱梁采用栓焊結(jié)合的方式連接于橫梁上，形成格子結(jié)構(gòu)，減小橋面板區(qū)塊的同時將全橋橫梁聯(lián)為整體，增強橋面整體性。縱梁與橫梁頂板焊接，腹板及底板通過剪扭型高強螺栓栓接。縱、橫梁平面布置見圖4。

圖4 縱橫梁布置圖/cm

縱、橫鋼板梁上安裝20 cm厚鋼筋混凝土預制橋面板，預制板間通過濕接縫連為整體，與縱橫梁通過濕接縫處頂板剪力釘連接，形成鋼-混疊合截面共同受力。

(2)吊桿更換

①強度要求：吊桿的安全系數(shù)不應小于3.0，短吊桿的安全系數(shù)應大于其他吊桿，新設計吊桿最大索力990 KN。

②耐久性要求：吊桿的使用壽命應不小于15年。

③便于生產(chǎn)，且有利于再次更換的要求。

新吊桿鋼絲強度等級1 670 MPa，吊桿破斷載荷3 535 KN。

(3)鋼管混凝土不密實修復

對主拱肋鋼管內(nèi)不密實混凝土采用注漿加固，采用滲透性優(yōu)良的環(huán)氧類漿液。注漿施工前，先結(jié)合前期檢測的結(jié)果，采用錘擊法或超聲波法測定縫隙的位置及大小。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 有限元建模

對原結(jié)構(gòu)進行新更換橋面系的計算，按新橋面系更換實際施工步驟模擬成橋過程。主拱肋按鋼管和混凝土聯(lián)合截面模擬，疊合梁混凝土橋面板用板單元模擬。有限元模型見圖5。

圖5 主橋有限元模型

4.2 主要計算結(jié)論

(1)主拱肋上、下弦桿基本滿足《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB 50923-2013)的強度要求，富裕不多；新橋面系鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)滿足《鋼-混凝土組合橋梁設計規(guī)范》(GB 50917-2013)的強度要求；正常使用極限狀態(tài)下，鋼管混凝土主拱肋鋼管應力不大于0.8fy。

(2)縱、橫梁鋼構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》(JTG D64-2015)的要求。

(3)全橋彈性特征值分析，計算失穩(wěn)系數(shù)為5.1，滿足《公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范》(JTG/T D65-06-2015)不小于4的要求。

5 施工控制分析

在施工過程中，由于各種誤差影響，吊桿索力會偏離理想狀態(tài)，當偏離量超過允許范圍后就要通過調(diào)整索力糾偏。

吊桿調(diào)索的總原則是確保結(jié)構(gòu)在調(diào)索過程中應力、變形與穩(wěn)定狀態(tài)在允許范圍內(nèi)，從而確保吊桿的索力、橋梁的線形最大限度符合設計目標狀態(tài)。

5.1 吊桿索力分析

吊桿安裝施工完成后，實測調(diào)索前后吊桿索力，并與目標設計索力對比，見圖6。

圖6 調(diào)索前后吊桿實測內(nèi)力與目標內(nèi)力對比

由圖6可見，吊桿調(diào)索完成后，吊桿索力分布較均勻，與目標索力最大偏差6.31%，偏差控制在10%以內(nèi)。

5.2 橋面線形分析

實測調(diào)索前后橋面線形，并與設計線形對比，見圖7。

圖7 調(diào)索前后橋面實測標高與設計標高對比

由圖7可見，調(diào)索過程中橋梁位移在正常范圍，調(diào)索后橋面整體線形較為平順，兩側(cè)也較為對稱。

6 結(jié) 論

六景郁江橋為凈跨220 m的中承式鋼管混凝土拱橋，對其主要病害及加固設計要點進行了分析，通過有限元軟件模擬橋梁加固施工過程，以成橋吊桿索力、橋面線形為控制目標，得到以下結(jié)論。

(1)近年來，個別早期中下承式鋼管混凝土拱橋吊桿斷裂引發(fā)事故，反映出早期懸吊橋面系結(jié)構(gòu)在設計理念、施工工藝及養(yǎng)護方面有待進一步完善，對在役鋼管混凝土拱橋吊桿及橋面系結(jié)構(gòu)應定期檢測，監(jiān)控病害發(fā)展情況。

(2)早期懸吊橋面系結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土橫梁與矮T縱梁體系，橋面剛度及整體穩(wěn)定性較差，病害發(fā)展較快，可考慮吊桿與橋面系整體更換，橋面系結(jié)構(gòu)更換為整體性較好的鋼-混疊合梁形式。

(3)本橋吊桿及橋面系更換后，各主要構(gòu)件強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求；成橋?qū)崪y吊桿索力、橋面線形滿足設計目標要求。

(4)該橋吊桿及橋面系結(jié)構(gòu)更換設計方案合理可行，可供同類型中承式鋼管混凝土拱橋加固設計借鑒。