異形拱橋病害分析及吊桿更換方法研究*

程曉東

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

異形拱橋由于其造型較特別，受力不易計算，相對于普通拱橋，異形拱橋的規律更難以掌握。該文以湖南瀏陽市黃柏大橋為工程背景，分析異形拱橋病害，評定其承載能力，并研究吊桿更換方法。

1 工程背景

黃柏大橋于2003年通車運營，是中國中南地區首座異形拱橋，其橋型見圖1。

圖1 黃柏大橋橋型圖(單位：cm)

黃柏大橋長198.16 m，寬20.5 m，其中行車道寬14 m。上部結構是整體現澆空心板梁和下承式鋼筋砼異形系桿拱橋，橋跨組合為32 m+2×60 m+32 m。兩邊跨為整體現澆空心板梁橋，中跨主橋為下承式系桿拱橋，主拱圈的計算跨徑57 m，計算矢高14.25 m，矢跨比1/4。主拱圈截面為工字形，高1.6 m，頂板寬1.2 m，腹板厚0.6 m，單跨每2條拱之間設3道橫撐連接。每主跨設置12對吊桿，縱向間距4 m，斜率為1.25∶1。系桿為梯形截面，高度1.6 m，底板和頂板寬度分別為1.2、1.9 m。單跨共有29道橫梁，平均間隔2 m，為矩形截面，高度和寬度分別為1.4、0.25 m。下部結構采用重力式橋臺、雙柱式橋墩。

主橋主拱圈、系桿主梁采用C50砼，橋墩立柱、蓋梁、橋臺等使用C30砼，主橋和邊跨的支座分別采用盆式和板式橡膠支座。兩岸橋臺位置、異形拱和空心板連接處均設置SQ-60Ⅲ型鋼伸縮縫，橋面鋪裝采用水泥砼。

2 主要病害及成因

黃柏大橋于2003年建成通車，2017年對其進行檢測，發現其服役不足15年便出現多種病害，下面對檢測到的病害進行列舉說明并作簡要分析。

2.1 拱肋

黃柏大橋的拱肋表面都出現不同程度砼銹脹露筋，病害面積為0.1～0.6 m2。全橋主橋拱肋表面油漆涂層均出現大面積網裂脫落現象，多處脫落嚴重的已造成拱肋銹脹(見圖2)。

圖2 拱肋破損

砼銹脹露筋、油漆涂層脫落屬于表層缺陷，造成這些現象的因素有施工因素、環境因素及砼自身老化剝落等。施工因素主要是施工過程中砼振搗不實及保護層厚度不夠等，環境因素主要是空氣中水的侵蝕及砼表層水凍結膨脹導致砼松弛剝落。

2.2 橫向聯結系

每跨橫橋向都設置有3道橫撐支撐的2條拱肋，檢查發現，橫撐鋼管表面油漆發生大面積脫落，并伴隨一定程度銹蝕(見圖3)。由于鋼管表面起防銹作用的油漆脫落，鋼管缺乏保護，同時在空氣中水、氧氣甚至是鹽霧、二氧化硫及粉塵作用下，鋼管的銹蝕作用加速進行。

圖3 橫撐鋼管銹蝕

2.3 吊桿

第2跨及第3跨系桿拱部分吊桿上錨頭出現銹蝕和滲水現象(見圖4)。主要原因是吊桿的上錨頭未進行防銹處理，且由于封錨砼的質量較差，有裂縫產生、雨水進入，加速發生腐蝕和滲水。

圖4 吊桿上錨頭腐蝕滲水

2.4 橋面系

在行車道上個別位置發現坑槽現象，大部分伸縮縫出現輕微堵塞、橡膠止水條局部破損。全橋范圍內兩側護欄涂料均存在起皮脫落現象，且內外側欄桿基座及立柱砼均存在銹脹露筋及銹脹開裂現象。對于坑槽、伸縮縫堵塞及砼銹脹露筋這些通病，需及時采取有效措施進行維修加固，防止情況繼續惡化導致產生更嚴重的問題。

2.5 橋臺

0#橋臺的右側墻表面發生斜向開裂、外鼓，裂縫長度達7.5 m，最寬3 cm，同時外鼓處錯臺13 mm。此外，0#臺右側墻上部砌石與砌石間存在1條水平裂縫，長2 m，且上部砌石外鼓，外移約2.5 cm(見圖5)。

圖5 0#橋臺右側

4#橋臺的右側墻頂部表面距前墻2.0、3.5 m處各出現1條斜向裂縫，表面局部有明顯滲水析白痕跡，裂縫長均為1 m，最大寬度分別為0.6、1.1 mm。其中橋臺尾部存在斜向縫隙，長2 m，最寬30 mm(見圖6)。

圖6 4#橋臺右側

4#橋臺左側墻頂部表面距橋臺前墻1.0、3.5 m處各出現1條斜向裂縫，表面局部有明顯滲水析白痕跡，裂縫長度分別為1.2、1 m，最大寬度分別為1.1、0.5 mm(見圖7)。

圖7 4#橋臺左側

綜上，橋臺出現了不同程度的開裂，主要原因是橋臺基礎發生了不均勻沉降，同時臺內填土未壓實且排水不良，造成內部壓力過大。

2.6 橋墩

各橋墩表面均有滲水痕跡，并且1#、2#橋墩立柱大樁號側面右側邊緣多處砼銹脹露筋，累計面積為0.2 m2。主要是由于施工階段砼施工質量不高，加上長期受到空氣中水汽和河水的腐蝕，導致個別區域出現砼銹脹露筋及滲水現象，一旦發生露筋，銹蝕的發展便會加速進行。

3 承載力評定

3.1 建立有限元模型

根據現場實測數據，利用MIDAS/Civil 2019軟件建立橋梁模型(見圖8)，吊桿與拱肋及系梁間為鉸結連接。

圖8 黃柏大橋有限元模型

3.2 計算參數選取

拱肋、系梁和橫梁砼采用C50砼，汽車荷載按公路-Ⅱ級荷載標準進行加載，人群荷載為3.5 kN/m2，考慮整體升、降溫各15 ℃。

3.3 計算結果分析

考慮恒載、汽車及收縮徐變效應，按規范規定的最不利組合進行計算。荷載組合Ⅰ=1.2恒載+1.4汽車荷載+1.05人群荷載+0.735降溫+1.0收縮、徐變，荷載組合Ⅱ=1.2恒載+1.4汽車荷載+1.05人群荷載+0.735升溫+1.0收縮、徐變。2種荷載組合作用下，修正后系梁和拱肋的作用效應和設計抗力計算結果見表1～3。

表1 第3跨跨中截面系桿最大正彎矩承載能力驗算結果

表2 荷載組合Ⅰ作用下第3跨拱肋各關鍵截面承載能力驗算結果

從表1～3可以看出：在荷載組合作用下，黃柏大橋系梁、拱肋各關鍵截面的抗力值均大于荷載效應值，可達到公路-Ⅱ級荷載的要求，但安全儲備有所不足。

4 吊桿更換方法

由于早期建造的拱橋通車年份較長，且技術水平較低，施工質量無法得到保障，加上服役期間大部分吊桿的錨具部位會存在一定程度因腐蝕和疲勞引起的病害，如果對這些病害不及時加以處理，可能會造成嚴重事故。對這些吊桿有病害的拱橋進行維護的最優方式就是更換吊桿。

4.1 吊桿更換原理

更換吊桿的實質是改變系統的受力體系，就是設置一個臨時受力體系來接收舊吊桿傳遞出來的力，再把接收的力傳回新安裝的桿件上，保證整個過程對橋梁穩定性的擾動最小，從而安全地完成更換。其最大難點是對橋面標高及索力張拉的控制。

4.2 吊桿更換的基本方法

(1) 無替代法。無替代法是不設置臨時支撐，將原吊桿切斷更換新吊桿的更換方法。這種方法不設置臨時轉化體系，對橋梁整體剛度要求較高，因為需要依靠整體剛度效應將舊吊桿的力傳遞到其他吊桿。從過程來看，無替代法可能更節省成本，操作簡單，但實際工程一般不采用，因為拱橋一般跨徑較大，橋梁的整體剛度不支持使用無替代法。

(2) 臨時支架法。臨時支架法是將臨時支架搭設在橫梁下作為臨時受力體系，讓舊吊桿的力轉移到支架上從而完成體系轉換，要求支架是剛性的。這種方法對橋下環境條件要求較苛刻，對于跨越河流、山谷及橋下交通頻繁的拱橋，這種方法無法實施。并且理論上需要在更換前對剛性支架采取預壓措施來消除塑性變形，但實際工程中很多情況會由于場地限制預壓無法開展，進而影響橋面標高控制。因此，臨時支架法可以使用的空間很小。

(3) 臨時兜吊法。該方法是在施工過程中將原吊桿的力臨時轉移到連接在拱肋與橫梁之間的鋼絲繩上，在安裝新吊桿時將鋼絲繩的力轉移到新吊桿，完成之后不需對鋼絲繩進行卸載操作，操作相對更簡單。但由于無法準確測得鋼絲繩的內力，不利于控制橋面標高，故其不被頻繁采用。

(4) 臨時吊桿法。該方法是在施工中把臨時吊桿用作臨時受力體系，原理與臨時兜吊法相似，只是把鋼絲繩換成吊桿。先通過張拉臨時安裝的吊桿把待更換吊桿的力轉移到臨時吊桿上，逐節段把原吊桿切除及安裝新吊桿，然后再次通過張拉新吊桿釋放臨時體系的受力，從而使力轉移到新吊桿上，最后拆卸臨時吊桿。該方法是目前常用的方法之一。

(5) 橋面支撐法。該方法的原理是把釋放出的力轉移到鄰桿上，與無替代法相比，其優點是在這個過程中利用貝雷梁作為傳力體系實現體系轉換，對橋梁整體剛度要求不高。該方法操作方便、快捷，但要求橋梁的舊吊桿損傷不嚴重，且貝雷梁的位置會經常更換，較繁瑣。

4.3 施工流程

采用臨時吊桿法，其更換施工步驟見圖9。

圖9 吊桿更換施工流程

4.4 吊桿更換監控

(1) 吊桿更換施工中需控制橋面標高和吊桿內力，保證撓度和索力值滿足設計要求。

(2) 更換施工前采集每個吊桿的索力及橋面標高的初值。利用振動頻率法進行吊桿索力采集；提前規劃布置好測點及儀器架設點，采用高精度水準儀采集高程，并于設計位置貼好應變片方便后續應變采集。

(3) 施工中及時記錄橋面標高、吊桿伸長量、拱腳應變及加載油壓等，保證每次關鍵工況都有測量記錄數據，為下一步工況提供參考。

(4) 更換施工完成后，再次采集關鍵數據，將標高數據對比初值數據，同時觀察吊桿下吊點撓度變化，綜合判斷是否需對索力進行補充調整。如需要，則繼續修正索力，直到符合要求為止。

5 結語

該文說明了黃柏大橋服役過程中在拱肋、橫向聯結系、吊桿、橋面系及橋墩橋臺等部位出現的不同程度病害，分析了在特定環境下這些病害的形成原因，同時借助有限元軟件分析評價其承載能力，結果表明該橋能滿足公路-Ⅱ級荷載的要求，但安全儲備有所不足。通過對常用吊桿更換方法的對比分析，選擇臨時吊桿法進行吊桿更換，說明了其施工流程及監控要點，確保吊桿更換的順利進行。