某中承式鋼管混凝土拱橋吊桿加固方案對比分析

摘要：20世紀90年代我國修建了大量的鋼管混凝土拱橋，隨著20多年過去，目前大量拱橋服役時間接近吊桿設計更換年限;大量拱橋吊桿需要維修加固處治。文章以四川山區省道公路某典型中承式鋼管混凝土拱橋吊桿加固設計為例，對比分析了更換原橋吊桿與保留原吊桿基礎上新增輔助吊桿兩種方案，經綜合比選，提出新增輔助吊桿、保留原吊桿方案更優。

[作者簡介]熊倫（1989—），男，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。

鋼管混凝土拱橋具有結構輕盈、承載能力高、跨越能力強、施工快捷方便等優點，在我國公路工程中得到大量應用[1]，尤其對于西南山區，山高谷深，中承式有推力鋼管混凝土拱橋是跨河、跨溝橋梁結構的重要形式。但由于大多數鋼管混凝土拱橋于20世紀90年代開始建造，當時經濟水平低，受建造技術手段制約，經多年超荷運營后，各拱橋均出現不同程度的病害，整體性差、承載能力難以滿足現行公路橋涵技術標準;常見病害主要為吊桿及其上下錨頭銹蝕、混凝土縱梁與橫梁表面開裂，支座變形脫空，橋面鋪裝大范圍開裂等;隨著經濟發展，交通量、尤其重載車輛顯著增加，鋼管混凝土拱橋帶病運營越來越普遍，安全事故時有發生，造成惡劣的社會影響;因此加強在役鋼管混凝土拱橋的健康監控、檢測與加固十分必要[2-3]。

目前針對鋼管混凝土拱橋吊桿病害，常用的加固方案主要為更換吊桿。吳昊[4]以某中承式鋼管混凝土拱橋為背景，對該橋的主要病害進行了詳細分析，從橫梁加固、吊桿更換等方面提出了加固方案與處治措施。古云秋[5]以健跳大橋為例，對比分析了吊桿更換常用的拱肋兜吊法與橋面兜吊方案的優缺點。林桂萍等[6]以某中承式有推力鋼管拱橋為例，提出了增設吊桿和縱向鋼梁的方案，提高了該橋的安全儲備，取得了較好的加固效果。

由于目前針對鋼管混凝土吊桿拱橋吊桿病害采用的處治措施主要為吊桿更換，但在吊桿更換過程中需設置兜吊系統、鑿除原吊桿，在施工過程中存在安全隱患。本文基于某中承式有推力拱橋檢測結果，認為該橋雖已運營20多年，但吊桿技術狀況較好，無顯著病害，為降低吊桿更換過程中的施工風險，可采取保留原吊桿、新增輔助吊桿的處治方案。

1 工程概況

某中承式拱橋主橋采用一孔跨徑160 m的鋼管混凝土拱橋，拱肋為鋼管混凝土桁架結構，行車道設置在拱肋中間，人行道設置在拱肋外側（圖1）。橋面結構采用吊桿吊T型橫梁、縱置小T型梁式橋面板。橋面縱向設2 %單向坡，橫向設1.5 %雙向坡，橋梁全寬14.1 m，全長207.6 m。該橋于1998年7月建成通車，至今未加固改造過，且日常養護較少。

該橋上部結構拱肋高3.2 m，寬1.5 m，每肋為上下各2根直徑×壁厚為600×12 mm內灌混凝土鋼管，并通過橫向綴板、豎向各2根直徑×壁厚為245×8 mm腹桿連接而成的N型鋼管混凝土桁架。兩肋中距9.1 m，拱肋橋面以上設四道橫撐，兩端橋面以下各設2道K字橫撐，并與拱座連接，橫撐均為空鋼管桁架。橋面與拱肋交叉處設肋間固結橫梁作為桁架的橫撐。拱上立柱采用4根直徑為245 mm鋼管混凝土桿件組成的格構柱，用鋼板制作柱頂、柱腳構造與立柱橫梁、拱肋桁架相連。吊桿采用12束15.24 mm高強度低松弛預應力鋼絞線，兩端用改進后的YM15-12錨具作吊具。下端錨具采用鎖頭器錨固，并設有可調節橫梁高度的螺母，上端錨具采用夾片錨固，并用壓板固定。吊桿采用外套鋼管，管內壓水泥砂漿作防護。

對該橋進行檢測時發現吊桿下部錨頭結構普遍積水，吊桿從拱端錨頭至梁端錨頭全段都有不同程度銹蝕，部分已有蝕坑。吊桿結構受力的鋼絞線、夾片、錨板等結構腐蝕會對吊桿抗拉性能及抗疲勞性能造成影響，嚴重影響吊桿體系及大橋整體運營安全，需要及時對吊桿進行加固維修處治。

2 病害原因分析

該橋梁吊桿結構采用老式的鋼絞線外套鋼管（圖2），并在管內灌注水泥漿，該種吊桿結構形式國內現存很少，新橋已基本不采用。該吊桿結構防護性能較差，吊桿與橋面連接處雨水滲透，以及部分吊桿索體鋼管焊接處有裂紋，造成吊桿下部結構普遍積水。因為虹吸效應及水汽擴散，吊桿從拱端錨頭至梁端錨頭全段都有不同程度銹蝕，部分已有蝕坑。從結構分析，腐蝕最嚴重的地方是從橋面到梁端錨頭的鋼絞線裸露段。

3 更換原吊桿方案

原橋吊桿選用12束15.2 mm鋼絞線整束擠壓式吊桿，索體采用fpk=1860 MPa的鋼絞線，公稱截面積0.00 168 m2。其產品設計破斷力為3 124.8 kN;根據吊桿有限元計算分析，得到吊桿安全系數為2.43，不滿足JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》第5.8條中安全綜合系數不小于2.5的相關要求;同時根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》，對于可更換的吊索，設計使用年限為20年，本橋于1998年通車運營，距今已有22年，已超過設計使用年限，故建議對吊桿進行處治。

吊桿更換方案采取對原吊桿進行原位更換，新吊桿選用19束15.2 mm鋼絞線整束擠壓式吊桿，索體采用fpk=1860 MPa的環氧涂層鋼絞線，公稱截面積0.002 66 m2。其產品設計破斷力為4 947.6 kN;計算得到吊桿安全系數3.85;滿足規范要求。新吊桿采用防護性更好的拉索結構，同時做好吊桿與橋面連接處的防水措施。

吊桿更換方案在更換吊桿過程中需對吊桿橫梁吊點位置進行鉆孔以便取出原吊桿，鉆孔過程中對原吊桿橫梁損傷較大，而原吊桿橫梁設計為尺寸較小的T型截面，吊桿錨固底部僅40 cm寬，對于19束鋼絞線的錨頭，需鉆孔直徑為16 cm，使得吊桿橫梁兩側僅余理論值12 cm，在鉆孔過程中，尤其對于橋面底部高空作業，難以保證施工精度，鉆孔過程中極易導致原吊桿橫梁破壞，使得整個橋面系存在坍塌風險，因此在更換吊桿前需對吊桿橫梁預先進行加固處治。

結合目前常用的吊桿橫梁加固技術，常用的方式有外貼鋼板法與外包混凝土2種（圖3）。外貼鋼板法略增加原結構自重和尺寸，可能損傷原結構鋼筋，鋼板通過錨栓與吊桿橫梁有效連接，可有效保證兩者共同受力，加固效果較好，施工較易控制，工期較短。外包混凝土方案明顯增加原結構自重和尺寸，可能損傷原結構的鋼筋;腹板兩側外包混凝土厚度僅10 cm，后澆混凝土與既有橫梁腹板結合面連接強度較差，不易保證兩者共同受力，施工難以控制，工期較長。通過上述綜合比較，選擇外貼鋼板的方式對吊桿橫梁進行處治。

4 增設輔助吊桿及鋼縱梁方案

由于原吊桿原位置更換方案在施工過程中需設置兜吊系統、鑿除原吊桿，對原吊桿橫梁損傷較大，需要對原吊桿橫梁進行加固，對于橋下江面上高空作業施工時存在安全隱患。而鑒于該橋雖已運營20多年，但吊桿整體狀態較好，同時結合國內多座吊桿拱橋加固時橋下增設鋼縱梁的思路，采用在吊桿橫梁兩側增設輔助吊桿、保留原吊桿、新增鋼縱梁的綜合處治方案（圖4）;該方案無需拆除原橋吊桿，不用設置臨時兜吊系統，無需在原吊桿橫梁上設置錨栓孔，對原吊桿橫梁損傷小，新增橋下縱梁可加強原橋結構整體性;同時該方案所新增的鋼構件可在工廠內加工，橋位現場采用高強螺栓形成整體，橋下作業少，安全風險低，工期短，成本低，施工質量可靠，加固效果較好。

5 結束語

本文以四川山區省道公路某典型中承式鋼管混凝土拱橋吊桿加固設計為例，對比分析了更換原橋吊桿與保留原吊桿基礎上新增輔助吊桿2種加固設計方案。

由于吊桿更換過程中需設置兜吊系統、鑿除原吊桿，在施工過程中存在安全隱患。而新增輔助吊桿可很好地與新增鋼縱梁結合，可顯著改善原橋結構受力模式，且施工安全風險低，施工快速便捷;在同類橋梁加固維修處治中，若原吊桿狀況較好，條件允許時建議優先選用增設輔助吊桿與鋼縱梁的加固方式。

參考文獻

[1] 陳寶春，陳亞林.鋼管混凝土拱橋調查與分析[J].世界橋梁，2006，4（2）：73-77.

[2] 魏建東.宜賓小南門大橋的搶修加固與恢復工程[J].公路，2003（4）：34-38.

[3] 付晶華，常立新.系桿斷裂對拱橋健康狀況的影響[J].武漢理工大學學報，2006（10）：61-65.

[4] 吳昊.某中承式鋼管混凝土拱橋病害分析及加固設計[J].公路工程，2017（3）：154-158.

[5] 古云秋.健跳大橋吊桿更換方案比選分析研究[J].公路交通科技應用技術版，2014（6）：5-9.

[6] 林桂萍，郭曉東，彭世恩，等.有推力鋼管砼中承式拱橋吊桿加固技術[J]. 廣東公路交通，2020，3：35-39.