某鋼管混凝土拱橋橫撐銹蝕對穩(wěn)定性的影響分析及加固效果評價

■潘金發(fā)

（福建省交通建設(shè)試驗(yàn)檢測中心有限公司，福州 350007）

隨著科技的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，交通運(yùn)輸量也在不斷的增長，大型重車日趨增多，勢必對公路橋梁造成不同程度的損壞，部分構(gòu)件因時間久遠(yuǎn)開始老化、破損，為日益發(fā)展的交通運(yùn)輸需求帶來隱患。 近年來，由于穩(wěn)定性不足造成的橋梁安全事故屢見不鮮。 鋼管混凝土拱橋因受力較合理、用料較省等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。 橫撐作為鋼管混凝土拱橋組成構(gòu)件之一，聯(lián)系拱肋并提升拱肋橫向剛度，其狀況直接影響拱橋的穩(wěn)定性。

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋，全長113.72 m，橋跨布置為一孔凈99 m 的鋼管混凝土下承式系桿拱，橋面寬度16.35 m，凈矢跨比1/5，凈矢高19.8 m。該橋拱肋采用雙肢D=800 mm 鋼管加寬度為500 mm 的鋼板組合成啞鈴型鋼管，管壁鋼板厚14 mm，采用A3 鋼板卷制而成，內(nèi)填C40 砼。 拱肋間設(shè)6 道D=800 mm空心鋼管一字撐。 該橋正面、平面布置圖見圖1、2。

圖1 正面布置圖

圖2 平面布置圖

2 橫撐現(xiàn)狀分析及有限元模型建立

2.1 原橋橫撐現(xiàn)狀分析

通過對該橋外觀檢測，主要發(fā)現(xiàn)：全橋橫撐的鋼管表面防腐漆脫落現(xiàn)象較為嚴(yán)重，鋼管表面及焊縫處出現(xiàn)不同程度銹蝕的現(xiàn)象，根據(jù)統(tǒng)計銹蝕面積約為30%。 查閱圖紙得知，該橋鋼管防腐設(shè)計為防銹漆H53-31 紅丹環(huán)氧脂及面漆CO4-42 醇酸磁漆各2 道，干膜總厚度為150～200 μm，設(shè)計厚度偏低，再加上該橋運(yùn)營多年，鋼管長期暴露在腐蝕環(huán)境下，加速防腐層的老化、脫落，失去對基體金屬材料的保護(hù)作用。 為了合理有效地評估橫撐銹蝕是否影響橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而影響運(yùn)營的安全性，根據(jù)該橋橫撐的實(shí)際技術(shù)狀況，模擬橫撐銹蝕30%的工況進(jìn)行有限元建模計算分析，即全部橫撐的直管和斜管截面面積減小30%，并與原橋完好結(jié)構(gòu)對比，分析橫撐銹蝕對其穩(wěn)定性的影響[1]。

2.2 有限元模型建立

本次采用Midas/Civil 2019 進(jìn)行分析， 橋面采用板單元與縱橫梁結(jié)合成一體，但不考慮人行道面板對剛度的影響， 將其荷載分布到所作用的橫梁上， 考慮到橋梁面的伸縮縫對整體剛體的削弱，將第一塊板與端橫梁邊約束釋放開。 對吊桿也采用梁單元，但釋放兩端約束，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定計算，同時將系桿力PES15-37 以集中力作用于錨固點(diǎn)， 拱肋采用實(shí)心混凝土等截面。 該橋有限元模型見圖3。

圖3 原橋Midas/Civil 有限元模型

3 原橋穩(wěn)定性分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[2]，橫向風(fēng)力對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性影響較小，本文在分析橋梁結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性時，不考慮其所受的橫向風(fēng)力影響，只考慮原橋在自重、二期荷載作用下的工況及該橋在成橋后的穩(wěn)定性， 從而來建立有限元屈曲分析模型，從模型提取前5 階的模態(tài)，分析橫撐銹蝕對該鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的影響。 原橋完好狀態(tài)與橫撐銹蝕狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)對比見表1。原橋完好狀態(tài)、橫撐銹蝕及橫撐加固后前5 階失穩(wěn)模態(tài)圖見圖4～8。

圖4 第一階失穩(wěn)模態(tài)

表1 原橋完好與橫撐銹蝕狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)對比分析

圖5 第二階失穩(wěn)模態(tài)圖

圖6 第三階失穩(wěn)模態(tài)圖

圖7 第四階失穩(wěn)模態(tài)圖

圖8 第五階失穩(wěn)模態(tài)圖

由表1、圖4～8 分析可知：（1）原橋完好狀態(tài)下整體結(jié)構(gòu)彈性屈曲安全系數(shù)即該橋第一階穩(wěn)定安全系數(shù)為5.564，根據(jù)規(guī)范[3]中的規(guī)定，主拱彈性整體穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于4.0。 而橋梁失穩(wěn)模態(tài)分析可知，前5 階均為拱肋面外的橫向失穩(wěn)，并伴有橋面有不同程度的扭轉(zhuǎn)，而在分析的階次中均未出現(xiàn)橋梁面內(nèi)的縱向失穩(wěn)，這說明該鋼管混凝土下承式系桿拱的橫向剛度比其縱向剛度小。 從現(xiàn)場檢測可知， 該橋拱肋橋面上的6 道橫撐為一字撐平行布置，直接焊接在拱肋鋼管間的鋼腹板上，連接方式薄弱，剛度較小，對于穩(wěn)定破壞來說，拱肋的局部性失穩(wěn)破壞將能直接使整個拱橋喪失承載能力。（2）橫撐銹蝕后前五階穩(wěn)定性系數(shù)基本都呈降低趨勢，降低幅度為20.3%～40.1%， 值得注意的是， 橫撐銹蝕達(dá)30%后，該橋第一階穩(wěn)定安全系數(shù)為4.023，達(dá)到規(guī)范[3]臨界值，穩(wěn)定性安全系數(shù)低。從前5 階失穩(wěn)模態(tài)分析可知， 橫撐銹蝕后失穩(wěn)模態(tài)與原橋一致，所以，橫撐銹蝕基本不改變原橋的失穩(wěn)模態(tài)。

綜上分析可知，橫撐銹蝕將降低拱肋橫向剛度，使原橋的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)降低，因此，為保證該橋處于安全運(yùn)營的狀態(tài)，應(yīng)對原橋橫撐進(jìn)行加固改造處理，提高穩(wěn)定性安全系數(shù)。

4 加固設(shè)計方案及效果評價

4.1 加固設(shè)計方案

針對該橋外觀檢測中所勘察出的相關(guān)病害及其銹蝕后的穩(wěn)定性分析，應(yīng)采取相應(yīng)的加固改造方法對原橋進(jìn)行有效地加固改造，增強(qiáng)拱肋橫向剛度，提高橋梁穩(wěn)定性安全系數(shù)。 （1）對橫撐鋼管重新涂裝，以滿足橫撐防腐蝕的要求，應(yīng)采取表面處理+涂刷環(huán)氧富鋅底漆1道+封閉層1 道+涂刷環(huán)氧云鐵中間漆2 道+涂刷聚氨酯面漆2 道，干膜總厚度為260 μm。（2）對橫撐進(jìn)行加強(qiáng)，提高拱肋橫向剛度，通過反復(fù)計算表明，在原有橫撐的基礎(chǔ)上，把一字撐改為K型撐，K 型撐的角度為40°～50°之間，能夠有效增強(qiáng)拱肋的橫向剛度，從而達(dá)到提高整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的效果。 加固后的模型圖見圖9。

圖9 加固后的模型圖

4.2 加固效果評價

對于加固后橋梁穩(wěn)定性的分析，與加固前原橋的求解方法一樣，是對加固方案在自重、二期荷載作用下的工況來建立有限元屈曲分析模型，從模型提取前5 階的模態(tài)，分析橫撐加固對該鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的影響。 橫撐加固后與原橋完好狀態(tài)、橫撐銹蝕后的穩(wěn)定性系數(shù)對比分析見表2。

表2 橫撐加固后與原橋完好狀態(tài)、橫撐銹蝕后的穩(wěn)定性系數(shù)對比分析

由表2、圖4～8 分析可知，橫撐加固后第一階穩(wěn)定性系數(shù)為7.477；對比原橋完好狀態(tài)、橫撐銹蝕后的穩(wěn)定性系數(shù)，橋梁前5 階穩(wěn)定性系數(shù)均大幅度提高，分別為24.1%～50.8%、84.7%～107.3%。從橋梁失穩(wěn)模態(tài)可以看出， 橫撐加固后基本與原橋結(jié)構(gòu)一致，以面外的橫向失穩(wěn)為主，這也說明該橋拱肋的局部失穩(wěn)仍是全橋穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵所在。 以上表明，該加固設(shè)計方案是有效、可行的，能夠很大程度提高拱肋橫向剛度， 從而提高全橋整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證今后橋梁的安全運(yùn)營。

5 結(jié)論

在對某鋼管混凝土拱橋進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)問題后，通過對該橋建立有限元模型計算，并結(jié)合實(shí)際橋梁技術(shù)狀況考慮橫撐銹蝕對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析，提出該橋的加固設(shè)計方案并進(jìn)行效果評價，得到以下結(jié)論：

（1）橋梁橫撐出現(xiàn)銹蝕達(dá)到30%后，主拱彈性整體穩(wěn)定系數(shù)將臨近規(guī)范[3]中的規(guī)定的4.0，穩(wěn)定性安全系數(shù)不足，不利于今后的安全運(yùn)營，從而提出對原橋橫撐進(jìn)行加固改造。

（2）通過對全橋橫撐重新進(jìn)行涂裝防腐設(shè)計和改一字撐為K 字撐后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，橋梁前5 階穩(wěn)定性系數(shù)均大幅度提高，有效地提高了拱肋橫向剛度，從而提高了橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)方面，前5 階的失穩(wěn)模態(tài)仍以拱肋面外的橫向失穩(wěn)為主。 所以，橫撐作為聯(lián)系拱肋并能提升拱肋橫向剛度，則橫撐的健康狀況對影響拱橋的失穩(wěn)形態(tài)起關(guān)鍵性作用。

（3）因此，鋼管混凝土拱橋橫撐的損傷和類型對橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響是很重要的，在今后的鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)檢測、維護(hù)的過程中，應(yīng)當(dāng)重視橫撐的健康狀況，從而保證橋梁的安全運(yùn)營。