某中承式拱橋橋面系塌落事故分析

應 立，伍曉孟*

（中鐵長江交通設計集團有限公司，重慶）

引言

中承式拱橋具有結構簡單、使用方便、承載能力優越的特點，是一種被廣泛應用的橋梁結構。中承式拱橋有拱肋、吊桿、橋面系主梁三大主要承重結構，其中吊桿在工程的實際應用中易出現錨固體系進水、失效以及鋼絲腐蝕斷裂等病害[1-2]，吊桿的安全性、耐久性遠達不到使用要求，其中相當一部分工程的吊桿在建成后短時間內出現嚴重的問題，不得不提前檢測維護，甚至提前更換吊桿拉索，浪費極大[3]。吊桿存在的安全隱患，致使部分拱橋橋面系梁體出現垮塌事故，嚴重威脅工程及人民生命財產的安全[4]。

本研究以某中承式拱橋部分橋面系塌落事故為例，分析了吊桿脆性破壞造成橋面系塌落的主要原因，便于深入了解中承式拱橋病害及其成因，對于中承式拱橋的建設實踐和運營管理極具現實意義。

1 橋梁概況

研究對象橋梁為新疆某中承式鋼管混凝土拱橋，主跨計算跨徑150 m，橋面系采用吊橫梁、縱置小T梁，吊桿縱向間距5 m；引橋為5×13 m（烏魯木齊岸）＋2×13 m（庫爾勒岸）鋼筋混凝土T 梁。兩岸橋臺基礎均為明挖基礎，引橋橋墩為柱式墩，橋面寬度為24 m，橋梁全長236.8 m。大橋橋跨布置如圖1 所示。

圖1 大橋橋跨布置

2 事故現場情況及過程分析

橋面系梁體垮塌事故發生后，相關人員詳細探勘了事故現場，根據橫梁及橋面板的墜落位置、吊桿斷裂的形態及主拱肋內側的擦痕等綜合分析，還原了橋面系發生墜落的基本過程：墜落發生時，首先拱橋上游側2 號吊桿突然斷裂，2 號橫梁上游端失去平衡發生橫向偏轉，由此產生的巨大慣性瞬間使處于下游側2 號吊桿發生彎拉脆斷，失去支撐的2 號橫梁隨即墜落于孔雀河下游側水中；與此同時，相應的2 號吊桿兩側的橋面板失去支撐向下墜落，在墜落的同時也將1 號吊桿與肋間橫梁間的橋面板一道墜于河中，墜落的橋面板有3 孔共計3×5=15 m，并在主拱肋鋼管內側形成了明顯的擦痕。1 號吊桿未發生斷裂，橫梁也未墜落，但由于臨近2 號吊桿的斷裂后橋面板墜落時的震動沖擊的影響，1 號橫梁的安全性難以判斷。

3 斷裂吊桿病害描述

大橋部分橋面墜落事故源于烏魯木齊側第2 號橫梁吊桿（共計兩根）發生斷裂，2 號橫梁及三孔橋面板墜落河中，其主體結構拱肋未發現明顯的破壞痕跡。2 號吊桿的斷裂部位發生在吊桿與橫梁頂面的結合處，因下錨頭及下端鋼絲隨橫梁墜入水中，打撈困難，因此無法檢查2 號吊桿下錨頭及其連接部位鋼絲的銹蝕情況，因此只有通過調查殘留端吊桿斷口的狀態來分析此次吊桿發生斷裂的主要原因。從現場截取的兩根含斷裂部位的殘留吊桿的斷口形態上可以看出：兩根吊桿鋼絲均未發生滑絲現象，橫梁以上吊桿鋼絲因為采用水泥漿防護，鋼絲表面有輕微銹痕，鋼絲斷口并未發現截面積減少現象，說明橫梁以上的防護方式還是有效的；但橫梁以下吊桿的防護情況就不是很樂觀，上游側2 號吊桿鋼絲的腐蝕情況比下游側2 號吊桿鋼絲斷口附近的鋼絲有大量腐蝕產物，鋼絲已被嚴重腐蝕，2 號吊桿約80%鋼絲有嚴重的腐蝕坑（有的已銹斷），為陳舊性斷裂。從吊桿取樣腐蝕情況表可以看出，鋼絲腐蝕程度已嚴重超出可接受的缺陷深度（國際預應力混凝土協會（FIP） 為0.04 d 或0.05 mm）；斷裂前，斷口附近已因腐蝕使吊桿斷面受到較大程度的消弱。

4 橋梁結構整體驗算

采用橋梁專用分析軟件MIDAS 對主橋正常使用階段進行結構分析，并進行正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下的結構驗算，尋找結構中的薄弱環節。橋梁結構驗算模型如圖2 所示。

圖2 結構驗算模型

4.1 結構驗算主要內容

結構驗算主要內容如下：

（1） 正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下的結構驗算。

（2） 使用狀態動力性能。

（3） 成橋狀態和使用狀態彈性穩定。

（4） 跨中伸縮縫未取消時的動力特性和彈性穩定。

鋼管混凝土構件驗算：按《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》計算；其中鋼管混凝土構件內力驗算（承載力驗算）采用基本組合，應力驗算采用短期效應組合和長期效應組合。

其它鋼結構驗算：依據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》進行應力驗算。

4.2 結構驗算主要結論

（1） 無論跨中是否設置伸縮縫，原設計擬定的主拱、橋面梁、吊桿、拱座等構件的截面尺寸滿足內力要求，且具有一定的安全儲備；主拱座的嵌固力滿足主拱推力的要求。

（2） 結構體系降溫30°時，端部短吊桿向跨中位移為17 mm；結構體系降溫10°時，端短吊桿向跨中位移為6 mm；上述位移導致吊桿發生轉角位移而產生彎曲應力。結構體系溫差對吊桿內力影響很小，可以忽略不計。

（3） 車輛制動力作用時，端部短吊桿縱向位移為8.5 cm，導致吊桿發生轉角位移而產生較大彎曲應力。制動力直接引起的吊桿內力較小。

（4） 主橋動力性能較差，1 階自振頻率為0.017 HZ，且為橋面系縱向漂移，導致吊桿產生反復的縱向位移；當跨中設置伸縮縫時，1 階自振頻率為0.006 HZ，且為橋面梁側向漂移，可能導致吊桿產生反復的縱橫向位移，橋面梁整體性較差。第1、2 階自振振型見圖3、圖4。

圖3 第1 階振型

圖4 第2 階振型

（5） 最不利狀態吊桿安全系數為2.6；當吊桿鋼絲銹斷達到85 根時，剩余有效鋼絲絲數小于53 根時，吊桿可能發生斷裂。

（6） 主橋彈性1 階失穩模態特征值大于3.5；當跨中無伸縮縫時，1 階失穩模態表現為橋面梁扭轉導致主拱扭轉；當跨中設置伸縮縫時，1 階失穩模態表現為主拱側彎。橋面梁不具有足夠的剛度為主拱提供保向力，結構體系的整體性能較差，第1、2 階失穩模態見圖5、圖6。

圖5 第1 階失穩模態，特征值為5.237

5 橋面系梁體垮塌原因分析

（1） 斷口附近的鋼絲有大量腐蝕產物，鋼絲已被嚴重腐蝕，吊桿斷口基本表現為（一次性加載的）脆性斷裂，大部分腐蝕嚴重的鋼絲無明顯塑性變形發生，可以初步確定吊桿屬于鋼絲應力腐蝕斷裂。

（2） 短吊桿受力狀況復雜。在隨時間變化荷載（如溫度荷載）作用下，橋面漂浮體系存在較大的水平位移，與跨中長吊桿相比，短吊桿剛性較大，固有頻率較高，受到的剪切變形較大。在車輛特別是超重車輛沖擊荷載作用下，吊桿下端處于反復彎剪狀態，導致鋼管護筒內砂漿斷裂，使鋼絲受到大氣和雨、雪水的直接侵蝕，發生嚴重腐蝕[5-6]。

（3） 吊桿防腐構造細節處理不當。從截取的吊桿樣本看，除吊桿下端靠近橫梁處腐蝕嚴重外，其余部位仍比較完好，說明鋼管護套內注入水泥漿的防腐方案從整體上來說是可行的，但關鍵部位的防腐構造并不能有效阻斷水與大氣對鋼絲的作用，導致整個吊桿的防腐失效。

（4） 吊桿為非永久性構件，在結構全壽命周期內需進行多次更換，至關重要的是應能對吊桿進行可視性檢查和可操作性更換。雖然本橋吊桿設計為可更換式吊桿，但其下端腐蝕部位無法通過常規檢查方式檢查其腐蝕情況，實際上吊桿處于不可知狀態。橋面在主跨內為多點彈性支承的多孔簡支結構體系，缺乏足夠的縱向聯系，只要又某一吊桿斷裂就會引起部分橋面系塌落。

6 設計角度的反思

6.1 吊桿、系桿構造設計

（1） 拱橋主體結構設計壽命≥100 年，吊桿、系桿設計壽命一般≥30 年，設計時應作可更換設計，構造上要做到可到達、可檢查、可維護、可更換。

（2） 最短吊桿應具有足夠的自由長度（一般不宜小于2.0 m），并具有適當構造措施以適應溫度變化及活載等引起的橋面系縱向變形。

（3） 吊桿、系桿盡可能錨具露出結構外面。

6.2 橋面系構造設計

（1） 應可能提高橋面系的整體性，橋面系的整體性對全橋整體穩定等特性有影響。

（2） 可能的話，橋面系宜采用縱、橫梁共同受力的“格子梁”結構形式?！豆蜂摴芑炷凉皹蛟O計規范》已對300 m 以上拱橋推薦采用鋼混組合梁連續體系。

（3） 橫梁受力為主的橋面梁需設縱梁，或者采取其他構造措施，做到“斷桿不落梁”。

（4） π 形梁的橋面系，盡量避免單跨簡支梁的形式，可考慮做成多跨連續π 形梁。

（5） π 形梁應具有足夠的橫向聯系剛度，避免引起橋面鋪裝的縱向開裂。

結束語

本研究通過新疆某中承式鋼管混凝土拱橋部分橋面系梁體垮塌事故，對吊桿斷裂破壞引起橋面系梁體塌落的原因進行了分析。通過分析表明：該類型的中承式肋拱橋吊桿及橋面系構造存在一定缺陷；吊桿主要因應力腐蝕、腐蝕疲勞作用和缺乏針對性的養護等原因發生脆性斷裂。最后，對該類型橋梁的設計進行了反思，為同類型的橋梁建設實踐吸取經驗教訓以規避同類事故的發生提供一定的借鑒作用。