福州灣邊大橋吊桿病害成因及處治方案分析

■趙素雅

（福州路港交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司， 福州 350000）

下承式鋼管混凝土拱橋是一種較為常見的橋型，具有造型美觀、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，但該類橋型對(duì)吊桿、吊索的維養(yǎng)要求較高。 吊桿、吊索等索類構(gòu)件作為下承式拱橋最重要的受力構(gòu)件之一，其耐久性和安全性問題常被忽視[1]。 目前，吊桿、吊索的病害已成為鋼管混凝土拱橋的主要病害形式。 比較常見的病害有錨固體系病害、防護(hù)措施病害、索體的病害以及索力不均等[2]。 因?qū)Φ鯒U耐久性認(rèn)識(shí)不足，對(duì)其病害成因分析和處治不及時(shí)、不到位，而最終導(dǎo)致吊桿斷裂引起的事故時(shí)有發(fā)生[3]，如南平市玉屏山大橋、江蘇常州運(yùn)河大橋、四川宜賓小南門橋、新疆孔雀河大橋等。

盡管國內(nèi)外已有較多拱橋吊索病害成因分析的研究，但對(duì)于組合橋型的吊索病害成因分析研究仍然較少。 目前常見的拱橋吊索的平均更換年限在12 年左右[4-5]，主要更換原因是索體的銹蝕。然而，對(duì)于剛構(gòu)-拱組合橋，受力由吊桿和梁共同承擔(dān)，橋梁的受力更加復(fù)雜[6]，若是對(duì)這類組合橋型的吊索病害成因認(rèn)識(shí)不充分，僅僅是參照拱橋吊索的更換原則，往往要付出更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)代價(jià)。

本研究以福州灣邊大橋主橋?yàn)橐劳校?以2019-2021 年期間的3 次吊桿專項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際受力情況，通過有限元數(shù)值模擬，計(jì)算分析吊桿的受力狀況，對(duì)索力超設(shè)計(jì)值和不均現(xiàn)象的成因進(jìn)行分析， 同時(shí)對(duì)現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行驗(yàn)算，提出吊桿病害的處治方案，為同類型組合結(jié)構(gòu)橋梁的病害處治提供借鑒。

1 橋梁概況

福州灣邊大橋起于建新鎮(zhèn)灣邊，與灣邊互通連接，終于京福國道主干線南嶼樞紐互通，橋梁全長1 874 m。主橋布置一聯(lián)（45+90+106+90+45）m，全長376 m 的單肋拱加勁V 型撐剛構(gòu)－連續(xù)梁橋， 總體布置圖見圖1。主橋在順橋向設(shè)置3 個(gè)單肋加勁拱，加勁拱中間大兩邊小。 拱肋線型均為二次拋物線設(shè)置，其中大拱矢跨比1/5，跨徑88 m，小拱矢跨比1/6，跨徑72 m。 加勁拱及吊桿橫斷面圖見圖2，吊桿按雙排布置，吊桿的橫向間距50 cm，吊桿的縱向間距8 m。小拱縱橋向每排設(shè)置7 根吊桿，大拱縱橋向每排設(shè)置9 根吊桿。

圖1 主橋總體布置圖

圖2 主橋加勁拱及吊桿橫斷面圖

2 吊桿病害檢測(cè)

灣邊大橋主橋在2019 年9 月和2021 年1 月、3 月進(jìn)行了3 次吊桿專項(xiàng)檢測(cè)。 檢測(cè)內(nèi)容包括外觀檢查和吊桿索力檢測(cè)等，外觀檢測(cè)主要包括吊桿外觀、吊桿錨頭及拱肋線型檢查等。

2.1 外觀檢查結(jié)果

從外觀檢查結(jié)果可知，各吊桿外套管總體情況較好，未見明顯缺陷，但吊桿與橫梁連接處的防水罩構(gòu)件普遍存在銹蝕、滲水現(xiàn)象；全橋吊桿下錨頭普遍存在銹蝕、滲水、黃油老化失效現(xiàn)象，部分錨頭內(nèi)部積水嚴(yán)重（圖3）；上下游主橋拱肋線型及高程較對(duì)稱，未見異常變形。

圖3 吊桿下錨頭檢查照片

2.2 吊桿索力檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 2019 年9 月檢測(cè)結(jié)果

索力檢測(cè)是均在通車狀態(tài)下采用頻率法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖4，其中倉山側(cè)編號(hào)為K4，閩侯側(cè)編號(hào)為K6，藍(lán)色線條代表左吊桿，紅色線條代表右吊桿，綠色代表平均值，紫色代表索力設(shè)計(jì)限值。從圖4 可知：（1）共有4 處吊桿索力平均值超限，吊桿位置集中在靠拱腳處；（2）倉山側(cè)拱肋的K4-1、K4-3、K4-7 號(hào)左右吊桿索力相差較大，相差最大值出現(xiàn)在K4-3 號(hào)吊桿，差值為361 kN；（3）主拱K5-3、K5-5、K5-9 號(hào)吊桿左右索力相差較大，相差最大值出現(xiàn)在K5-9 號(hào)吊桿，差值為228 kN；（4）閩侯側(cè)拱肋的K6-1、K6-5、K6-6 號(hào)吊桿左右索力相差較大，相差最大值出現(xiàn)在K6-1 吊桿，差值為293 kN。

圖4 2019 年9 月吊桿索力檢測(cè)值分布曲線

2.2.2 2021 年1 月檢測(cè)結(jié)果

索力檢測(cè)是均在通車狀態(tài)下采用頻率法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖5，從圖5 可知：（1）共有5 處吊桿索力平均值超限， 吊桿位置仍集中在靠拱腳處，與第一次檢測(cè)對(duì)比增加了K4-7 號(hào)吊桿；（2）倉山側(cè)拱肋的K4-1、K4-3、K4-7 號(hào)吊桿左右索力差值較大，相差最大值仍為K4-3 號(hào)吊桿，差值為848 kN；（3）主拱K5-3、K5-4、K5-7、K5-9 號(hào)吊桿左右索力差值較大， 相差最大值仍為K5-9 號(hào)吊桿， 差值為396 kN；（4）閩侯側(cè)拱肋的K6-1 號(hào)吊桿左右索力相差較大，差值為783 kN。

圖5 2021 年1 月吊桿索力檢測(cè)值分布曲線

2.2.3 2021 年3 月檢測(cè)結(jié)果

索力檢測(cè)是均在通車狀態(tài)下采用頻率法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖6，從圖6 可知：（1）共有3 處吊桿索力平均值超限；（2）倉山側(cè)拱肋的K4-1、K4-7號(hào)吊桿左右索力相差較大，相差最大值出現(xiàn)在K4-7號(hào)吊桿，差值為768 kN；（3）主拱K5-3、K5-4 號(hào)吊桿左右索力相差較大， 相差最大值出現(xiàn)在K5-3 號(hào)吊桿，差值為306 kN；（4）閩侯側(cè)拱肋的K6-1 號(hào)吊桿左右索力差值較大，差值為540 kN。

圖6 2021 年3 月吊桿索力檢測(cè)值分布曲線

2.2.4 歷次檢測(cè)吊桿索力對(duì)比分析

3 次吊桿專項(xiàng)檢測(cè)的索力對(duì)比見圖7， 由圖7可知：（1）3 次檢測(cè)的吊桿力分布曲線形狀相似，顯示“邊吊桿索力大，中吊桿索力小”的特點(diǎn)，且邊吊桿左右側(cè)索力相差較大；（2）整體上2021 年1 月測(cè)量值大于2019 年9 月和2021 年3 月的測(cè)量值，差值為31～375 kN，最大偏差33.4%，偏差主要體現(xiàn)在邊吊桿索力的檢測(cè)值上， 以K4-1 最具有代表性；（3）拱肋跨中吊桿索力的3 次檢測(cè)值較為接近。

圖7 歷次吊桿索力平均值對(duì)比

3 病害成因分析

3.1 有限元數(shù)值模型構(gòu)建

為分析吊桿的索力，本研究采用Midas Civil 軟件建立主橋數(shù)值模型進(jìn)行分析。 根據(jù)灣邊大橋竣工圖及設(shè)計(jì)說明確定各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性；吊桿采用桁架單元模擬；基樁、承臺(tái)、主墩、V 構(gòu)、箱梁、拱肋采用梁單元模擬；3#、6# 號(hào)墩為連續(xù)墩，4#、5# 號(hào)墩為剛構(gòu)墩，土－基樁間的相互作用按m 法考慮；根據(jù)橋梁運(yùn)行的實(shí)際情況設(shè)置荷載工況。 根據(jù)上述假設(shè)建立有限元數(shù)值模型見圖8。

圖8 灣邊大橋主橋有限元模型

3.2 不同工況組合下的吊桿索力分析

根據(jù)橋梁的實(shí)際受力情況，設(shè)置了不同的工況（荷載組合），其中：（1）組合1 指竣工時(shí)在恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合吊桿力；（2）組合2指成橋12 年后，在恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合吊桿力；（3）組合3 指在組合2 的基礎(chǔ)上增加汽車、人群、溫度、沉降等荷載作用；（4）組合4指成橋12 年的持久狀況下承載能力極限狀態(tài)基本組合。

按上述工況設(shè)置，有限元計(jì)算結(jié)果見圖9，由圖9 可知：（1）整體上，各吊桿索力實(shí)際檢測(cè)值均大于12 年收縮徐變后各荷載組合下的吊桿力模擬計(jì)算值；（2）吊桿力檢測(cè)值呈現(xiàn)邊吊桿大，中吊桿小的特點(diǎn)，但模擬計(jì)算的吊桿索力值則較為平均，中吊桿索力僅略大于邊吊桿；（3）各拱的中吊桿索力檢測(cè)值與模擬計(jì)算值相差較小，吻合得較好，但邊吊桿索力檢測(cè)值與模擬計(jì)算值相差較大；（4）收縮徐變對(duì)吊桿索力影響較為顯著，相比于組合1，組合2 在12 年的收縮徐變作用下吊桿力接近翻倍。

圖9 各種荷載組合下模型吊桿索力對(duì)比

3.3 收縮徐變影響分析

V 型剛構(gòu)-拱組合橋受力由吊桿和梁共同承擔(dān)，運(yùn)營階段混凝土收縮徐變效應(yīng)發(fā)生后，屬于高次超靜定的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生內(nèi)力重分布。 為了研究收縮徐變對(duì)吊桿力的影響，提取不同運(yùn)營時(shí)間下K4-1、K4-4、K5-1、K5-5、K6-1、K6-4 吊桿索力模擬計(jì)算結(jié)果，見圖10。 由圖10 可知：（1）在成橋運(yùn)營階段，吊桿力隨運(yùn)營時(shí)間的增加都有不同程度的增加；（2）拱圈中靠近兩側(cè)拱腳的短吊桿索力增加顯著，靠近拱圈跨中的吊桿索力增加則相對(duì)較小；（3）在成橋運(yùn)營5 年中吊桿力增加較快，增加值達(dá)到總增加值的60%以上；后期吊桿力增加較緩慢，20～30 年期間的吊桿力增加值只占總增加值的9%左右；（4）邊拱吊桿索力因收縮徐變?cè)黾?14～250 kN，中拱吊桿索力增加322～341 kN，收縮徐變對(duì)中拱吊桿的影響大于對(duì)邊拱吊桿的影響。

圖10 吊桿力隨時(shí)間變化曲線

3.4 測(cè)量方法的影響分析

頻率法是成橋索力測(cè)量的主要方法，但現(xiàn)有的一些計(jì)算公式受有效長度、抗彎剛度、邊界條件等因素的影響較大，尤其短吊桿在索力測(cè)試中則存在較大的誤差。 文獻(xiàn)資料顯示[7]，采用頻率法或者頻差法測(cè)定吊桿索力，都高估了索力測(cè)試結(jié)果。 對(duì)于6～16 m 計(jì)算長度的吊桿，索力誤差為偏大10%～32%，吊桿長度越短，誤差越大。 這也能較好地解釋灣邊大橋吊桿檢測(cè)結(jié)果中邊吊桿索力大于中吊桿索力，邊吊桿檢測(cè)數(shù)值穩(wěn)定性差且數(shù)值偏差較大等現(xiàn)象。為此，建議在吊桿施工過程中，根據(jù)索力張拉實(shí)測(cè)值測(cè)定頻率法測(cè)量的誤差系數(shù)，并用于運(yùn)營期的索力測(cè)量修正，提高短吊桿的索力測(cè)量精度。 該橋由于缺少施工時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，故無法進(jìn)行修正。

3.5 分析結(jié)論

（1）邊吊桿索力存在異常，即使排除頻率法的測(cè)量誤差， 實(shí)際索力仍大于數(shù)值模擬分析數(shù)值，需進(jìn)行更換， 并重新張拉至目前工況應(yīng)有的拉力；中吊桿服役情況較好， 實(shí)際索力與計(jì)算值較為接近。（2）根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，邊吊桿橫梁上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力超限的情況， 但現(xiàn)場吊桿橫梁尚未出現(xiàn)裂縫，建議予以補(bǔ)強(qiáng)。 （3）經(jīng)驗(yàn)算，灣邊大橋主橋上部結(jié)構(gòu)整體仍處于安全狀態(tài)。

4 病害處治方案分析

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合病害成因分析，提出病害處治方案如下：（1）為解決索力超設(shè)計(jì)值和偏差較大的病害，同時(shí)考慮吊桿鋼絲存在銹蝕或錨頭存在滲水情況，且本橋已運(yùn)營第13 年，從全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)全橋吊桿予以更換，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及場地空間的限制的特點(diǎn)，建議在吊桿更換中采用應(yīng)用相對(duì)較廣的臨時(shí)兜吊法。 （2）換吊桿前建議采用更為準(zhǔn)確的油壓觸動(dòng)法準(zhǔn)確識(shí)別短吊桿索力；加強(qiáng)對(duì)橋面、主梁線形的監(jiān)測(cè)；換吊桿時(shí)要精確測(cè)算吊桿的索力，并提取索力測(cè)算誤差系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)索力測(cè)算提供基礎(chǔ)；換吊桿后，要持續(xù)對(duì)吊桿的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)吊桿橫梁的日常巡檢，確保橋梁處在良好的工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合福州灣邊大橋3 次吊桿專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)吊桿索力出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象進(jìn)行了研究與分析，通過研究可以得到以下結(jié)論：（1）收縮徐變對(duì)吊桿索力的影響較為顯著， 在考慮12 年收縮徐變影響下，灣邊大橋主橋的吊桿索力接近是成橋狀態(tài)時(shí)吊桿索力的2 倍。 收縮徐變對(duì)短吊桿的影響大于長吊桿的影響。 （2）從灣邊大橋的檢測(cè)結(jié)果上看，短吊桿左右幅的索力呈現(xiàn)明顯的不均勻性， 相互之間的差值較大，這是由于采用頻率法進(jìn)行測(cè)量后，計(jì)算吊桿索力公式受到結(jié)構(gòu)抗彎剛度、邊界條件、有效長度等因素的影響較大，所以產(chǎn)生較大的誤差。（3）基于吊桿專項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元分析的方式可以更加充分地認(rèn)識(shí)導(dǎo)致吊桿索力不均的原因，為吊桿的處治方案提供有力的數(shù)據(jù)支撐，具有指導(dǎo)性意義。