鋼管混凝土拱橋病害分析與加固設(shè)計(jì)

張彩娟

(黑龍江龍高公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

20世紀(jì)90年代鋼管混凝土拱橋在我國(guó)快速發(fā)展，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，中承式鋼管混凝土拱橋懸吊橋面系多采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與矮T縱梁體系，高強(qiáng)吊桿與系桿容易由于腐蝕和疲勞引起破斷，懸吊橋面剛度與整體性較差，如四川宜賓小南門大橋、新疆孔雀河大橋均由于吊桿斷裂導(dǎo)致橋面系斷裂墜江事故。

1 原橋概況

六景郁江橋采用凈跨220 m中承式鋼管混凝土拱橋，凈矢跨比為1/5，拱軸線采用無(wú)鉸懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543，矢高44 m。1999年建成通車，原設(shè)計(jì)荷載：汽-超20級(jí)，掛-120。

主拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，橫斷面由4-Φ820 mm鋼管組成，管內(nèi)灌注50#混凝土，主拱肋間設(shè)5道鋼管桁架橫向聯(lián)系。吊桿有35組，相鄰吊桿間距5.1 m。橋面系吊桿橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，縱梁采用鋼筋混凝土矮T梁。

2 典型病害及成因分析

自1999年通車以來(lái)，該橋主要經(jīng)歷7次病害檢查，該橋的典型病害為主拱鋼管混凝土脫空、吊桿錨頭積水、橋面預(yù)應(yīng)力橫梁U型裂縫、縱向矮T梁U型裂縫，與國(guó)內(nèi)同類型的采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與矮T縱梁橋面系的中承式鋼管混凝土拱橋典型病害一致。

2.1 主拱肋鋼管混凝土不密實(shí)

(1)病害描述：主拱肋鋼管混凝土不密實(shí)、脫粘情況較為普遍，管內(nèi)混凝土不密實(shí)面積約占檢測(cè)面積的55%～60%。

(2)病害分析：由于受施工技術(shù)限制，曲線鋼管內(nèi)灌注混凝土很難達(dá)到絕對(duì)密實(shí)，且鋼管與混凝土膨脹系數(shù)有一定的差異，受日照溫差等影響，鋼管與混凝土之間的脫空不可避免。鋼管混凝土不密實(shí)會(huì)降低主拱肋有效截面面積，降低鋼管對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)，導(dǎo)致截面剛度和強(qiáng)度削弱。

2.2 吊桿錨頭積水

(1)病害描述：吊桿上、下錨頭存在66處防水蓋缺失、松動(dòng)、積水。

(2)病害分析：錨頭積水主要是由于防水罩開(kāi)裂導(dǎo)致雨水滲流至錨頭保護(hù)罩內(nèi)，雨水長(zhǎng)時(shí)間積存會(huì)造成錨頭銹蝕，導(dǎo)致吊桿的安全性降低。

2.3 橋面橫縱梁跨中U型裂縫

(1)病害描述

①橋面橫梁：2007年4片拱上橫梁出現(xiàn)大量U型裂縫，于是粘貼鋼板加固，2011年這4片橫梁又出現(xiàn)87條裂縫，2014年新增90條裂縫，裂縫均從梁底向上發(fā)展至下鋼板下邊緣。

②橋面縱梁：2011年8片縱向矮T梁跨中存在U型裂縫，最大裂縫寬度0.1 mm，2014年縱向矮T梁共存在2 220條裂縫，主要表現(xiàn)為：橫向、L型、U型及豎向裂縫，最大裂縫寬度0.25 mm。

(2)病害分析：拱上橫梁、橋面縱梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大裂縫寬度0.25 mm，未超過(guò)規(guī)范限值，該裂縫屬正常受力現(xiàn)象，但構(gòu)件開(kāi)裂現(xiàn)象在逐步加劇。

3 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

原設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20級(jí)，掛車-120。

加固設(shè)計(jì)荷載：公路一Ⅰ級(jí)。

3.2 設(shè)計(jì)思路

(1)吊桿錨頭積水，容易造成內(nèi)部鋼絲銹蝕，吊桿承載力很難準(zhǔn)確評(píng)定；

(2)拱上橫梁2007年已加固，但裂縫不斷加劇，再通過(guò)加固的手段限制裂縫和提高承載力的空間有限；

(3)橋面縱梁開(kāi)裂，且裂縫逐步加劇，容易造成內(nèi)部鋼筋銹蝕，耐久性和安全性逐步降低；

(4)原懸吊橋面采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與矮T縱梁體系，橋面整體性剛度與穩(wěn)定性較差。

為提高橋面系整體剛度及穩(wěn)定性，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，吊桿、橋面系結(jié)構(gòu)全部拆除更換，并對(duì)不密實(shí)主拱肋注漿加固。

3.3 加固設(shè)計(jì)

(1)新橋面系結(jié)構(gòu)

新橋面系結(jié)構(gòu)選擇鋼-混疊合梁形式，橋面系自重略有減少，不會(huì)影響拱軸線，且瀝青混凝土鋪裝與混凝土橋面板粘結(jié)性較好。

新橋面系由橋面鋪裝層、預(yù)制橋面板、縱橫鋼板梁組成。橫、縱梁采用焊接工字鋼截面。

橫梁為橋面主受力結(jié)構(gòu)，縱梁采用栓焊結(jié)合的方式連接于橫梁上，形成格子結(jié)構(gòu)，減小橋面板區(qū)塊的同時(shí)將全橋橫梁聯(lián)為整體，增強(qiáng)橋面整體性?？v梁與橫梁頂板焊接，腹板及底板通過(guò)剪扭型高強(qiáng)螺栓栓接。

縱、橫鋼板梁上安裝20 cm厚鋼筋混凝土預(yù)制橋面板，預(yù)制板間通過(guò)濕接縫連為整體，與縱橫梁通過(guò)濕接縫處頂板剪力釘連接，形成鋼-混疊合截面共同受力。

(2)吊桿更換

①?gòu)?qiáng)度要求：吊桿的安全系數(shù)不應(yīng)小于3.0，短吊桿的安全系數(shù)應(yīng)大于其他吊桿，新設(shè)計(jì)吊桿最大索力990 KN。

②耐久性要求：吊桿的使用壽命應(yīng)不小于15年。

③便于生產(chǎn)，且有利于再次更換的要求。

新吊桿鋼絲強(qiáng)度等級(jí)1 670 MPa，吊桿破斷載荷3 535 KN。

(3)鋼管混凝土不密實(shí)修復(fù)

對(duì)主拱肋鋼管內(nèi)不密實(shí)混凝土采用注漿加固，采用滲透性優(yōu)良的環(huán)氧類漿液。注漿施工前，先結(jié)合前期檢測(cè)的結(jié)果，采用錘擊法或超聲波法測(cè)定縫隙的位置及大小。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 有限元建模

對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行新更換橋面系的計(jì)算，按新橋面系更換實(shí)際施工步驟模擬成橋過(guò)程。主拱肋按鋼管和混凝土聯(lián)合截面模擬，疊合梁混凝土橋面板用板單元模擬。

4.2 主要計(jì)算結(jié)論

(1)主拱肋上、下弦桿基本滿足《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB 50923-2013)的強(qiáng)度要求，富裕不多；新橋面系鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)滿足《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50917-2013)的強(qiáng)度要求；正常使用極限狀態(tài)下，鋼管混凝土主拱肋鋼管應(yīng)力不大于0.8fy。

(2)縱、橫梁鋼構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)的要求。

(3)全橋彈性特征值分析，計(jì)算失穩(wěn)系數(shù)為5.1，滿足《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D65-06-2015)不小于4的要求。

5 施工控制分析

在施工過(guò)程中，由于各種誤差影響，吊桿索力會(huì)偏離理想狀態(tài)，當(dāng)偏離量超過(guò)允許范圍后就要通過(guò)調(diào)整索力糾偏。

吊桿調(diào)索的總原則是確保結(jié)構(gòu)在調(diào)索過(guò)程中應(yīng)力、變形與穩(wěn)定狀態(tài)在允許范圍內(nèi)，從而確保吊桿的索力、橋梁的線形最大限度符合設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)。

5.1 吊桿索力分析

吊桿安裝施工完成后，實(shí)測(cè)調(diào)索前后吊桿索力，并與目標(biāo)設(shè)計(jì)索力對(duì)比，見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，吊桿調(diào)索完成后，吊桿索力分布較均勻，與目標(biāo)索力最大偏差6.31%，偏差控制在10%以內(nèi)。

圖1 調(diào)索前后吊桿實(shí)測(cè)內(nèi)力與目標(biāo)內(nèi)力對(duì)比

5.2 橋面線形分析

實(shí)測(cè)調(diào)索前后橋面線形，并與設(shè)計(jì)線形對(duì)比，見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，調(diào)索過(guò)程中橋梁位移在正常范圍，調(diào)索后橋面整體線形較為平順，兩側(cè)也較為對(duì)稱。

圖2 調(diào)索前后橋面實(shí)測(cè)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高對(duì)比

6 結(jié) 論

通過(guò)有限元軟件模擬橋梁加固施工過(guò)程，以成橋吊桿索力、橋面線形為控制目標(biāo)，得到以下結(jié)論。

(1)近年來(lái)，個(gè)別早期中下承式鋼管混凝土拱橋吊桿斷裂引發(fā)事故，反映出早期懸吊橋面系結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)理念、施工工藝及養(yǎng)護(hù)方面有待進(jìn)一步完善，對(duì)在役鋼管混凝土拱橋吊桿及橋面系結(jié)構(gòu)應(yīng)定期檢測(cè)，監(jiān)控病害發(fā)展情況。

(2)早期懸吊橋面系結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與矮T縱梁體系，橋面剛度及整體穩(wěn)定性較差，病害發(fā)展較快，可考慮吊桿與橋面系整體更換，橋面系結(jié)構(gòu)更換為整體性較好的鋼-混疊合梁形式。

(3)本橋吊桿及橋面系更換后，各主要構(gòu)件強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求；成橋?qū)崪y(cè)吊桿索力、橋面線形滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

(4)該橋吊桿及橋面系結(jié)構(gòu)更換設(shè)計(jì)方案合理可行，可供同類型中承式鋼管混凝土拱橋加固設(shè)計(jì)借鑒。