某中承式鋼管混凝土拱橋檢測(cè)評(píng)估及加固改造

■黃偉聰

（福州濱海臨空開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，福州 350200）

鋼管混凝土拱橋造型優(yōu)美、 結(jié)構(gòu)自重較小、跨越能力及承載能力均較強(qiáng)，諸多的優(yōu)勢(shì)讓該橋型在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。 然而早期建成的鋼管混凝土拱橋很多是無(wú)縱梁的結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)冗余度不足，此時(shí)吊桿成為橋面結(jié)構(gòu)的唯一支撐， 一旦吊桿失效，對(duì)應(yīng)的橫梁將同時(shí)失效，相鄰的橋面及橫梁將逐一垮塌，造成事故。2001 年四川宜賓小南門大橋、2011 年新疆庫(kù)爾勒孔雀河大橋、2011 年福建武夷山公館大橋的事故均為此類事故，因此，無(wú)勁性縱梁的鋼管混凝土拱橋被確認(rèn)為結(jié)構(gòu)存在缺陷的橋梁[2]。 此外，老舊鋼管混凝土拱橋經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，病害較多[3]，可能已導(dǎo)致其承載力不足或耐久性不滿足要求，檢測(cè)評(píng)估與加固改造對(duì)該類橋梁的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。 本研究以某三跨中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?，?duì)其進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估并提出加固改造方案，為同類工程提供參考。

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋橋面全寬23.40 m， 主橋?yàn)槊靠變艨?0.20 m 的三孔中承式鋼管混凝土拱橋，矢跨比1/3，拱軸線為二次拋物線，按無(wú)鉸拱設(shè)計(jì)。鋼管混凝土主拱肋采用兩根d=900 mm 圓形鋼管，加上中腹鋼板支撐形成豎向啞鈴型，拱肋高2.3 m，雙肋距離16.4 m。 拱肋之間設(shè)五根鋼橫撐聯(lián)系。 吊桿采用73-φ7 高強(qiáng)鋼絲， 橫梁為部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，橋面系為裝配式鋼筋混凝土空心板，每跨約為5 m。全橋共設(shè)4 道伸縮縫， 橋面板通過(guò)濕接頭形成連續(xù)板， 在拱上橫梁和墩上蓋梁處設(shè)置波形板式橡膠支座，其余橋面板與橫梁固結(jié)。 下部結(jié)構(gòu)橋墩采用重力式混凝土橋墩，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋臺(tái)為重力式混凝土橋臺(tái)，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20級(jí)，掛車-120，人群3.5 kN/m2。橋跨結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 橋梁橫斷面布置圖

2 橋梁主要缺損狀況檢查

2.1 橋面系

橋面行車道多處坑洞、露筋銹蝕。 伸縮縫縫內(nèi)沉積物阻塞、止水帶破損。 全橋泄水孔堵塞，橋面局部積水， 人行道板與行車道板接縫處橋面滲水，侵蝕橫梁及吊桿下錨頭，拱肋穿入人行道板處雨水下滲侵蝕拱肋及橫撐。 人行道欄桿立柱底座多處混凝土破損，鋼板外露銹蝕。

2.2 鋼管混凝土拱肋及橫撐

拱肋節(jié)段及橫撐表面均存在油漆裂紋、起皮或剝落現(xiàn)象，局部脫漆處鋼管表面出現(xiàn)銹斑。 全橋拱肋鋼管與混凝土間存在較大范圍的脫粘或脫空現(xiàn)象。

2.3 吊桿

全橋吊桿與拱肋接頭處均存在不同程度油脂滲漏現(xiàn)象。 吊桿下錨頭由上至下滲水至錨頭表面，下錨頭鋼墊板全部油漬、銹蝕，下錨頭保護(hù)罩內(nèi)存在不同程度的滲水、積水、防腐油脂變質(zhì)缺失等。

2.4 橫梁及橋面板

全橋橫梁、橋面板、人行道板等鋼筋混凝土構(gòu)件均存在局部混凝土剝離、露筋銹蝕，面積累計(jì)1.92 m2。

2.5 下部結(jié)構(gòu)

1# 墩、2# 墩拱座處裂縫已采用封閉處理和粘貼碳纖維布加固，個(gè)別裂縫封閉處重新開(kāi)裂。

3 橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)

3.1 橋梁靜力荷載試驗(yàn)

以橋梁原設(shè)計(jì)荷載作為控制荷載，以橋梁關(guān)鍵截面內(nèi)力值相等為原則，將控制荷載等效為加載重車的靜荷載作用，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在加載重車靜荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是否滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，相關(guān)性能指標(biāo)如校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余等，是否滿足試驗(yàn)規(guī)范要求。

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及荷載效率

鋼管混凝土拱橋以拱肋關(guān)鍵截面的彎矩值為控制設(shè)置試驗(yàn)工況，選取第3 跨為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)調(diào)整加載重車的加載位置，使加載彎矩值與設(shè)計(jì)彎矩值之比介于0.95～1.05[4]，詳見(jiàn)表1。為考慮橫向最不利布載情況，各工況加載均為橋面偏心加載。

表1 各工況試驗(yàn)內(nèi)容及荷載效率

3.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在各控制截面拱肋、橋面或橫梁底面布置撓度測(cè)點(diǎn)，在各控制截面拱肋上緣處及跨中橫梁下緣處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)試截面具體位置見(jiàn)圖3。應(yīng)變測(cè)試采用振弦式應(yīng)變計(jì)以及振弦讀數(shù)儀。 拱肋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在上下游側(cè)拱肋A、B、C、D、E 截面的上、 下緣處，橫梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在F 截面橫梁底部，見(jiàn)圖4。撓度測(cè)試采用百分表和精密水準(zhǔn)儀同時(shí)觀測(cè)，測(cè)試截面為拱肋的B、C、D 截面。 在拱肋底部布置百分表，在橋面處布置水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖5。

圖3 測(cè)試截面位置示意圖

圖4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1.3 撓度測(cè)試結(jié)果

各工況荷載作用下，撓度測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表2。 由測(cè)試結(jié)果可知：（1）各撓度測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余值在0～19.17%，均小于規(guī)范限值20%，即結(jié)構(gòu)受力卸載后恢復(fù)情況良好，基本處于彈性工作狀態(tài)。 （2）各撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.83～1.93， 其中最大值1.93 出現(xiàn)在跨中截面拱肋處，約44%的測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)超過(guò)1.0，即實(shí)測(cè)撓度大于理論值。 （3）橋面測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)平均值為0.97，拱肋測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)平均值為1.32， 表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已不滿足設(shè)計(jì)要求，且拱肋的強(qiáng)度削弱程度更甚。

表2 撓度測(cè)試結(jié)果

3.1.4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

各工況荷載作用下，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表3。 由測(cè)試結(jié)果可知：（1）各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余值在0～14.29%，均小于規(guī)范限值20%，即結(jié)構(gòu)受力卸載后恢復(fù)情況良好，基本處于彈性工作狀態(tài)。 （2）各測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.50～1.24，共5 個(gè)拱肋測(cè)點(diǎn)（約占拱肋測(cè)點(diǎn)總數(shù)的21%）的校驗(yàn)系數(shù)超過(guò)1.0，即實(shí)測(cè)應(yīng)變大于理論值，不滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

3.2 橋梁自振特性試驗(yàn)

采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，以分析橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。 在橋面及拱肋上布置拾振傳感器，橋面測(cè)點(diǎn)縱向布置在每跨8 等分點(diǎn)位置，拱肋測(cè)點(diǎn)布置在拱頂處，每跨各布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖6。 實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到橋梁的振型和頻率，見(jiàn)表4。

圖6 拾振傳感器布置示意圖

表4 自振頻率實(shí)測(cè)和理論值

自振特性試驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁實(shí)測(cè)振動(dòng)振型和頻率與有限元理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。 根據(jù)橋梁測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際感受，在正常車輛行駛過(guò)橋中，橋上行人感受到的振動(dòng)振幅很大，甚至產(chǎn)生恐懼，說(shuō)明橋梁的振動(dòng)舒適度較差。

4 橋梁技術(shù)狀況評(píng)估

鋼管混凝土拱橋?yàn)樘厥饨Y(jié)構(gòu)橋梁，屬于Ⅰ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，該橋吊桿已使用近20 年，且下錨頭內(nèi)存在嚴(yán)重的滲滴水、防腐油變質(zhì)現(xiàn)象，按照現(xiàn)有錨頭的防護(hù)情況，該橋吊桿已不能滿足后期耐久性與安全使用要求，存在嚴(yán)重的安全隱患；靜載試驗(yàn)表明現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)性能不滿足設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)CJJ 99-2017《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]的相關(guān)規(guī)定， 該橋完好狀態(tài)等級(jí)評(píng)定為不合格級(jí)，即橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件有損傷，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)立即修復(fù)。

5 橋梁加固改造方案

5.1 更換吊桿

鑒于該橋吊桿基本達(dá)到使用壽命，且存在較嚴(yán)重的病害，應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行更換。 由于舊橋使用的吊桿型號(hào)OVMDS7-73 產(chǎn)品已淘汰，更換吊桿采用GJ15-22 環(huán)氧鋼絞線、250 夾片式與GJB 擠壓式組合型拉索錨具組合式吊桿。 錨具均采用成品，橫梁無(wú)須擴(kuò)孔，橫梁索導(dǎo)管上端加防水罩，并在每根吊桿上安裝上磁通量傳感器，建立數(shù)據(jù)釆集管理系統(tǒng)，為今后吊桿索力監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)。

5.2 增設(shè)加勁縱梁

早期修建的鋼管混凝土中承式拱橋，橋面結(jié)構(gòu)以橫梁受力為主，無(wú)加勁縱梁結(jié)構(gòu)，整體強(qiáng)健性與動(dòng)力性能較差，抗風(fēng)險(xiǎn)能力差，當(dāng)?shù)鯒U破壞后，易產(chǎn)生橫梁和橋面板墜落，從而導(dǎo)致車毀人亡的嚴(yán)重后果，故應(yīng)進(jìn)行加設(shè)加勁縱梁的加固改造。 縱梁采用桁架形式，上下弦桿采用直徑160 mm 鋼管，腹桿及平聯(lián)均采用直徑140 mm 鋼管，鋼管壁厚均采用10 mm。

5.3 主拱圈灌漿

由于混凝土收縮等原因，鋼管與內(nèi)填混凝土之間存在縫隙，使拱肋存在多處脫空，導(dǎo)致拱肋實(shí)際受力與設(shè)計(jì)不相符。 為此，應(yīng)在脫空處進(jìn)行鉆孔后用環(huán)氧樹(shù)脂類灌漿材料進(jìn)行壓漿處治，使拱肋內(nèi)部的縫隙缺陷經(jīng)化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)后得到充填，加強(qiáng)拱肋整體強(qiáng)度。 對(duì)較大縫隙部位應(yīng)灌注稠漿，縫隙較小的部位或要求滲透路徑較遠(yuǎn)的部位，以稀漿進(jìn)行灌注，視工程需要，有些部位可釆用先灌稠漿后灌稀漿或兩者穿插配合使用的方法交替進(jìn)行。

5.4 拱座加固

橋墩拱座已進(jìn)行過(guò)裂縫封閉處理，但裂縫處可見(jiàn)重新開(kāi)裂，因此，可對(duì)其進(jìn)行外包混凝土加固，并沿拱座豎向設(shè)置3 道預(yù)應(yīng)力混凝土圈梁，圈梁間隔90 cm。 加固前應(yīng)先清理墩上垃圾，并將構(gòu)件表面鑿毛，繼而植筋并澆筑加固混凝土。

5.5 混凝土構(gòu)件缺陷修復(fù)

局部混凝土剝落破損處， 釆用環(huán)氧混凝土修補(bǔ)；拱上蓋梁和橫梁的蜂窩、麻點(diǎn)、空洞采用丙乳（NSF）砂漿進(jìn)行修補(bǔ)；構(gòu)件露筋銹蝕處應(yīng)鑿除鋼筋銹蝕處保護(hù)層，鋼筋下面的混凝土至少清除2 cm，并對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹和防銹處理，立模澆筑環(huán)氧混凝土。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)背景工程提出的加固改造措施，如更換吊桿、增設(shè)加勁縱梁、主拱圈灌漿等均為該類橋梁常用的加固措施，可供同類橋梁參考。 研究也表明：（1）早期的鋼管混凝土吊桿拱橋經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，不可避免地出現(xiàn)了吊桿耐久性不足、混凝土老化等病害，且部分橋梁無(wú)縱梁的設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重的安全隱患，可見(jiàn)早期的設(shè)計(jì)理念與日常維養(yǎng)均有一定的欠缺。 （2）橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)表明，由于病害發(fā)展及結(jié)構(gòu)缺陷等，導(dǎo)致鋼管混凝土拱橋部分控制截面的撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1.0，表明結(jié)構(gòu)性能不滿足設(shè)計(jì)要求，且行車時(shí)橋梁振幅較大，舒適度較差。 因此，對(duì)該類橋梁進(jìn)行加固改造并加強(qiáng)日常維養(yǎng)與定期檢查是十分必要的。 后續(xù)可結(jié)合理論分析與試驗(yàn)檢測(cè)，進(jìn)一步探究橋梁加固后的性能改善情況，為同類工程積累經(jīng)驗(yàn)。