鋼管混凝土拱橋常見病害成因分析

藍(lán)陸杰

（廣西交通投資集團(tuán)柳州高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司來(lái)賓分公司，廣西來(lái)賓 546100）

0 引言

修建橋梁不僅有效地利用了地面空間資源，而且改善了區(qū)域交通的通行能力。鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在施工或后期使用時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)較多病害，嚴(yán)重降低橋梁的原有功能及耐久性，橋梁管理養(yǎng)護(hù)單位要注意橋梁病害的檢測(cè)和處理。

1 鋼管混凝土拱橋主要病害及成因

1.1 梁體裂縫

病害描述：表現(xiàn)為梁體開裂，產(chǎn)生裂縫等。裂縫通常出現(xiàn)在橫梁跨中處，主要分為兩種，花紋狀細(xì)裂紋和豎向裂縫。

病害成因：鋼管混凝土拱橋開裂的原因有以下方面。

1.1.1 構(gòu)造不合理

在沒有合理的橋梁結(jié)構(gòu)體系的情況下，橋梁受力體系不協(xié)調(diào)，橋梁構(gòu)件處于不合理的受力狀態(tài)，橫梁容易出現(xiàn)裂縫。對(duì)于中承式拱橋，在拱肋與橋面相交處，梁體可能會(huì)產(chǎn)生剪切裂縫，主要原因是縱梁為了躲避拱肋呈非直線性。

1.1.2 設(shè)計(jì)不滿足規(guī)范要求

預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁設(shè)計(jì)不良，橋梁在使用階段的預(yù)應(yīng)力不足，可能導(dǎo)致梁體開裂。梁的最終載荷能力符合設(shè)計(jì)要求，但抗裂能力不符合規(guī)范，可能導(dǎo)致裂縫[1]。

1.1.3 整體性差

大多數(shù)鋼管混凝土拱橋采用中下承式懸吊橋面系，橫梁之間沒有有效的縱向連接，完整性、整體性差。受重型車輛過橋的影響，振動(dòng)時(shí)很容易出現(xiàn)變形。

1.2 吊桿與系桿病害

1.2.1 吊桿防護(hù)套破損

病害描述：吊桿防護(hù)套開裂，往往標(biāo)志著整個(gè)吊桿的耐久性開始失效，防護(hù)套開裂會(huì)影響整個(gè)吊桿系統(tǒng)的使用。在吊桿上采用鋼管防護(hù)套，有助于保護(hù)鋼管不受損壞。

此外，吊桿兩端密封不好，雨水和空氣容易滲入鋼管，造成吊桿銹蝕。比如，廣西柳州文惠橋吊桿PE護(hù)套出現(xiàn)了開裂，廣西南寧三岸邕江大橋吊桿的PE保護(hù)層出現(xiàn)不同程度的開裂或環(huán)狀斷裂，原因就是吊桿防護(hù)套存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

病害成因：防護(hù)套病害的主要原因是原材料出現(xiàn)問題，如材料老化、抗拉強(qiáng)度低、防護(hù)套材料選用不當(dāng)和材料與鋼管熱膨脹系數(shù)不一致。例如，管道的PE熱膨脹系數(shù)是混凝土和鋼的6 倍，因此不能同時(shí)進(jìn)行熱膨脹和壓縮。

1.2.2 吊桿斷裂或斷絲

病害描述：吊桿鋼索銹蝕、斷裂的主要原因是強(qiáng)度、疲勞和腐蝕問題。懸吊桿的安全系數(shù)通常大于2.5，因此很少出現(xiàn)桿強(qiáng)度不足造成斷裂的情況。吊桿斷裂主要是吊桿保護(hù)失效，造成大面積腐蝕，吊桿的有效截面減少，當(dāng)桿力恒定時(shí)，桿應(yīng)力增大，會(huì)導(dǎo)致吊桿失效。

病害成因：反復(fù)荷載下吊桿發(fā)生損傷是吊桿斷裂的重要原因。中、下承式鋼管混凝土拱橋吊桿設(shè)計(jì)中比較重視強(qiáng)度問題，較少注意疲勞，只控制在一定范圍內(nèi)。

此外，對(duì)振動(dòng)、沖擊和曲率造成的額外應(yīng)力的重視不夠。大氣環(huán)境中吊桿的損壞實(shí)際上是疲勞的結(jié)果，腐蝕直接降低了桿的抗拉強(qiáng)度[2]。

1.3 振動(dòng)病害

病害描述：道路橋梁的設(shè)計(jì)應(yīng)能承受車輛使用過程中的負(fù)載。車輛通過橋梁時(shí)，橋梁會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)效果。這種驅(qū)動(dòng)作用增加了橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。振動(dòng)顯然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)局部疲勞造成損害，影響橋梁的舒適性和安全性，降低橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性，甚至完全破壞橋梁結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土拱橋固有的頻率和尺寸計(jì)算表明，大跨度鋼管混凝土拱橋是一種柔性結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著橋梁數(shù)量增加，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注橋梁的動(dòng)態(tài)。

病害原因：振動(dòng)病害的主要是原因是設(shè)計(jì)缺陷、使用不當(dāng)以及橋梁使用過程中不可避免的損壞。鋼管混凝土橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完整性和剛性較弱，車輛經(jīng)過時(shí)振動(dòng)明顯。橋面平面不整時(shí)，車輛行駛引起的軸向共振會(huì)增加振動(dòng)和沖擊，對(duì)拱橋橫向振動(dòng)有直接影響，影響拱圈整體剛度。

1.4 管內(nèi)混凝土脫空

病害描述：管內(nèi)混凝土脫空是鋼管混凝土拱橋中常見病害，在混凝土低應(yīng)力條件下出現(xiàn)孔隙，對(duì)鋼管拱橋在混凝土中的承載能力產(chǎn)生重大影響。脫空包括拱腳區(qū)段混凝土存在不密實(shí)性，拱頂區(qū)段出現(xiàn)空洞。

病害原因：管內(nèi)混凝土脫空可以歸納為幾個(gè)原因，如膨脹過程中供水不連續(xù)，混凝土裝配不當(dāng)，混凝土澆筑的位置和方向不正確，鋼管混凝土延伸率與混凝土線之間的差異不足以實(shí)現(xiàn)未膨脹混凝土的延伸率。理論分析表明，鋼管直徑過大時(shí)，鋼管與混凝土脫空是不可避免的。

1.5 鋼管腐蝕

病害描述：鋼管混凝土拱橋鋼管腐蝕損傷部分主要集中在鋼管混凝土拱橋拱肋與橫撐鋼管的一側(cè)和鋼管節(jié)段焊接處。鋼管拱肋是鋼管混凝土拱橋的主要結(jié)構(gòu)，腐蝕不僅會(huì)影響橋梁的外觀和裝飾，還會(huì)直接影響拱肋和整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的壽命。

病害原因：鋼管拱肋的腐蝕主要由于大氣濕度、鋼結(jié)構(gòu)防腐措施和荷載。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)防腐措施不當(dāng)或防腐效果不好時(shí)，當(dāng)大氣濕度高、大氣中腐蝕性氣體含量高時(shí)，鋼管容易受到腐蝕。此外，在使用階段，橋梁承受車輛荷載作用，由于防腐層和鋼管的變形系數(shù)不同，涂層容易開裂和裸露，荷載與大氣環(huán)境的綜合作用可能加劇腐蝕[3]。

2 鋼管混凝土拱橋常見病害維修與處理措施

2.1 橫梁、橋面板裂縫封閉處理

對(duì)于寬度小于0.15mm 的裂縫，可采用封閉膠直接封閉。操作前，應(yīng)用砂輪機(jī)、鋼絲刷打磨混凝土表面沿裂縫走向?qū)捈s50mm 范圍，清除水泥翻沫、灰塵及疏松的混凝土塊和砂粒，油污要用布蘸稀料擦凈。如果潮濕要用噴燈吹干，梁表面應(yīng)光滑。對(duì)于寬度大于0.15mm 的裂縫，應(yīng)使用壓力注入法。

2.2 鋼管混凝土系桿拱橋加固方法

2.2.1 增大截面加固法

隨著車流量增加，橋梁承載能力大幅度降低，無(wú)法滿足現(xiàn)狀。由于舊橋截面小，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，但是可以擴(kuò)大舊橋截面以提高舊橋的承載能力。增大截面加固法是通過增加原始結(jié)構(gòu)混凝土的截面、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性實(shí)現(xiàn)的。增大截面加固法包括主圓弧環(huán)加固方法、焊縫加固方法、增大梁肋法、加厚橋面板法等[4]。

2.2.2 錨噴混凝土加固法

錨噴混凝土加固法采用空氣壓縮將混凝土通過管道噴到要修補(bǔ)的部位，加強(qiáng)該段的承載能力。需要補(bǔ)強(qiáng)的部位通常是鋼管混凝土構(gòu)件。錨定通常處于加固位置，用鐵絲固定，并以一定的混凝土澆筑。新噴射的混凝土形成一個(gè)結(jié)合了原始結(jié)構(gòu)并承受外部荷載的截面。

2.2.3 碳纖維材料加固法

碳纖維是一種強(qiáng)度較大但直徑較小的纖維，與環(huán)氧樹脂結(jié)合后，在纖維的方向上具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度。除了具有較高的強(qiáng)度外，還能抵抗侵蝕、疲勞和老化，并在過去十年中被廣泛用于加固鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。采用碳纖維材料加固法，具有施工簡(jiǎn)單、適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)形式、混凝土裂縫有效閉合、結(jié)構(gòu)外觀無(wú)影響、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。通常用于梁板的受彎、受剪加固以及墩柱的圍束加固。

2.3 振動(dòng)病害處理

2.3.1 吊桿、系桿應(yīng)具有可更換性

與鋼管混凝土拱肋不同，中間支撐拱橋系桿容易受腐蝕影響以及材料本身受鋼筋腐蝕的影響，在使用過程中需要多次更換。因此，設(shè)計(jì)必須考慮桿和拉桿的替換和操作能力。

2.3.2 合理選擇鋼管直徑和鋼管壁厚

混凝土脫空病害是不可避免的，但直徑小的鋼管，管內(nèi)混凝土脫空量也小。鋼管壁厚度太小，剛度部分不足，弧形部分彎曲。目前，中國(guó)鋼管混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于鋼管壁厚的規(guī)定以套箍系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，要求范圍為0.5～3.0。套箍系數(shù)小于0.5不能有效約束鋼管，而大于3.0 不能使用。該規(guī)范源于鋼管和混凝土的緊密填充，而不考慮鋼管真空、鋼筋集中力、約束或鋼管在彎曲階段的變形。因此，鋼管壁在施工階段的厚度至少為14mm。

2.3.3 采用高性能自預(yù)應(yīng)力混凝土

高性能混凝土的一個(gè)重要特征是體積穩(wěn)定性，這無(wú)疑減少了混凝土在鋼管中的流動(dòng)和收縮，從而降低了鋼管中的脫空風(fēng)險(xiǎn)。由于混凝土產(chǎn)生的自預(yù)應(yīng)力可更好地克服管內(nèi)混凝土脫空。理論分析和經(jīng)驗(yàn)表明：高性能自約束混凝土的自約束值為2～4MPa，雙膨脹劑、水膠的比例控制在0.35～0.40 之間，鋼管混凝土的承載力可從15%提高到20%。

2.4 鋼管脫空病害處治

在主拱肋頂面部分處理長(zhǎng)度大于或等于2m，寬度大于或等于30cm 的主拱脫空位置進(jìn)行處理。在中空管段上鉆一個(gè)孔，在大約1m 間隔處將長(zhǎng)約100mm 的鋼管作注漿管，用環(huán)氧膠黏劑密封，然后注漿處理。一旦漿液流出，繼續(xù)注入，直到流出速度穩(wěn)定為止。超聲波和人工敲擊檢測(cè)在灌漿料固化3d 后應(yīng)用。脫空部分填充飽滿后，應(yīng)在主拱肋涂上防銹漆[5]。

2.5 除銹、防腐處理

橋梁檢測(cè)報(bào)告顯示，拱肋、腹桿、吊桿表面存在保護(hù)層丟失、破碎、剝離、斷裂等現(xiàn)象，影響橋梁的外觀、使用性能和安全性。因此，必須優(yōu)先解決橋梁鋼構(gòu)件重疊的問題，有效地保護(hù)橋梁，防止鋼構(gòu)件進(jìn)一步腐蝕，并確保其安全。其一，除去零部件表面原有的漆及鐵銹。其二，使用動(dòng)力鋼絲刷、動(dòng)力砂紙盤或砂輪等工具進(jìn)一步打磨鋼管表面。其三，用清潔壓縮空氣或刷子除去灰塵。其四，除去銹蝕時(shí)，鋼表面不得有雜質(zhì)，包括氧化皮、銹蝕、涂料等，底材必須具有金屬光澤。其五，施工采用無(wú)空氣噴涂施工。

3 鋼管混凝土施工技術(shù)質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 科學(xué)控制混凝土配合比

根據(jù)實(shí)際施工要求配制混凝土是提高鋼管混凝土施工質(zhì)量的重要工作?；炷恋奶涠冉橛?7～21cm，再加上壓注速度，可以計(jì)算出混凝土初始凝固所需的時(shí)間。微膨脹率是影響混凝土組成的重要因素。因此，首先要科學(xué)計(jì)算混凝土的微膨脹率，然后根據(jù)需要計(jì)算砂、石、水的比例。如果混合物的設(shè)計(jì)不科學(xué)，可能發(fā)生泵送困難、裂紋等情況。合理調(diào)整混凝土組成比例是提高施工質(zhì)量的重要因素。

3.2 采取鋼管混凝土養(yǎng)護(hù)措施

應(yīng)在施工結(jié)束的午后進(jìn)行拱肋的維護(hù)，避免在夏季高溫進(jìn)行。具體操作時(shí)，應(yīng)在脫空處上下各鉆接到底部孔，并將鋼管噴嘴連接到噴管上。將準(zhǔn)備好的注射材料通過注射機(jī)器運(yùn)輸。當(dāng)與原鋼管混凝土連接的頂管暴露面破裂時(shí)，混凝土邊緣的包裹時(shí)間可以適當(dāng)延長(zhǎng)，混凝土無(wú)裂縫時(shí)，要定期觀察，及時(shí)排除拱座處積水，保持干燥[6]。

3.3 穩(wěn)定性分析

由于跨徑增大，拱橋橫向剛度和寬度減小，拱橋橫向會(huì)不穩(wěn)定。影響鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的因素包括矢量比、支座形狀、橫向剛度、拱肋剛度等。因此，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況選擇矢跨比。此外，橫向支撐可確保拱橋的穩(wěn)定性。選取K 類型或M 類型的橫向支撐，以提高拱橋的橫向剛度并確保其穩(wěn)定性。支撐的剛度也會(huì)影響拱橋的穩(wěn)定性，且彎曲安全系數(shù)是線性的。

4 結(jié)語(yǔ)

由于鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，我國(guó)的鋼管混凝土拱橋的病害發(fā)生率很高。為了預(yù)防安全事故發(fā)生，提高鋼管混凝土拱橋的耐久性和可靠性，有必要重視鋼管混凝土拱橋的病害分析和病害處理。為此，橋梁建設(shè)單位與橋梁管理養(yǎng)護(hù)單位應(yīng)首先分析鋼管混凝土病害的成因，然后制定處治病害的有效措施，將日常養(yǎng)護(hù)與預(yù)防性養(yǎng)護(hù)結(jié)合起來(lái)，以提高鋼管混凝土拱橋的使用壽命和安全性。