钢管混凝土拱桥维修加固技术探讨

2022-05-25曹火勇彭世恩

四川建材 2022年5期

曹火勇，彭世恩

(1.中铁八局集团有限公司，四川成都 610037；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

0 前言

我国第一座钢管混凝土拱桥是1990年建成的跨径115 m四川省旺苍县东河大桥，据不完全统计，二十多年来在我国已建和在建钢管混凝土拱桥约有 400 多座。同时该类桥型在我国修建的数量不断增多、跨径不断增大。在结构体系分为上承式、中承式、拱梁组合式、飞燕式和下承式刚架系杆拱5 大类。在截面形式分单圆管、哑铃形和桁式。钢管拱架设方法采用支架法、悬臂法和转体法为主，其中悬臂拼装法应用最多，适用跨径最大、范围最广。

在早期设计和修建的钢管混凝土拱桥中，由于前期设计认识不足，后期运营车辆荷载提高，桥梁管养的不到位，经过多年运营后，该类桥型出现了或多或少的病害。如能及时发现病害和处治，桥梁基本功能恢复后还能继续为社会服务。本文以近十年参与的钢管混凝土拱桥维修加固设计施工为据，该类桥型病害原因和维修加固设计、施工做介绍，希望能对钢管混凝土拱桥后期维修加固和管养提供一定的参考作用。

1 钢管混凝土拱桥常见病害和原因分析

1)钢管混凝土拱桥拱肋的常见病害及原因：①钢管内混凝土的脱空(见图1)，比较常见的脱空有拱脚区段混凝土的不密实性、拱顶区段空洞以及钢管与混凝土之间脱粘，主要原因是前期施工中混凝土的质量问题，管内混凝土的收缩徐变，承受压力作用下的横向变形，在温度作用下，钢管与混凝土线膨胀系数不同等造成；②钢管锈蚀和涂层破坏，钢管中锈蚀主要是由于大气腐蚀原因或施工中防锈措施不能达到设计要求，后期人为破坏等原因；③钢管拱桥的变形和偏位，主要原因有施工中控制精度不够，运营中拱肋自身承载力不足引起的压弯屈曲和由于脱空面大后引起的屈服应力局部失稳；④拱脚位置外包混凝土开裂是由于主拱受力作用下产生泊松效应，外包混凝土和钢管之间的温度线膨胀系数不一致，后期外包混凝土的收缩徐变，部分是人为和车辆的撞击造成。

图1 钢管与混凝土之间脱空

2)钢管混凝土拱桥中吊杆的断裂引起财产损失和人员伤亡较多，社会关注度较大，主要是由于吊杆的突然断裂没有征兆，很难提前预警和避免。主要病害有：①吊杆保护层开裂，老化，由于原材料老化、抗拉能力降低、施工不当和两者的热膨胀系数不一致；②钢套管内的砂浆开裂，渗水严重，导致此处钢吊杆锈蚀断裂，由于防水达不到要求，水渗入后造成锈蚀加快，吊杆承载力不能满足要求；③防护罩锈蚀破损或脱落，吊杆锚头锈蚀严重，防护罩的破损导致锚罩内积水、锚垫板等锈蚀，由于防护罩锈蚀引起；④吊杆断裂或断丝，原因主要是强度问题、疲劳问题和锈蚀问题，其中表现出锈蚀问题最为突出，绝大部分吊杆断裂(见图2)均是此类病害原因引起；⑤吊杆力受力不均匀，由于施工中下料和安装不当引起，吊杆力损伤引起应力重分布，连续桥面板设计中对内力的变化影响。

图2 吊杆位置锈蚀断裂

3)对于下承式系杆拱桥和飞燕式系杆拱桥中还存在有系杆锈蚀和断裂病害，早期设计的系杆拱桥中认为系杆是永久构件，系杆保护方式主要为系杆与保护钢箱置于桥面板上，箱内填塞沥青麻絮和黄油等低效防护，外部再包以混凝土成为永久防护。此种保护方式后期营运一段时间后普遍存在密封不严、极易遭受周围环境腐蚀和系杆有效力松弛等现象，严重时系杆会出现锈蚀、断裂(见图3)等情况。

图3 系杆箱内系杆断裂

4)桥面部分相关病害常表现为：桥面铺装纵向裂缝明显，原设计主要采用预制混凝土板和小T梁的构件为主；钢筋混凝土桥面板出现裂缝和混凝土表面碱化泛白现象，个别桥有混凝土桥面断板现象发生，主要由于桥面板的整体性差和常规的收缩徐变裂缝原因等；局部桥梁出现横梁的开裂和此处的锚头漏油受污染严重；开裂主要由于混凝土的收缩徐变裂缝，横梁设计上受力不合理，施工不当如将吊杆处箍筋截断等；梁板中支座脱空和掉落的现象也较多。

2 钢管混凝土拱桥病害处理措施

以笔者关注的近几年针对钢管混凝土拱桥的维修加固为例，加固的拱桥类型有2座飞燕式系杆拱桥，1座下承式系杆拱桥，3座中承式钢管拱桥，拱圈类型为哑铃和桁架式为主，跨径在150～250 m，主要的桥梁见图4～7。

图4 202 m飞燕式系杆拱桥

图5 200 m飞燕式系杆拱桥

图6 150 m下承式拱桥

图7 130 m中承式拱桥

这些拱桥存在或多或少的常见病害，针对各桥的具体特征，在病害处治和维修加固中提出了相应的处治措施，具体措施如下。

拱肋病害中如主拱受力满足后期营运要求，对脱空常用措施灌注环氧胶，根据脱空范围大小采用稀浆或稠浆，保证其钢管和混凝土的联合受力，防止其进一步脱空增长承载能力不足；油漆中主要采用重新喷涂工艺保证其拱圈的耐久性，增强其拱圈的美观；在受力出现病害下需补充其拱圈的结构尺寸，调整其结构体系等措施，如都不可行或维修造价较高常采用拆除重建方案。

对于吊杆断裂，破损等病害或已达使用寿命的吊杆，对不同的桥，更换方式也不相同，这几座桥中用了：①直接采用原吊杆位置原位更换，适当增加其安全系数和改变锚头的形式；②将原吊杆更换为双吊杆方式；③原吊杆两侧同时增加其两根吊杆，增强其安全系数；④吊杆两侧采用骑马吊的形式增加两对吊索。

在系杆力不足和病害处治设计中，由于系杆检测和更换补强难度较大，根据现有的加固设计，考虑了两种方案进行系杆补强：①在系杆箱中对原系杆进行补张拉，仅对局部系杆补张拉，达到增加其系杆力目的；②将原系杆全部更换为后期可达、可测、可换的成品系杆，此种方案难度较大，需要考验其设计和施工单位的技术水平，处理过对202 m飞燕式系杆拱桥利用此种方式更换系杆，从现阶段营运情况看达到了系杆补强的目的，能够满足其安全和运营要求。

桥面板和横梁病害表现较为明显，后期整体性较差，常规上在加固设计如造价和结构安全系数满足要求，均建议将桥面调整为梁格结构。常用第一种方案是在混凝土横梁增加钢纵梁来形成梁格体系；第二种将整个桥面板和横梁一起更换为横隔梁形式的钢混组合桥面板；第三种将横梁换为钢构件，桥面板仍用混凝土梁板。从几种形式看，如果条件允许的话，建议整体更换为钢混组合桥面板体系，能够很好地解决桥面系和横梁位置其余病害。