钢管混凝土拱桥病害分析与加固设计

张彩娟

(黑龙江龙高公路养护工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

20世纪90年代钢管混凝土拱桥在我国快速发展，限于当时技术水平，中承式钢管混凝土拱桥悬吊桥面系多采用预应力混凝土横梁与矮T纵梁体系，高强吊杆与系杆容易由于腐蚀和疲劳引起破断，悬吊桥面刚度与整体性较差，如四川宜宾小南门大桥、新疆孔雀河大桥均由于吊杆断裂导致桥面系断裂坠江事故。

1 原桥概况

六景郁江桥采用净跨220 m中承式钢管混凝土拱桥，净矢跨比为1/5，拱轴线采用无铰悬链线，拱轴系数m=1.543，矢高44 m。1999年建成通车，原设计荷载：汽-超20级，挂-120。

主拱肋为钢管混凝土桁架结构，横断面由4-Φ820 mm钢管组成，管内灌注50#混凝土，主拱肋间设5道钢管桁架横向联系。吊杆有35组，相邻吊杆间距5.1 m。桥面系吊杆横梁采用预应力混凝土T梁，纵梁采用钢筋混凝土矮T梁。

2 典型病害及成因分析

自1999年通车以来，该桥主要经历7次病害检查，该桥的典型病害为主拱钢管混凝土脱空、吊杆锚头积水、桥面预应力横梁U型裂缝、纵向矮T梁U型裂缝，与国内同类型的采用预应力混凝土横梁与矮T纵梁桥面系的中承式钢管混凝土拱桥典型病害一致。

2.1 主拱肋钢管混凝土不密实

(1)病害描述：主拱肋钢管混凝土不密实、脱粘情况较为普遍，管内混凝土不密实面积约占检测面积的55%～60%。

(2)病害分析：由于受施工技术限制，曲线钢管内灌注混凝土很难达到绝对密实，且钢管与混凝土膨胀系数有一定的差异，受日照温差等影响，钢管与混凝土之间的脱空不可避免。钢管混凝土不密实会降低主拱肋有效截面面积，降低钢管对混凝土的套箍效应，导致截面刚度和强度削弱。

2.2 吊杆锚头积水

(1)病害描述：吊杆上、下锚头存在66处防水盖缺失、松动、积水。

(2)病害分析：锚头积水主要是由于防水罩开裂导致雨水渗流至锚头保护罩内，雨水长时间积存会造成锚头锈蚀，导致吊杆的安全性降低。

2.3 桥面横纵梁跨中U型裂缝

(1)病害描述

①桥面横梁：2007年4片拱上横梁出现大量U型裂缝，于是粘贴钢板加固，2011年这4片横梁又出现87条裂缝，2014年新增90条裂缝，裂缝均从梁底向上发展至下钢板下边缘。

②桥面纵梁：2011年8片纵向矮T梁跨中存在U型裂缝，最大裂缝宽度0.1 mm，2014年纵向矮T梁共存在2 220条裂缝，主要表现为：横向、L型、U型及竖向裂缝，最大裂缝宽度0.25 mm。

(2)病害分析：拱上横梁、桥面纵梁均为钢筋混凝土结构，最大裂缝宽度0.25 mm，未超过规范限值，该裂缝属正常受力现象，但构件开裂现象在逐步加剧。

3 加固设计要点

3.1 设计标准

原设计荷载：汽车-超20级，挂车-120。

加固设计荷载：公路一Ⅰ级。

3.2 设计思路

(1)吊杆锚头积水，容易造成内部钢丝锈蚀，吊杆承载力很难准确评定；

(2)拱上横梁2007年已加固，但裂缝不断加剧，再通过加固的手段限制裂缝和提高承载力的空间有限；

(3)桥面纵梁开裂，且裂缝逐步加剧，容易造成内部钢筋锈蚀，耐久性和安全性逐步降低；

(4)原悬吊桥面采用预应力混凝土横梁与矮T纵梁体系，桥面整体性刚度与稳定性较差。

为提高桥面系整体刚度及稳定性，保证桥梁结构安全，吊杆、桥面系结构全部拆除更换，并对不密实主拱肋注浆加固。

3.3 加固设计

(1)新桥面系结构

新桥面系结构选择钢-混叠合梁形式，桥面系自重略有减少，不会影响拱轴线，且沥青混凝土铺装与混凝土桥面板粘结性较好。

新桥面系由桥面铺装层、预制桥面板、纵横钢板梁组成。横、纵梁采用焊接工字钢截面。

横梁为桥面主受力结构，纵梁采用栓焊结合的方式连接于横梁上，形成格子结构，减小桥面板区块的同时将全桥横梁联为整体，增强桥面整体性。纵梁与横梁顶板焊接，腹板及底板通过剪扭型高强螺栓栓接。

纵、横钢板梁上安装20 cm厚钢筋混凝土预制桥面板，预制板间通过湿接缝连为整体，与纵横梁通过湿接缝处顶板剪力钉连接，形成钢-混叠合截面共同受力。

(2)吊杆更换

①强度要求：吊杆的安全系数不应小于3.0，短吊杆的安全系数应大于其他吊杆，新设计吊杆最大索力990 KN。

②耐久性要求：吊杆的使用寿命应不小于15年。

③便于生产，且有利于再次更换的要求。

新吊杆钢丝强度等级1 670 MPa，吊杆破断载荷3 535 KN。

(3)钢管混凝土不密实修复

对主拱肋钢管内不密实混凝土采用注浆加固，采用渗透性优良的环氧类浆液。注浆施工前，先结合前期检测的结果，采用锤击法或超声波法测定缝隙的位置及大小。

4 结构分析

4.1 有限元建模

对原结构进行新更换桥面系的计算，按新桥面系更换实际施工步骤模拟成桥过程。主拱肋按钢管和混凝土联合截面模拟，叠合梁混凝土桥面板用板单元模拟。

4.2 主要计算结论

(1)主拱肋上、下弦杆基本满足《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB 50923-2013)的强度要求，富裕不多；新桥面系钢-混叠合梁结构满足《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013)的强度要求；正常使用极限状态下，钢管混凝土主拱肋钢管应力不大于0.8fy。

(2)纵、横梁钢构件的强度、刚度和稳定性均满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)的要求。

(3)全桥弹性特征值分析，计算失稳系数为5.1，满足《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/T D65-06-2015)不小于4的要求。

5 施工控制分析

在施工过程中，由于各种误差影响，吊杆索力会偏离理想状态，当偏离量超过允许范围后就要通过调整索力纠偏。

吊杆调索的总原则是确保结构在调索过程中应力、变形与稳定状态在允许范围内，从而确保吊杆的索力、桥梁的线形最大限度符合设计目标状态。

5.1 吊杆索力分析

吊杆安装施工完成后，实测调索前后吊杆索力，并与目标设计索力对比，见图1。

由图1可见，吊杆调索完成后，吊杆索力分布较均匀，与目标索力最大偏差6.31%，偏差控制在10%以内。

图1 调索前后吊杆实测内力与目标内力对比

5.2 桥面线形分析

实测调索前后桥面线形，并与设计线形对比，见图2。

由图2可见，调索过程中桥梁位移在正常范围，调索后桥面整体线形较为平顺，两侧也较为对称。

图2 调索前后桥面实测标高与设计标高对比

6 结 论

通过有限元软件模拟桥梁加固施工过程，以成桥吊杆索力、桥面线形为控制目标，得到以下结论。

(1)近年来，个别早期中下承式钢管混凝土拱桥吊杆断裂引发事故，反映出早期悬吊桥面系结构在设计理念、施工工艺及养护方面有待进一步完善，对在役钢管混凝土拱桥吊杆及桥面系结构应定期检测，监控病害发展情况。

(2)早期悬吊桥面系结构采用预应力混凝土横梁与矮T纵梁体系，桥面刚度及整体稳定性较差，病害发展较快，可考虑吊杆与桥面系整体更换，桥面系结构更换为整体性较好的钢-混叠合梁形式。

(3)本桥吊杆及桥面系更换后，各主要构件强度、刚度及稳定性均满足规范要求；成桥实测吊杆索力、桥面线形满足设计目标要求。

(4)该桥吊杆及桥面系结构更换设计方案合理可行，可供同类型中承式钢管混凝土拱桥加固设计借鉴。