某中承式钢管混凝土拱桥检测评估及加固改造

■黄伟聪

（福州滨海临空开发建设有限公司，福州 350200）

钢管混凝土拱桥造型优美、 结构自重较小、跨越能力及承载能力均较强，诸多的优势让该桥型在我国得到了广泛的应用[1]。 然而早期建成的钢管混凝土拱桥很多是无纵梁的结构， 结构冗余度不足，此时吊杆成为桥面结构的唯一支撑， 一旦吊杆失效，对应的横梁将同时失效，相邻的桥面及横梁将逐一垮塌，造成事故。2001 年四川宜宾小南门大桥、2011 年新疆库尔勒孔雀河大桥、2011 年福建武夷山公馆大桥的事故均为此类事故，因此，无劲性纵梁的钢管混凝土拱桥被确认为结构存在缺陷的桥梁[2]。 此外，老旧钢管混凝土拱桥经过多年的运营，病害较多[3]，可能已导致其承载力不足或耐久性不满足要求，检测评估与加固改造对该类桥梁的安全运营具有重要意义。 本研究以某三跨中承式钢管混凝土拱桥为例，对其进行检测评估并提出加固改造方案，为同类工程提供参考。

1 工程概况

某钢管混凝土拱桥桥面全宽23.40 m， 主桥为每孔净跨70.20 m 的三孔中承式钢管混凝土拱桥，矢跨比1/3，拱轴线为二次抛物线，按无铰拱设计。钢管混凝土主拱肋采用两根d=900 mm 圆形钢管，加上中腹钢板支撑形成竖向哑铃型，拱肋高2.3 m，双肋距离16.4 m。 拱肋之间设五根钢横撑联系。 吊杆采用73-φ7 高强钢丝， 横梁为部分预应力结构，桥面系为装配式钢筋混凝土空心板，每跨约为5 m。全桥共设4 道伸缩缝， 桥面板通过湿接头形成连续板， 在拱上横梁和墩上盖梁处设置波形板式橡胶支座，其余桥面板与横梁固结。 下部结构桥墩采用重力式混凝土桥墩，明挖扩大基础；桥台为重力式混凝土桥台，明挖扩大基础。 设计荷载：汽车-超20级，挂车-120，人群3.5 kN/m2。桥跨结构布置见图1、图2。

图1 桥梁立面布置图

图2 桥梁横断面布置图

2 桥梁主要缺损状况检查

2.1 桥面系

桥面行车道多处坑洞、露筋锈蚀。 伸缩缝缝内沉积物阻塞、止水带破损。 全桥泄水孔堵塞，桥面局部积水， 人行道板与行车道板接缝处桥面渗水，侵蚀横梁及吊杆下锚头，拱肋穿入人行道板处雨水下渗侵蚀拱肋及横撑。 人行道栏杆立柱底座多处混凝土破损，钢板外露锈蚀。

2.2 钢管混凝土拱肋及横撑

拱肋节段及横撑表面均存在油漆裂纹、起皮或剥落现象，局部脱漆处钢管表面出现锈斑。 全桥拱肋钢管与混凝土间存在较大范围的脱粘或脱空现象。

2.3 吊杆

全桥吊杆与拱肋接头处均存在不同程度油脂渗漏现象。 吊杆下锚头由上至下渗水至锚头表面，下锚头钢垫板全部油渍、锈蚀，下锚头保护罩内存在不同程度的渗水、积水、防腐油脂变质缺失等。

2.4 横梁及桥面板

全桥横梁、桥面板、人行道板等钢筋混凝土构件均存在局部混凝土剥离、露筋锈蚀，面积累计1.92 m2。

2.5 下部结构

1# 墩、2# 墩拱座处裂缝已采用封闭处理和粘贴碳纤维布加固，个别裂缝封闭处重新开裂。

3 桥梁荷载试验检测

3.1 桥梁静力荷载试验

以桥梁原设计荷载作为控制荷载，以桥梁关键截面内力值相等为原则，将控制荷载等效为加载重车的静荷载作用，测试桥梁结构在加载重车静荷载作用下的结构响应是否满足设计预期，相关性能指标如校验系数、相对残余等，是否满足试验规范要求。

3.1.1 试验内容及荷载效率

钢管混凝土拱桥以拱肋关键截面的弯矩值为控制设置试验工况，选取第3 跨为试验对象，通过调整加载重车的加载位置，使加载弯矩值与设计弯矩值之比介于0.95～1.05[4]，详见表1。为考虑横向最不利布载情况，各工况加载均为桥面偏心加载。

表1 各工况试验内容及荷载效率

3.1.2 测点布置

在各控制截面拱肋、桥面或横梁底面布置挠度测点，在各控制截面拱肋上缘处及跨中横梁下缘处布置应变测点，测试截面具体位置见图3。应变测试采用振弦式应变计以及振弦读数仪。 拱肋应变测点布置在上下游侧拱肋A、B、C、D、E 截面的上、 下缘处，横梁应变测点布置在F 截面横梁底部，见图4。挠度测试采用百分表和精密水准仪同时观测，测试截面为拱肋的B、C、D 截面。 在拱肋底部布置百分表，在桥面处布置水准仪测点，见图5。

图3 测试截面位置示意图

图4 应变测点布置图

图5 挠度测点布置图

3.1.3 挠度测试结果

各工况荷载作用下，挠度测点的测试结果详见表2。 由测试结果可知：（1）各挠度测点的相对残余值在0～19.17%，均小于规范限值20%，即结构受力卸载后恢复情况良好，基本处于弹性工作状态。 （2）各挠度测点的校验系数在0.83～1.93， 其中最大值1.93 出现在跨中截面拱肋处，约44%的测点挠度校验系数超过1.0，即实测挠度大于理论值。 （3）桥面测点的校验系数平均值为0.97，拱肋测点的校验系数平均值为1.32， 表明结构强度已不满足设计要求，且拱肋的强度削弱程度更甚。

表2 挠度测试结果

3.1.4 应变测试结果

各工况荷载作用下，应变测点的测试结果详见表3。 由测试结果可知：（1）各应变测点的相对残余值在0～14.29%，均小于规范限值20%，即结构受力卸载后恢复情况良好，基本处于弹性工作状态。 （2）各测点的校验系数在0.50～1.24，共5 个拱肋测点（约占拱肋测点总数的21%）的校验系数超过1.0，即实测应变大于理论值，不满足设计要求。

表3 应变测试结果

3.2 桥梁自振特性试验

采用环境随机振动法测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥梁结构微幅振动响应，以分析桥跨结构的自振特性。 在桥面及拱肋上布置拾振传感器，桥面测点纵向布置在每跨8 等分点位置，拱肋测点布置在拱顶处，每跨各布置2 个测点，见图6。 实测振动响应信号经试验模态分析，得到桥梁的振型和频率，见表4。

图6 拾振传感器布置示意图

表4 自振频率实测和理论值

自振特性试验结果表明，桥梁实测振动振型和频率与有限元理论计算结果基本吻合。 根据桥梁测试现场的实际感受，在正常车辆行驶过桥中，桥上行人感受到的振动振幅很大，甚至产生恐惧，说明桥梁的振动舒适度较差。

4 桥梁技术状况评估

钢管混凝土拱桥为特殊结构桥梁，属于Ⅰ类养护的城市桥梁，根据检测结果，该桥吊杆已使用近20 年，且下锚头内存在严重的渗滴水、防腐油变质现象，按照现有锚头的防护情况，该桥吊杆已不能满足后期耐久性与安全使用要求，存在严重的安全隐患；静载试验表明现状桥梁结构性能不满足设计要求。 根据CJJ 99-2017《城市桥梁养护技术标准》[5]的相关规定， 该桥完好状态等级评定为不合格级，即桥梁结构构件有损伤，影响桥梁结构安全，应立即修复。

5 桥梁加固改造方案

5.1 更换吊杆

鉴于该桥吊杆基本达到使用寿命，且存在较严重的病害，应立即对其进行更换。 由于旧桥使用的吊杆型号OVMDS7-73 产品已淘汰，更换吊杆采用GJ15-22 环氧钢绞线、250 夹片式与GJB 挤压式组合型拉索锚具组合式吊杆。 锚具均采用成品，横梁无须扩孔，横梁索导管上端加防水罩，并在每根吊杆上安装上磁通量传感器，建立数据釆集管理系统，为今后吊杆索力监测提供数据。

5.2 增设加劲纵梁

早期修建的钢管混凝土中承式拱桥，桥面结构以横梁受力为主，无加劲纵梁结构，整体强健性与动力性能较差，抗风险能力差，当吊杆破坏后，易产生横梁和桥面板坠落，从而导致车毁人亡的严重后果，故应进行加设加劲纵梁的加固改造。 纵梁采用桁架形式，上下弦杆采用直径160 mm 钢管，腹杆及平联均采用直径140 mm 钢管，钢管壁厚均采用10 mm。

5.3 主拱圈灌浆

由于混凝土收缩等原因，钢管与内填混凝土之间存在缝隙，使拱肋存在多处脱空，导致拱肋实际受力与设计不相符。 为此，应在脱空处进行钻孔后用环氧树脂类灌浆材料进行压浆处治，使拱肋内部的缝隙缺陷经化学灌浆补强后得到充填，加强拱肋整体强度。 对较大缝隙部位应灌注稠浆，缝隙较小的部位或要求渗透路径较远的部位，以稀浆进行灌注，视工程需要，有些部位可釆用先灌稠浆后灌稀浆或两者穿插配合使用的方法交替进行。

5.4 拱座加固

桥墩拱座已进行过裂缝封闭处理，但裂缝处可见重新开裂，因此，可对其进行外包混凝土加固，并沿拱座竖向设置3 道预应力混凝土圈梁，圈梁间隔90 cm。 加固前应先清理墩上垃圾，并将构件表面凿毛，继而植筋并浇筑加固混凝土。

5.5 混凝土构件缺陷修复

局部混凝土剥落破损处， 釆用环氧混凝土修补；拱上盖梁和横梁的蜂窝、麻点、空洞采用丙乳（NSF）砂浆进行修补；构件露筋锈蚀处应凿除钢筋锈蚀处保护层，钢筋下面的混凝土至少清除2 cm，并对钢筋进行除锈和防锈处理，立模浇筑环氧混凝土。

5 结语

本研究针对背景工程提出的加固改造措施，如更换吊杆、增设加劲纵梁、主拱圈灌浆等均为该类桥梁常用的加固措施，可供同类桥梁参考。 研究也表明：（1）早期的钢管混凝土吊杆拱桥经过多年运营，不可避免地出现了吊杆耐久性不足、混凝土老化等病害，且部分桥梁无纵梁的设计存在严重的安全隐患，可见早期的设计理念与日常维养均有一定的欠缺。 （2）桥梁静动载试验表明，由于病害发展及结构缺陷等，导致钢管混凝土拱桥部分控制截面的挠度与应变校验系数大于1.0，表明结构性能不满足设计要求，且行车时桥梁振幅较大，舒适度较差。 因此，对该类桥梁进行加固改造并加强日常维养与定期检查是十分必要的。 后续可结合理论分析与试验检测，进一步探究桥梁加固后的性能改善情况，为同类工程积累经验。