钢管混凝土拱桥常见病害成因分析

蓝陆杰

（广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司来宾分公司，广西来宾 546100）

0 引言

修建桥梁不仅有效地利用了地面空间资源，而且改善了区域交通的通行能力。钢管混凝土拱桥的结构较为复杂，在施工或后期使用时，往往会出现较多病害，严重降低桥梁的原有功能及耐久性，桥梁管理养护单位要注意桥梁病害的检测和处理。

1 钢管混凝土拱桥主要病害及成因

1.1 梁体裂缝

病害描述：表现为梁体开裂，产生裂缝等。裂缝通常出现在横梁跨中处，主要分为两种，花纹状细裂纹和竖向裂缝。

病害成因：钢管混凝土拱桥开裂的原因有以下方面。

1.1.1 构造不合理

在没有合理的桥梁结构体系的情况下，桥梁受力体系不协调，桥梁构件处于不合理的受力状态，横梁容易出现裂缝。对于中承式拱桥，在拱肋与桥面相交处，梁体可能会产生剪切裂缝，主要原因是纵梁为了躲避拱肋呈非直线性。

1.1.2 设计不满足规范要求

预应力混凝土横梁设计不良，桥梁在使用阶段的预应力不足，可能导致梁体开裂。梁的最终载荷能力符合设计要求，但抗裂能力不符合规范，可能导致裂缝[1]。

1.1.3 整体性差

大多数钢管混凝土拱桥采用中下承式悬吊桥面系，横梁之间没有有效的纵向连接，完整性、整体性差。受重型车辆过桥的影响，振动时很容易出现变形。

1.2 吊杆与系杆病害

1.2.1 吊杆防护套破损

病害描述：吊杆防护套开裂，往往标志着整个吊杆的耐久性开始失效，防护套开裂会影响整个吊杆系统的使用。在吊杆上采用钢管防护套，有助于保护钢管不受损坏。

此外，吊杆两端密封不好，雨水和空气容易渗入钢管，造成吊杆锈蚀。比如，广西柳州文惠桥吊杆PE护套出现了开裂，广西南宁三岸邕江大桥吊杆的PE保护层出现不同程度的开裂或环状断裂，原因就是吊杆防护套存在严重的质量问题。

病害成因：防护套病害的主要原因是原材料出现问题，如材料老化、抗拉强度低、防护套材料选用不当和材料与钢管热膨胀系数不一致。例如，管道的PE热膨胀系数是混凝土和钢的6 倍，因此不能同时进行热膨胀和压缩。

1.2.2 吊杆断裂或断丝

病害描述：吊杆钢索锈蚀、断裂的主要原因是强度、疲劳和腐蚀问题。悬吊杆的安全系数通常大于2.5，因此很少出现杆强度不足造成断裂的情况。吊杆断裂主要是吊杆保护失效，造成大面积腐蚀，吊杆的有效截面减少，当杆力恒定时，杆应力增大，会导致吊杆失效。

病害成因：反复荷载下吊杆发生损伤是吊杆断裂的重要原因。中、下承式钢管混凝土拱桥吊杆设计中比较重视强度问题，较少注意疲劳，只控制在一定范围内。

此外，对振动、冲击和曲率造成的额外应力的重视不够。大气环境中吊杆的损坏实际上是疲劳的结果，腐蚀直接降低了杆的抗拉强度[2]。

1.3 振动病害

病害描述：道路桥梁的设计应能承受车辆使用过程中的负载。车辆通过桥梁时，桥梁会产生振动、冲击等动态效果。这种驱动作用增加了桥梁结构的内力。振动显然会对结构局部疲劳造成损害，影响桥梁的舒适性和安全性，降低桥梁结构的承载能力和耐久性，甚至完全破坏桥梁结构。钢管混凝土拱桥固有的频率和尺寸计算表明，大跨度钢管混凝土拱桥是一种柔性结构。近年来，随着桥梁数量增加，人们越来越关注桥梁的动态。

病害原因：振动病害的主要是原因是设计缺陷、使用不当以及桥梁使用过程中不可避免的损坏。钢管混凝土桥梁结构简单，完整性和刚性较弱，车辆经过时振动明显。桥面平面不整时，车辆行驶引起的轴向共振会增加振动和冲击，对拱桥横向振动有直接影响，影响拱圈整体刚度。

1.4 管内混凝土脱空

病害描述：管内混凝土脱空是钢管混凝土拱桥中常见病害，在混凝土低应力条件下出现孔隙，对钢管拱桥在混凝土中的承载能力产生重大影响。脱空包括拱脚区段混凝土存在不密实性，拱顶区段出现空洞。

病害原因：管内混凝土脱空可以归纳为几个原因，如膨胀过程中供水不连续，混凝土装配不当，混凝土浇筑的位置和方向不正确，钢管混凝土延伸率与混凝土线之间的差异不足以实现未膨胀混凝土的延伸率。理论分析表明，钢管直径过大时，钢管与混凝土脱空是不可避免的。

1.5 钢管腐蚀

病害描述：钢管混凝土拱桥钢管腐蚀损伤部分主要集中在钢管混凝土拱桥拱肋与横撑钢管的一侧和钢管节段焊接处。钢管拱肋是钢管混凝土拱桥的主要结构，腐蚀不仅会影响桥梁的外观和装饰，还会直接影响拱肋和整个桥梁结构的寿命。

病害原因：钢管拱肋的腐蚀主要由于大气湿度、钢结构防腐措施和荷载。当钢结构防腐措施不当或防腐效果不好时，当大气湿度高、大气中腐蚀性气体含量高时，钢管容易受到腐蚀。此外，在使用阶段，桥梁承受车辆荷载作用，由于防腐层和钢管的变形系数不同，涂层容易开裂和裸露，荷载与大气环境的综合作用可能加剧腐蚀[3]。

2 钢管混凝土拱桥常见病害维修与处理措施

2.1 横梁、桥面板裂缝封闭处理

对于宽度小于0.15mm 的裂缝，可采用封闭胶直接封闭。操作前，应用砂轮机、钢丝刷打磨混凝土表面沿裂缝走向宽约50mm 范围，清除水泥翻沫、灰尘及疏松的混凝土块和砂粒，油污要用布蘸稀料擦净。如果潮湿要用喷灯吹干，梁表面应光滑。对于宽度大于0.15mm 的裂缝，应使用压力注入法。

2.2 钢管混凝土系杆拱桥加固方法

2.2.1 增大截面加固法

随着车流量增加，桥梁承载能力大幅度降低，无法满足现状。由于旧桥截面小，无法满足日益增长的交通需求，但是可以扩大旧桥截面以提高旧桥的承载能力。增大截面加固法是通过增加原始结构混凝土的截面、结构的强度和刚性实现的。增大截面加固法包括主圆弧环加固方法、焊缝加固方法、增大梁肋法、加厚桥面板法等[4]。

2.2.2 锚喷混凝土加固法

锚喷混凝土加固法采用空气压缩将混凝土通过管道喷到要修补的部位，加强该段的承载能力。需要补强的部位通常是钢管混凝土构件。锚定通常处于加固位置，用铁丝固定，并以一定的混凝土浇筑。新喷射的混凝土形成一个结合了原始结构并承受外部荷载的截面。

2.2.3 碳纤维材料加固法

碳纤维是一种强度较大但直径较小的纤维，与环氧树脂结合后，在纤维的方向上具有较强的抗拉强度。除了具有较高的强度外，还能抵抗侵蚀、疲劳和老化，并在过去十年中被广泛用于加固钢管混凝土结构。采用碳纤维材料加固法，具有施工简单、适应不同结构形式、混凝土裂缝有效闭合、结构外观无影响、耐久性好等优点。通常用于梁板的受弯、受剪加固以及墩柱的围束加固。

2.3 振动病害处理

2.3.1 吊杆、系杆应具有可更换性

与钢管混凝土拱肋不同，中间支撑拱桥系杆容易受腐蚀影响以及材料本身受钢筋腐蚀的影响，在使用过程中需要多次更换。因此，设计必须考虑杆和拉杆的替换和操作能力。

2.3.2 合理选择钢管直径和钢管壁厚

混凝土脱空病害是不可避免的，但直径小的钢管，管内混凝土脱空量也小。钢管壁厚度太小，刚度部分不足，弧形部分弯曲。目前，中国钢管混凝土设计规范中关于钢管壁厚的规定以套箍系数为标准。也就是说，要求范围为0.5～3.0。套箍系数小于0.5不能有效约束钢管，而大于3.0 不能使用。该规范源于钢管和混凝土的紧密填充，而不考虑钢管真空、钢筋集中力、约束或钢管在弯曲阶段的变形。因此，钢管壁在施工阶段的厚度至少为14mm。

2.3.3 采用高性能自预应力混凝土

高性能混凝土的一个重要特征是体积稳定性，这无疑减少了混凝土在钢管中的流动和收缩，从而降低了钢管中的脱空风险。由于混凝土产生的自预应力可更好地克服管内混凝土脱空。理论分析和经验表明：高性能自约束混凝土的自约束值为2～4MPa，双膨胀剂、水胶的比例控制在0.35～0.40 之间，钢管混凝土的承载力可从15%提高到20%。

2.4 钢管脱空病害处治

在主拱肋顶面部分处理长度大于或等于2m，宽度大于或等于30cm 的主拱脱空位置进行处理。在中空管段上钻一个孔，在大约1m 间隔处将长约100mm 的钢管作注浆管，用环氧胶黏剂密封，然后注浆处理。一旦浆液流出，继续注入，直到流出速度稳定为止。超声波和人工敲击检测在灌浆料固化3d 后应用。脱空部分填充饱满后，应在主拱肋涂上防锈漆[5]。

2.5 除锈、防腐处理

桥梁检测报告显示，拱肋、腹杆、吊杆表面存在保护层丢失、破碎、剥离、断裂等现象，影响桥梁的外观、使用性能和安全性。因此，必须优先解决桥梁钢构件重叠的问题，有效地保护桥梁，防止钢构件进一步腐蚀，并确保其安全。其一，除去零部件表面原有的漆及铁锈。其二，使用动力钢丝刷、动力砂纸盘或砂轮等工具进一步打磨钢管表面。其三，用清洁压缩空气或刷子除去灰尘。其四，除去锈蚀时，钢表面不得有杂质，包括氧化皮、锈蚀、涂料等，底材必须具有金属光泽。其五，施工采用无空气喷涂施工。

3 钢管混凝土施工技术质量控制要点

3.1 科学控制混凝土配合比

根据实际施工要求配制混凝土是提高钢管混凝土施工质量的重要工作。混凝土的坍落度介于17～21cm，再加上压注速度，可以计算出混凝土初始凝固所需的时间。微膨胀率是影响混凝土组成的重要因素。因此，首先要科学计算混凝土的微膨胀率，然后根据需要计算砂、石、水的比例。如果混合物的设计不科学，可能发生泵送困难、裂纹等情况。合理调整混凝土组成比例是提高施工质量的重要因素。

3.2 采取钢管混凝土养护措施

应在施工结束的午后进行拱肋的维护，避免在夏季高温进行。具体操作时，应在脱空处上下各钻接到底部孔，并将钢管喷嘴连接到喷管上。将准备好的注射材料通过注射机器运输。当与原钢管混凝土连接的顶管暴露面破裂时，混凝土边缘的包裹时间可以适当延长，混凝土无裂缝时，要定期观察，及时排除拱座处积水，保持干燥[6]。

3.3 稳定性分析

由于跨径增大，拱桥横向刚度和宽度减小，拱桥横向会不稳定。影响钢管混凝土拱桥稳定性的因素包括矢量比、支座形状、横向刚度、拱肋刚度等。因此，根据项目的实际情况选择矢跨比。此外，横向支撑可确保拱桥的稳定性。选取K 类型或M 类型的横向支撑，以提高拱桥的横向刚度并确保其稳定性。支撑的刚度也会影响拱桥的稳定性，且弯曲安全系数是线性的。

4 结语

由于钢管混凝土拱桥的结构较为复杂，我国的钢管混凝土拱桥的病害发生率很高。为了预防安全事故发生，提高钢管混凝土拱桥的耐久性和可靠性，有必要重视钢管混凝土拱桥的病害分析和病害处理。为此，桥梁建设单位与桥梁管理养护单位应首先分析钢管混凝土病害的成因，然后制定处治病害的有效措施，将日常养护与预防性养护结合起来，以提高钢管混凝土拱桥的使用寿命和安全性。