閔凡華

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110015）

四川旺蒼東河大橋是我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋,建成于1990 年,跨徑110m。由于鋼管混凝土拱橋具有材料強(qiáng)度高、施工方便、造型美觀等優(yōu)點(diǎn),又正逢我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)階段,鋼管拱橋在我國(guó)得到迅速發(fā)展[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在我國(guó)己建成的鋼管混凝土拱橋約有300 多座,其中跨徑超過(guò)200m 的有30 多座。

鋼管混凝土作為鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)的受壓構(gòu)件充分發(fā)揮混凝土優(yōu)越的抗壓性能和鋼材優(yōu)越的抗拉性能。利用鋼管對(duì)混凝土的套箍作用,改變了混凝土的受力狀態(tài),由一維受力狀態(tài)變?yōu)槿S受力狀態(tài),混凝土的抗壓強(qiáng)度得以提高；同時(shí)利用充填混凝土增加鋼管的穩(wěn)定性,提高了薄壁鋼管的側(cè)向剛度,增加鋼管的穩(wěn)定性[2]。

在鋼管拱橋梁快速發(fā)展的同時(shí),由于設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)的等因素,也造成部分鋼管拱橋在運(yùn)行中出現(xiàn)了較多的病害,本文以早期建成的鋼管拱橋?yàn)槔?介紹鋼管拱橋病害并分析病害成因,并通過(guò)荷載試驗(yàn)進(jìn)一步判斷該橋的受力狀態(tài)。

1 工程概況

本橋建成于1998 年,全橋共12 孔,第6～8 孔為主橋部分,跨徑布置為36+48+36m,橋面凈寬15m,兩側(cè)設(shè)人行道,交角90°。三跨簡(jiǎn)支啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋,拱圈采用啞鈴型鋼管混凝土結(jié)構(gòu),每孔兩片拱肋。拱肋線形為拋物線,邊、中跨計(jì)算矢高分別為9.8m 與12.8m,邊、中跨計(jì)算跨徑分別為33.6m 與45.6m,中跨鋼管直徑0.63m、邊跨鋼管直徑0.529m,鋼管壁厚1.2cm,綴板厚1.6cm,鋼管內(nèi)灌注50 號(hào)混凝土,綴板內(nèi)灌30 號(hào)水泥砂漿,縱梁為單箱單室小箱梁截面、梁高1.2m,橫梁為矩形截面,縱橫梁及橋面板現(xiàn)澆為整體結(jié)構(gòu),拱肋與橫梁通過(guò)吊索連接,中跨吊索間距為4m、邊跨吊索為3.9m,每根吊索采用鋼絞線,上端為固定端錨具,下端為張拉端錨具,吊索外套不銹鋼管,內(nèi)灌30 號(hào)混凝土。下部結(jié)構(gòu)為四柱式橋墩、肋板式橋臺(tái),基礎(chǔ)為鋼筋混凝土嵌巖樁。板式橡膠支座；橋面鋪裝采用瀝青混凝土；型鋼伸縮縫。

設(shè)計(jì)荷載：汽車- 超20 級(jí),掛車-120。

主橋橫斷面如圖1 所示。

圖1 典型橫斷面（單位：cm）

2 主要病害檢測(cè)及其成因分析

本文僅介紹主橋第6～8 孔鋼管拱的病害,對(duì)引橋空心板做不贅述,本文各構(gòu)件調(diào)查編號(hào)均為右側(cè)向左側(cè)編號(hào)。

2.1 鋼管拱主要病害

拱肋、橫撐：拱肋表面30%涂層剝落,出現(xiàn)銹蝕,主要集中在L/8 與7L/8 附近,管內(nèi)混凝土局部脫空,主要集中在上、下弦桿上部。橫撐表面55%涂層剝落、出現(xiàn)銹蝕,主要集中在綴板處。

吊桿：右側(cè)6-7、左側(cè)7-2 號(hào)吊桿無(wú)封錨砼,鋼絞線外露銹蝕；左側(cè)8-2 號(hào)吊桿封錨混凝土不密實(shí),空洞。

縱梁：每孔設(shè)兩片縱梁,縱梁腹板均存在多條豎向裂縫,多集中在跨中附近,裂縫寬度為0.04～0.25mm,間距為0.1～0.5m,裂縫處均已注膠或涂膠封閉,部分裂縫維修后仍開(kāi)裂。

在靠近拱腳位置縱梁腹板豎縫與梁底斜向?qū)?yīng)形成扭轉(zhuǎn)裂縫。

橫梁：第6～8 孔共10 道橫梁大小樁號(hào)側(cè)均存在豎向裂縫,裂縫寬度為0.06～0.15mm,間距為0.4～1.0m,橫梁中線處豎縫間距較小,較為密集,部分裂縫維修后再次開(kāi)裂,裂縫寬度達(dá)到0.25mm；中橫梁底面已粘貼鋼板維修,個(gè)別中橫梁鋼板局部膠液不密實(shí)。

橋面板：橋面板均有不同程度網(wǎng)裂,裂縫寬度為0.06～0.2mm,間距為0.1～0.4m,其中8-1～9 號(hào)橋面板大面積網(wǎng)裂,面積均為3×10m2,寬度為0.1～0.15mm；橋面板對(duì)應(yīng)泄水管位置處均滲水、麻面,局部露筋、銹蝕。

2.2 鋼管拱主要結(jié)構(gòu)復(fù)算

為更好的對(duì)病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,我們對(duì)鋼管拱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)復(fù)算。復(fù)算按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的選取,作用效應(yīng)采用原設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行組合,受篇幅限制,文中僅列出36m 跨徑鋼管拱組合I 的復(fù)算結(jié)果。效應(yīng)差系數(shù)中“+”表示截面抗力大于荷載組合效應(yīng)；“-”表示截面抗力小于荷載組合效應(yīng)。軸力數(shù)值負(fù)數(shù)為壓力,正數(shù)為拉力。

本次鋼管拱復(fù)算采用Midas Civil 軟件建立有限元模型進(jìn)行分析,36m 跨徑鋼管拱建立單元654 個(gè),節(jié)點(diǎn)529 個(gè),計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 36m 鋼管拱計(jì)算模型

鋼管拱復(fù)算結(jié)果詳見(jiàn)表1～3。

表1 拱肋承載能力極限狀態(tài)復(fù)算

表2 縱梁承載能力極限狀態(tài)復(fù)算

表3 橋面板正截面承載能力極限狀態(tài)復(fù)算

2.3 鋼管拱主要病害淺析

拱肋：拱肋病害主要為耐久性病害,表現(xiàn)為涂層剝落、銹蝕。從承載能力復(fù)算結(jié)果看,拱肋承載能力滿足要求。

縱梁：通過(guò)空間模型計(jì)算發(fā)現(xiàn),縱梁為偏心受拉構(gòu)件且在靠近拱腳處存在一定的扭矩,形成了縱梁的復(fù)雜受力狀態(tài)?？v梁作為普通鋼筋混凝土構(gòu)件,在復(fù)雜受力狀態(tài)下表現(xiàn)出腹板跨中附近均存在較密集的豎向裂縫,拱腳附近形成扭轉(zhuǎn)裂縫,由于承載能力不滿足要求部分裂縫注膠封閉維修后繼續(xù)開(kāi)裂。

橋面板：橋面板設(shè)計(jì)中按照單向板繼進(jìn)行配筋,實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋面板為雙向板,造成橋面板橫橋向配筋不足,出現(xiàn)大面積網(wǎng)狀裂縫。

3 鋼管拱荷載試驗(yàn)（36m 跨徑）

本次檢測(cè)按照要求對(duì)第6 孔進(jìn)行荷載試驗(yàn)。文中簡(jiǎn)要列出荷載試驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

3.1 測(cè)試工況及加載效率

為保障橋梁結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)的安全,本次加載采用逐級(jí)加載的原則進(jìn)行,加載時(shí)共分為四級(jí)加載[3]。本次靜載試驗(yàn)采用四輛加載車,所用加載車輛的型號(hào)、軸距及軸重詳見(jiàn)表4。靜載試驗(yàn)加載工況及加載效率詳見(jiàn)表5。

表4 加載車輛稱重表

表5 加載工況及試驗(yàn)荷載效率

3.2 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2.1 主要控制截面測(cè)點(diǎn)布置圖,如圖3 所示。

圖3 主要控制截面測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

3.2.2 各截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)示意圖,如圖4 所示。

圖4 變測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)示意圖

3.3 測(cè)試結(jié)果

各控制截面工況在第4 級(jí)荷載作用下,各驗(yàn)算類型的實(shí)測(cè)值、理論值、校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余變形,詳見(jiàn)表6-7。

表6 拱肋實(shí)測(cè)撓度結(jié)果

主要測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.90～0.92,應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.94～0.96,校驗(yàn)系數(shù)均小于1,橋梁的實(shí)際狀況要好于理論狀況,相對(duì)殘余變形6.2%～8.1%,殘余應(yīng)變?yōu)?.3%～9.2%,均小于20%,表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 對(duì)鋼管混凝土拱橋來(lái)說(shuō),規(guī)范中尚無(wú)校驗(yàn)系數(shù)常值范圍,可以參考鋼橋和鋼筋混凝土拱橋綜合進(jìn)行判斷。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),試驗(yàn)荷載下的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值往往比較接近,給結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)定帶來(lái)困難[4]。而鋼管拱橋的在混凝土脫空區(qū)域或混凝土與鋼管結(jié)合較差的區(qū)域,校驗(yàn)系數(shù)接近1.0,表現(xiàn)出類似鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),需要我們對(duì)收集更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合承載能力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定。對(duì)本次荷載試驗(yàn),結(jié)合承載能力復(fù)算,可以判斷該橋主拱圈承載能力滿足規(guī)范要求,并有一定的安全儲(chǔ)備。

3.4.2 鋼管拱橋的混凝土脫空狀態(tài)檢測(cè)比較困難,而鋼管拱橋拱頂處易出現(xiàn)混凝土脫空現(xiàn)象,造成拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)離散,個(gè)別數(shù)據(jù)偏大,綜合判斷主拱肋拱頂截面應(yīng)力異常偏大,僅為結(jié)構(gòu)局部病害[5]。為更好的反映拱肋整體狀況,在計(jì)算中我們將實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為截面平均應(yīng)力,這樣處理后應(yīng)變的實(shí)測(cè)結(jié)果與撓度的實(shí)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性?？紤]撓度值更能反映結(jié)構(gòu)整體狀況,建議鋼管拱荷載試驗(yàn)可以將撓度校驗(yàn)系數(shù)作為主要判斷指標(biāo),并以應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為輔助判斷指標(biāo)。

表7 拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果

3.4.3 通過(guò)相對(duì)殘余變形數(shù)據(jù)可見(jiàn),該橋主拱肋盡管存在混凝土局部脫空現(xiàn)象,實(shí)測(cè)過(guò)程中整個(gè)主拱肋仍然處于彈性工作狀態(tài),相對(duì)殘余變形較小。這也說(shuō)明,該橋存在加固的價(jià)值,加固方案主要應(yīng)考慮縱梁、橫隔梁和橋面板加固。

4 結(jié)論

本文分析了某鋼管拱的病害及其成因,并通過(guò)靜載試驗(yàn)進(jìn)一步檢測(cè)橋梁承載能力。希望本文的分析思路能為鋼管拱橋的檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)提供有意義的參考。

4.1 早期設(shè)計(jì)是由于技術(shù)手段的限制,對(duì)結(jié)構(gòu)空間受力分析考慮不足,造成部分構(gòu)件配筋不合理。

4.2 縱梁需要平衡主拱圈的推力,應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,結(jié)構(gòu)受力傳遞路徑應(yīng)盡量簡(jiǎn)單明確,避免構(gòu)件處于復(fù)雜受力狀態(tài)。

4.3 對(duì)鋼管混凝土拱橋來(lái)說(shuō),規(guī)范尚無(wú)校驗(yàn)系數(shù)常值,建議根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合承載能力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定,并考慮將撓度校驗(yàn)系數(shù)作為主要判斷指標(biāo)。

4.4 鋼管拱橋跨徑一般較大,并且存在吊桿等難以檢測(cè)的構(gòu)件,建議可在橋梁運(yùn)營(yíng)期建立橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,積累數(shù)據(jù),便于掌握鋼管拱橋的長(zhǎng)期性能演變,同時(shí)避免橋梁在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)安全隱患。