應(yīng) 立，伍曉孟*

（中鐵長江交通設(shè)計集團有限公司，重慶）

引言

中承式拱橋具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、承載能力優(yōu)越的特點，是一種被廣泛應(yīng)用的橋梁結(jié)構(gòu)。中承式拱橋有拱肋、吊桿、橋面系主梁三大主要承重結(jié)構(gòu)，其中吊桿在工程的實際應(yīng)用中易出現(xiàn)錨固體系進水、失效以及鋼絲腐蝕斷裂等病害[1-2]，吊桿的安全性、耐久性遠達不到使用要求，其中相當一部分工程的吊桿在建成后短時間內(nèi)出現(xiàn)嚴重的問題，不得不提前檢測維護，甚至提前更換吊桿拉索，浪費極大[3]。吊桿存在的安全隱患，致使部分拱橋橋面系梁體出現(xiàn)垮塌事故，嚴重威脅工程及人民生命財產(chǎn)的安全[4]。

本研究以某中承式拱橋部分橋面系塌落事故為例，分析了吊桿脆性破壞造成橋面系塌落的主要原因，便于深入了解中承式拱橋病害及其成因，對于中承式拱橋的建設(shè)實踐和運營管理極具現(xiàn)實意義。

1 橋梁概況

研究對象橋梁為新疆某中承式鋼管混凝土拱橋，主跨計算跨徑150 m，橋面系采用吊橫梁、縱置小T梁，吊桿縱向間距5 m；引橋為5×13 m（烏魯木齊岸）＋2×13 m（庫爾勒岸）鋼筋混凝土T 梁。兩岸橋臺基礎(chǔ)均為明挖基礎(chǔ)，引橋橋墩為柱式墩，橋面寬度為24 m，橋梁全長236.8 m。大橋橋跨布置如圖1 所示。

圖1 大橋橋跨布置

2 事故現(xiàn)場情況及過程分析

橋面系梁體垮塌事故發(fā)生后，相關(guān)人員詳細探勘了事故現(xiàn)場，根據(jù)橫梁及橋面板的墜落位置、吊桿斷裂的形態(tài)及主拱肋內(nèi)側(cè)的擦痕等綜合分析，還原了橋面系發(fā)生墜落的基本過程：墜落發(fā)生時，首先拱橋上游側(cè)2 號吊桿突然斷裂，2 號橫梁上游端失去平衡發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的巨大慣性瞬間使處于下游側(cè)2 號吊桿發(fā)生彎拉脆斷，失去支撐的2 號橫梁隨即墜落于孔雀河下游側(cè)水中；與此同時，相應(yīng)的2 號吊桿兩側(cè)的橋面板失去支撐向下墜落，在墜落的同時也將1 號吊桿與肋間橫梁間的橋面板一道墜于河中，墜落的橋面板有3 孔共計3×5=15 m，并在主拱肋鋼管內(nèi)側(cè)形成了明顯的擦痕。1 號吊桿未發(fā)生斷裂，橫梁也未墜落，但由于臨近2 號吊桿的斷裂后橋面板墜落時的震動沖擊的影響，1 號橫梁的安全性難以判斷。

3 斷裂吊桿病害描述

大橋部分橋面墜落事故源于烏魯木齊側(cè)第2 號橫梁吊桿（共計兩根）發(fā)生斷裂，2 號橫梁及三孔橋面板墜落河中，其主體結(jié)構(gòu)拱肋未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞痕跡。2 號吊桿的斷裂部位發(fā)生在吊桿與橫梁頂面的結(jié)合處，因下錨頭及下端鋼絲隨橫梁墜入水中，打撈困難，因此無法檢查2 號吊桿下錨頭及其連接部位鋼絲的銹蝕情況，因此只有通過調(diào)查殘留端吊桿斷口的狀態(tài)來分析此次吊桿發(fā)生斷裂的主要原因。從現(xiàn)場截取的兩根含斷裂部位的殘留吊桿的斷口形態(tài)上可以看出：兩根吊桿鋼絲均未發(fā)生滑絲現(xiàn)象，橫梁以上吊桿鋼絲因為采用水泥漿防護，鋼絲表面有輕微銹痕，鋼絲斷口并未發(fā)現(xiàn)截面積減少現(xiàn)象，說明橫梁以上的防護方式還是有效的；但橫梁以下吊桿的防護情況就不是很樂觀，上游側(cè)2 號吊桿鋼絲的腐蝕情況比下游側(cè)2 號吊桿鋼絲斷口附近的鋼絲有大量腐蝕產(chǎn)物，鋼絲已被嚴重腐蝕，2 號吊桿約80%鋼絲有嚴重的腐蝕坑（有的已銹斷），為陳舊性斷裂。從吊桿取樣腐蝕情況表可以看出，鋼絲腐蝕程度已嚴重超出可接受的缺陷深度（國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會（FIP） 為0.04 d 或0.05 mm）；斷裂前，斷口附近已因腐蝕使吊桿斷面受到較大程度的消弱。

4 橋梁結(jié)構(gòu)整體驗算

采用橋梁專用分析軟件MIDAS 對主橋正常使用階段進行結(jié)構(gòu)分析，并進行正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)驗算，尋找結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。橋梁結(jié)構(gòu)驗算模型如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)驗算模型

4.1 結(jié)構(gòu)驗算主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)驗算主要內(nèi)容如下：

（1） 正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)驗算。

（2） 使用狀態(tài)動力性能。

（3） 成橋狀態(tài)和使用狀態(tài)彈性穩(wěn)定。

（4） 跨中伸縮縫未取消時的動力特性和彈性穩(wěn)定。

鋼管混凝土構(gòu)件驗算：按《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》計算；其中鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)力驗算（承載力驗算）采用基本組合，應(yīng)力驗算采用短期效應(yīng)組合和長期效應(yīng)組合。

其它鋼結(jié)構(gòu)驗算：依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行應(yīng)力驗算。

4.2 結(jié)構(gòu)驗算主要結(jié)論

（1） 無論跨中是否設(shè)置伸縮縫，原設(shè)計擬定的主拱、橋面梁、吊桿、拱座等構(gòu)件的截面尺寸滿足內(nèi)力要求，且具有一定的安全儲備；主拱座的嵌固力滿足主拱推力的要求。

（2） 結(jié)構(gòu)體系降溫30°時，端部短吊桿向跨中位移為17 mm；結(jié)構(gòu)體系降溫10°時，端短吊桿向跨中位移為6 mm；上述位移導(dǎo)致吊桿發(fā)生轉(zhuǎn)角位移而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。結(jié)構(gòu)體系溫差對吊桿內(nèi)力影響很小，可以忽略不計。

（3） 車輛制動力作用時，端部短吊桿縱向位移為8.5 cm，導(dǎo)致吊桿發(fā)生轉(zhuǎn)角位移而產(chǎn)生較大彎曲應(yīng)力。制動力直接引起的吊桿內(nèi)力較小。

（4） 主橋動力性能較差，1 階自振頻率為0.017 HZ，且為橋面系縱向漂移，導(dǎo)致吊桿產(chǎn)生反復(fù)的縱向位移；當跨中設(shè)置伸縮縫時，1 階自振頻率為0.006 HZ，且為橋面梁側(cè)向漂移，可能導(dǎo)致吊桿產(chǎn)生反復(fù)的縱橫向位移，橋面梁整體性較差。第1、2 階自振振型見圖3、圖4。

圖3 第1 階振型

圖4 第2 階振型

（5） 最不利狀態(tài)吊桿安全系數(shù)為2.6；當?shù)鯒U鋼絲銹斷達到85 根時，剩余有效鋼絲絲數(shù)小于53 根時，吊桿可能發(fā)生斷裂。

（6） 主橋彈性1 階失穩(wěn)模態(tài)特征值大于3.5；當跨中無伸縮縫時，1 階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為橋面梁扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致主拱扭轉(zhuǎn)；當跨中設(shè)置伸縮縫時，1 階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為主拱側(cè)彎。橋面梁不具有足夠的剛度為主拱提供保向力，結(jié)構(gòu)體系的整體性能較差，第1、2 階失穩(wěn)模態(tài)見圖5、圖6。

圖5 第1 階失穩(wěn)模態(tài)，特征值為5.237

5 橋面系梁體垮塌原因分析

（1） 斷口附近的鋼絲有大量腐蝕產(chǎn)物，鋼絲已被嚴重腐蝕，吊桿斷口基本表現(xiàn)為（一次性加載的）脆性斷裂，大部分腐蝕嚴重的鋼絲無明顯塑性變形發(fā)生，可以初步確定吊桿屬于鋼絲應(yīng)力腐蝕斷裂。

（2） 短吊桿受力狀況復(fù)雜。在隨時間變化荷載（如溫度荷載）作用下，橋面漂浮體系存在較大的水平位移，與跨中長吊桿相比，短吊桿剛性較大，固有頻率較高，受到的剪切變形較大。在車輛特別是超重車輛沖擊荷載作用下，吊桿下端處于反復(fù)彎剪狀態(tài)，導(dǎo)致鋼管護筒內(nèi)砂漿斷裂，使鋼絲受到大氣和雨、雪水的直接侵蝕，發(fā)生嚴重腐蝕[5-6]。

（3） 吊桿防腐構(gòu)造細節(jié)處理不當。從截取的吊桿樣本看，除吊桿下端靠近橫梁處腐蝕嚴重外，其余部位仍比較完好，說明鋼管護套內(nèi)注入水泥漿的防腐方案從整體上來說是可行的，但關(guān)鍵部位的防腐構(gòu)造并不能有效阻斷水與大氣對鋼絲的作用，導(dǎo)致整個吊桿的防腐失效。

（4） 吊桿為非永久性構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)需進行多次更換，至關(guān)重要的是應(yīng)能對吊桿進行可視性檢查和可操作性更換。雖然本橋吊桿設(shè)計為可更換式吊桿，但其下端腐蝕部位無法通過常規(guī)檢查方式檢查其腐蝕情況，實際上吊桿處于不可知狀態(tài)。橋面在主跨內(nèi)為多點彈性支承的多孔簡支結(jié)構(gòu)體系，缺乏足夠的縱向聯(lián)系，只要又某一吊桿斷裂就會引起部分橋面系塌落。

6 設(shè)計角度的反思

6.1 吊桿、系桿構(gòu)造設(shè)計

（1） 拱橋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命≥100 年，吊桿、系桿設(shè)計壽命一般≥30 年，設(shè)計時應(yīng)作可更換設(shè)計，構(gòu)造上要做到可到達、可檢查、可維護、可更換。

（2） 最短吊桿應(yīng)具有足夠的自由長度（一般不宜小于2.0 m），并具有適當構(gòu)造措施以適應(yīng)溫度變化及活載等引起的橋面系縱向變形。

（3） 吊桿、系桿盡可能錨具露出結(jié)構(gòu)外面。

6.2 橋面系構(gòu)造設(shè)計

（1） 應(yīng)可能提高橋面系的整體性，橋面系的整體性對全橋整體穩(wěn)定等特性有影響。

（2） 可能的話，橋面系宜采用縱、橫梁共同受力的“格子梁”結(jié)構(gòu)形式?！豆蜂摴芑炷凉皹蛟O(shè)計規(guī)范》已對300 m 以上拱橋推薦采用鋼混組合梁連續(xù)體系。

（3） 橫梁受力為主的橋面梁需設(shè)縱梁，或者采取其他構(gòu)造措施，做到“斷桿不落梁”。

（4） π 形梁的橋面系，盡量避免單跨簡支梁的形式，可考慮做成多跨連續(xù)π 形梁。

（5） π 形梁應(yīng)具有足夠的橫向聯(lián)系剛度，避免引起橋面鋪裝的縱向開裂。

結(jié)束語

本研究通過新疆某中承式鋼管混凝土拱橋部分橋面系梁體垮塌事故，對吊桿斷裂破壞引起橋面系梁體塌落的原因進行了分析。通過分析表明：該類型的中承式肋拱橋吊桿及橋面系構(gòu)造存在一定缺陷；吊桿主要因應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞作用和缺乏針對性的養(yǎng)護等原因發(fā)生脆性斷裂。最后，對該類型橋梁的設(shè)計進行了反思，為同類型的橋梁建設(shè)實踐吸取經(jīng)驗教訓(xùn)以規(guī)避同類事故的發(fā)生提供一定的借鑒作用。