某中承式混凝土系桿拱橋坍塌原因分析與研究

高敏

（上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，上海市，200092）

某中承式混凝土系桿拱橋坍塌原因分析與研究

高敏

（上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，上海市，200092）

通過(guò)分析一座坍塌的中承式混凝土系桿拱橋的受力體系，并在對(duì)其各主要構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查后，表明該拱橋吊桿系統(tǒng)的失效是導(dǎo)致該橋整體失效的首要內(nèi)在原因。接著，研究了致使吊桿系統(tǒng)失效的各因素并闡述對(duì)吊桿檢測(cè)的相關(guān)方法，提出了該類型拱橋設(shè)計(jì)、檢查及養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)。

吊桿檢測(cè)：鋼絲銹蝕；疲勞；檢測(cè)

0　前言

近些年來(lái)，各地運(yùn)營(yíng)中的橋梁坍塌時(shí)有發(fā)生，在2011年的“黑色”7月中，短短10 d時(shí)間內(nèi)，全國(guó)各地就發(fā)生了4起影響較大的橋梁坍塌事件。這其中就包括福建閩北地區(qū)某景區(qū)內(nèi)的一座中承式混凝土系桿拱橋。而這并非第一座坍塌的該結(jié)構(gòu)類型橋梁，與之相類似的兩座系桿拱橋：四川宜賓南門大橋及新疆孔雀河大橋分別于2001年11月及2011年4月橋面系局部出現(xiàn)坍塌，喪失承載能力。管理部門大多將這些橋梁坍塌歸咎于外在的超載車輛，而未深入說(shuō)明當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷或病害。本文通過(guò)對(duì)該中承式混凝土系桿拱橋坍塌后的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例分析，具體說(shuō)明該橋坍塌前實(shí)際存在的影響結(jié)構(gòu)安全的病害，研究導(dǎo)致其坍塌的內(nèi)在原因，為同類型橋梁的設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)、管理與檢測(cè)提供借鑒資料，避免相似的坍塌事故再度發(fā)生。

1　橋梁概述

該中承式混凝土系桿拱橋于1999年11月竣工通車，上部結(jié)構(gòu)為三孔中承式懸鏈線等截面鋼筋混凝土箱型無(wú)鉸拱橋，跨徑布置為80 m+100 m+80 m。橫向由兩片拱箱組成，箱寬1.0 m，兩箱間凈距12.0 m，吊桿采用（54+7）×Φ5高強(qiáng)鋼絲經(jīng)防腐處理而成，外包鋼管，橋面采用厚度25 cm的鋼筋混凝土連續(xù)板擱在橫梁上。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，掛車-100級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2。在通車運(yùn)營(yíng)不到12 a時(shí)間里，該橋其中一側(cè)80m邊跨近主跨側(cè)約40 m長(zhǎng)范圍內(nèi)橋面板出現(xiàn)坍塌，見(jiàn)圖1所示。

圖1　橋面系坍塌后的某系桿拱橋?qū)嵕?/p>

2　結(jié)構(gòu)受力體系分析

經(jīng)分析該中承式混凝土系桿拱橋的受力體系可知，其橋跨結(jié)構(gòu)主要由拱肋，橫向聯(lián)系和懸掛結(jié)構(gòu)三部分組成。拱肋是主要的承重構(gòu)件；橫向聯(lián)系設(shè)置在兩片拱肋之間，用以增加兩片分離式拱肋的橫向剛度和穩(wěn)定性；懸掛結(jié)構(gòu)包括吊桿和橋面系等，橋面荷載通過(guò)吊桿系統(tǒng)將作用力傳遞至拱肋及基礎(chǔ)上。

從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組成體系上來(lái)看，該橋?yàn)榻Y(jié)構(gòu)串-并聯(lián)體系，即該橋整體結(jié)構(gòu)體系A(chǔ)由5個(gè)子系統(tǒng)B1、B2、B3、B4、B5組成，每一個(gè)子系統(tǒng)Bj又由單位結(jié)構(gòu)Ai組成。對(duì)于該橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)單位Ai失效就將導(dǎo)致整個(gè)體系失效，見(jiàn)圖2所示。

對(duì)于該種類型的系桿拱橋，一根吊桿的失效，往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的失效。眾所周知的“木桶理論”，一只木桶能盛多少水并不取決于桶壁上最長(zhǎng)的那塊木板，而恰恰取決于最短的那塊。同樣該類型體系的結(jié)構(gòu)總體可靠度也由最差的構(gòu)件的可靠度所決定。

圖2　系桿拱橋的串-并聯(lián)體系圖

3　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及坍塌原因分析

在該橋坍塌現(xiàn)場(chǎng)，詳細(xì)檢查了橋面系、橫梁、吊桿系統(tǒng)、拱肋及基礎(chǔ)等構(gòu)件，其中以對(duì)吊桿系統(tǒng)的檢查為主，近距離細(xì)致檢查了吊桿內(nèi)鋼絲的銹蝕、損傷，坍塌后吊桿的破壞形態(tài)等。從現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果及分析可知，該橋的坍塌是由于在外荷載作用下，某一根或幾根下錨固區(qū)鋼絲銹蝕嚴(yán)重或錨夾具喪失錨固能力的吊桿。首先喪失承載能力斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致其附近的其它吊桿所承受的荷載大幅增加而斷裂，最終發(fā)生連鎖反應(yīng)，吊桿陸續(xù)喪失承載能力而斷裂，橋面系坍塌，全橋喪失工作性能。

3.1橋面系

該橋橋面板在坍塌后依然保持整體，未有粉碎性破壞，從橋面板局部開(kāi)裂區(qū)域檢查可知主要受力鋼筋狀況良好，無(wú)顯著銹蝕。墜落的橫梁依然保持較好的完整性，僅橫梁中部有豎向裂縫，從斷口處可知為新出現(xiàn)的裂縫，應(yīng)是橫梁在墜落著地瞬間沖擊所致。橋面板及橫梁混凝土表觀質(zhì)量總體良好，見(jiàn)圖3所示。

圖3　橫梁依然保持完整性之實(shí)景

3.2拱肋、拱上支承及基礎(chǔ)

兩側(cè)混凝土拱肋及橫向聯(lián)系質(zhì)量良好，坍塌后均未見(jiàn)有顯著破損及裂縫存在，僅在邊跨與主跨公用橋墩處，邊跨側(cè)下游拱腳處，出現(xiàn)沿拱肋與基礎(chǔ)交界面的橫向裂縫。該裂縫為坍塌過(guò)程中，拱腳與橋墩連接處松動(dòng)斷裂所致。墩臺(tái)、基礎(chǔ)及拱上建筑均未見(jiàn)顯著病害存在。

3.3吊桿系統(tǒng)

吊桿系統(tǒng)是此次檢查的重點(diǎn)，包括桿體鋼絲、錨固區(qū)域等。在對(duì)吊桿的檢查中，可見(jiàn)各吊桿斷裂位置均處于吊桿底部，橫梁頂面及下錨頭之間，見(jiàn)圖4 （a）。吊桿內(nèi)鋼絲銹蝕嚴(yán)重，表面坑洞明顯，截面明顯削弱，同時(shí)吊桿各鋼絲間防腐黃油已嚴(yán)重缺失，見(jiàn)圖4 （b）。

通過(guò)研究吊桿在斷裂后的斷口，可見(jiàn)吊桿的失效斷裂主要有以下三種狀態(tài)：

第一種破壞狀態(tài)如圖5 （a）所示，吊桿自身的銹蝕嚴(yán)重。在坍塌前，該吊桿外側(cè)部分鋼絲已因銹蝕斷裂失去作用，僅有內(nèi)部部分鋼絲連接著，該類型的斷裂形態(tài)表明此吊桿是最先因荷載等外在因素而斷裂。

圖4　吊桿斷裂位置及吊桿鋼絲銹蝕嚴(yán)重之實(shí)景

第二種破壞狀態(tài)如圖5（b）所示，吊桿內(nèi)各鋼絲斷口處于同一平面，斷口處各鋼絲截面均有因銹蝕導(dǎo)致的截面減小，表明該類型的吊桿內(nèi)各鋼絲均于錨固區(qū)域銹蝕。該斷面處吊桿截面整體削弱，在荷載的增加下，于該斷面處整體斷裂。

第三種破壞狀態(tài)如圖5（c）所示，部分鋼絲在錨固區(qū)同一斷面處斷裂，另有部分鋼絲因?yàn)殄^固區(qū)喪失錨固能力而拔出，表明該處鋼絲錨夾具局部已喪失錨固作用。

圖5　吊桿鋼絲斷裂的幾種形態(tài)之實(shí)景

通過(guò)對(duì)墜落于地面的橫梁中的吊桿下錨固區(qū)檢查，可以看到吊桿下錨頭銹蝕、內(nèi)有殘留的鋼絲，且可見(jiàn)部分鋼絲拔出后殘留的孔洞，見(jiàn)圖6 （a）所示。各橫梁上，吊桿下錨頭區(qū)域封錨混凝土處均有有白色滲出物，呈環(huán)狀，見(jiàn)圖6 （b）所示，表明該錨固區(qū)混凝土長(zhǎng)期處于積水、潮濕狀態(tài)，吊桿鋼絲及錨夾具有嚴(yán)重的銹蝕情況。

圖6　吊桿下錨頭區(qū)域之實(shí)景

4　吊桿損傷原因分析

在該橋的各構(gòu)件中，吊桿系統(tǒng)是最薄弱的一環(huán)，吊桿的失效，導(dǎo)致了最終橋梁結(jié)構(gòu)的整體失效。影響該橋吊桿損傷的因素主要有以下幾個(gè)方面。

4.1銹蝕

銹蝕是導(dǎo)致吊桿及其下錨固區(qū)域損傷進(jìn)而失效的一個(gè)主要原因：設(shè)計(jì)中，下錨固區(qū)域完全澆筑于橫梁內(nèi)，缺乏相應(yīng)的阻水及排水構(gòu)造，在陰雨天氣，雨水必然順著吊桿滲入下錨固區(qū)域而長(zhǎng)期留存，使得錨固區(qū)長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，吊桿鋼絲及錨夾具鋼構(gòu)件的銹蝕損傷是必然的。

4.2疲勞損傷

疲勞是該橋吊桿損傷的另外一個(gè)原因。吊桿作為承受軸向力的構(gòu)件，除恒載外，還承受著汽車等活載作用下的軸向交變應(yīng)力，產(chǎn)生軸向疲勞，疲勞應(yīng)力的存在使得吊桿鋼絲產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，截面削弱。

該橋吊桿下錨固區(qū)的設(shè)計(jì)，直接將吊桿插入橫梁中錨固，卻未考慮此設(shè)計(jì)在后續(xù)運(yùn)營(yíng)中吊桿會(huì)因?yàn)闄M梁的縱橋向扭轉(zhuǎn)而帶動(dòng)吊桿產(chǎn)生彎折疲勞損傷，以及錨固區(qū)鋼構(gòu)件的疲勞損傷。如能在當(dāng)初的設(shè)計(jì)中考慮在吊桿及橫梁接觸處設(shè)置橡膠減震塊，那將會(huì)有效地減少吊桿系統(tǒng)因橫梁扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的疲勞損傷，圖7中顯示了是否設(shè)置減震塊對(duì)吊桿彎曲的影響。

圖7　設(shè)置橡膠減震塊對(duì)吊桿彎曲的影響示意圖

4.3溫度自應(yīng)力

該橋吊桿僅采用在鋼絲束外包鍍鋅薄鋼管的方式來(lái)作防護(hù)處理，使得吊桿內(nèi)部鋼絲在日曬作用下，溫度升高較快，且由于日曬角度的不同，吊桿內(nèi)各鋼絲受熱不均勻，產(chǎn)生軸向溫度自應(yīng)力，導(dǎo)致吊桿內(nèi)各鋼絲受力不均勻，影響吊桿受力的整體性。

5　對(duì)吊桿系統(tǒng)損傷的檢測(cè)方法

由于吊桿外側(cè)的防護(hù)，以及吊桿系統(tǒng)錨固區(qū)域多置于封閉區(qū)域，使得對(duì)吊桿系統(tǒng)的檢查及檢測(cè)存在一定的難度，目前對(duì)于吊桿的檢測(cè)主要從以下幾方面著手：

（1）目視檢查是目前對(duì)吊桿系統(tǒng)損傷最直接可靠的檢測(cè)手段，即將吊桿外側(cè)護(hù)套及上下錨頭打開(kāi)，檢查吊桿內(nèi)部鋼絲及錨頭銹蝕程度，滲水程度及橡膠減震塊、防腐黃油的老化程度等。然而在大部分的橋梁檢查中，不可能將一座橋梁所有的吊桿及錨頭均打開(kāi)，這就使得吊桿病害的檢查有了極大的隨機(jī)性。因此，可側(cè)重挑選拱腳處短吊桿及四分點(diǎn)處受力較大的吊桿，打開(kāi)吊桿護(hù)套并拆除錨固區(qū)域錨杯直接進(jìn)行目視檢查。

（2）定期對(duì)各吊桿在恒載下的拉力進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比不同時(shí)期的拉力來(lái)判斷是否有吊桿拉力出現(xiàn)異常變化。若采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法間接測(cè)試吊桿拉力，則可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直接對(duì)比測(cè)得的各階振動(dòng)頻率來(lái)判斷索力的變化情況及可能出現(xiàn)的退化。

（3）另外亦可以通過(guò)測(cè)試錨固區(qū)混凝土的電阻率，間接判斷混凝土的潮濕程度，或測(cè)量該區(qū)域鋼筋的銹蝕活動(dòng)性。對(duì)處于濱海區(qū)域的系桿拱橋還應(yīng)檢測(cè)該區(qū)域混凝土內(nèi)的氯離子含量，來(lái)綜合判斷錨固區(qū)所處的內(nèi)在環(huán)境及內(nèi)部鋼構(gòu)件的銹蝕程度。

6　結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)該混凝土系桿拱橋的受力體系闡述、坍塌現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、吊桿系統(tǒng)失效原因分析及吊桿檢測(cè)方法的討論，可知：

（1）對(duì)于該類型的結(jié)構(gòu)體系，某一或幾個(gè)構(gòu)件的失效即導(dǎo)致整體系統(tǒng)的失效，因此在初期設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能避免同樣的設(shè)計(jì)?？紤]吊桿系統(tǒng)的重要性及后續(xù)更換等原因，目前已有多座拱橋在設(shè)計(jì)中，采用平行垂直雙吊桿或交叉斜向雙吊桿的設(shè)計(jì)方式。

（2）吊桿系統(tǒng)是拱橋中傳遞橋面荷載至拱肋及基礎(chǔ)的重要構(gòu)件，吊桿的失效即意味著全橋整體受力的失效。管養(yǎng)中，對(duì)于拱橋吊桿系統(tǒng)的檢測(cè)頻率應(yīng)大于全橋的檢測(cè)或?qū)ζ溥M(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。

（3）該中承式混凝土拱橋的坍塌原因有多方面，表面上看則是由于吊桿系統(tǒng)在不同荷載、因素作用下，逐漸腐蝕、損傷進(jìn)而喪失承載能力，導(dǎo)致整個(gè)橋梁系統(tǒng)失效；深層次的原因在于初期該橋吊桿錨固區(qū)設(shè)計(jì)的缺陷及后期通車運(yùn)營(yíng)后管養(yǎng)不到位所致。

2015年沈陽(yáng)市城建計(jì)劃投資規(guī)模273.5億元

沈陽(yáng)市2015年的城市建設(shè)計(jì)劃近日正式公布，沈陽(yáng)市城建計(jì)劃投資規(guī)模273.5億元（市本級(jí)），重點(diǎn)突出保續(xù)建、保民生、保生態(tài)的原則，著力建成一批重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，繼續(xù)加大城鄉(xiāng)環(huán)境治理力度，不斷改善市民生活環(huán)境，為沈陽(yáng)新一輪振興發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

U445.7+1

B

1009-7716（2015）02-0061-04

2014-11-24

高敏（1984-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁健康檢測(cè)與診斷。