某鋼管混凝土拱橋缺陷分析及加固建議

陶東陽(yáng)

摘要：鋼管混凝土拱橋在我國(guó)發(fā)展迅速，但存在的問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。某鋼管混凝土系桿拱橋在檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)該橋存在鋼管脫空、吊桿銹蝕、錨頭銹蝕等常見(jiàn)病害以及主粱振動(dòng)、剛度不足等動(dòng)力缺陷。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對(duì)該橋提出加固建議，為以后鋼管混凝土拱橋的檢測(cè)與加固提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；拱橋；缺陷；處治

1前言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1990年在四川建成旺蒼東河大橋第一座鋼管混凝土拱橋開(kāi)始截至目前，我國(guó)已經(jīng)建成的各類此類拱橋已超過(guò)330多座，我國(guó)已經(jīng)成為世界上建造鋼管混凝土拱橋最多的國(guó)家。但由于早期修建鋼管混凝土拱橋時(shí)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、施工等規(guī)范，計(jì)算理論的不成熟以及交通量的增加導(dǎo)致這些拱橋的病害已經(jīng)顯現(xiàn)。筆者通過(guò)結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，并對(duì)某鋼管凝土拱橋的病害和動(dòng)力缺陷進(jìn)行分析，為該類鋼管混凝土拱橋的加固設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供一定的依據(jù)。

2鋼管混凝土拱橋概況

某連續(xù)多跨鋼管混凝土拱橋是一座五孔中承式鋼管混凝土系桿拱橋，主拱拱肋共設(shè)置三道，截面形式采用啞鈴型，橫撐采用x形或直鋼管，跨徑形式為（30+3*80+30）m。大橋下部構(gòu)造拱座、承臺(tái)采用鋼筋混凝土，承臺(tái)頂面設(shè)四棱臺(tái)拱座，橫向做成整體式，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)鉆孔灌注樁，分隔墩采用柱式墩，蓋梁做成整體式。橋面形式為雙向四車道，寬度26.0m，設(shè)計(jì)荷載為公路—I級(jí)，并于2008年8月建成通車，至今已運(yùn)營(yíng)9年。

3主要病害結(jié)果

3.1主拱圈、橫向連接系缺陷

經(jīng)檢查該橋拱肋多處錨頭正上方拱肋處焊縫開(kāi)裂，拱肋焊縫局部開(kāi)裂，拱肋及拱肋橫撐表面涂層掉落，局部拱肋灌注混凝土不密實(shí)，管內(nèi)脫空，其中多處脫空嚴(yán)重。

鋼管混凝土只有在鋼管與管內(nèi)混凝土緊密結(jié)合起來(lái)才能夠發(fā)揮其優(yōu)越性，然而，由于兩種材料的性質(zhì)的不同，再加上施工工藝的缺陷，導(dǎo)致管內(nèi)混凝土易于與鋼管產(chǎn)生脫空、空洞等病害。鋼管混凝土拱橋普遍存在脫空的現(xiàn)象，而且脫空對(duì)鋼管混凝土拱橋會(huì)產(chǎn)生很大的影響，甚至直接威脅拱肋的承載力、剛度以及穩(wěn)定性特性。

3.2槽形板缺陷

檢查中發(fā)現(xiàn)整體橋面板性能良好，尚能滿足使用要求。但在檢查中發(fā)現(xiàn)在該橋的橫梁頂部橋面設(shè)置伸縮縫位置，橋面晃動(dòng)明顯，橋面板與橫梁拍擊現(xiàn)象比較嚴(yán)重，槽形板與橫梁拍擊位置有不同程度的破損。

3.3支座缺陷

該橋上次大修時(shí)在伸縮縫處橫梁上所設(shè)置的板式支座出現(xiàn)大面積缺失、脫空等他病害。產(chǎn)生這類病害的原因主要是，由于橫梁處橋面槽形板切開(kāi)后，飛燕及拱上立柱為主梁提供的剛度顯著下降，造成主橋橫向一階振動(dòng)頻率降低，伸縮縫位置橋面板晃動(dòng)明顯，造成較多的支座脫空和缺失病害。

3.4拱座缺陷

檢查中，使用裂縫測(cè)寬儀和鋼卷尺檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)該橋存在拱座修補(bǔ)后開(kāi)裂現(xiàn)象，同時(shí)拱座存在橫向裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫等病害。這些裂縫大多數(shù)寬度小于0.15mm，且大部分位于外側(cè)。分析成因，主要是由于大體積混凝土施工澆筑時(shí)，產(chǎn)生大量水化熱，混凝土降溫不均勻?qū)е铝芽p產(chǎn)生。在溫度作用下，鋼管與混凝土變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致。拱肋集中力導(dǎo)致混凝土表面局部應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂縫。

3.5橋梁動(dòng)力缺陷

該橋梁原設(shè)計(jì)為主梁采用剛性系桿，墩梁固結(jié)的飛燕三角區(qū)域給全橋提供了極大的整體剛度。2009年經(jīng)過(guò)大修以后，主梁被切割、設(shè)置3道伸縮縫，飛燕三角區(qū)域?yàn)橹髁禾峁┑膭偠葐适?，造成剛度下降。同時(shí)，原短立柱對(duì)橋梁的橫向和豎向約束均被解除，造成主梁橫向和豎向剛度的嚴(yán)重下降。橋梁切割后的第一階振型為主梁反對(duì)稱橫飄，理論計(jì)算頻率為0.221Hz，與實(shí)測(cè)的0.194H z較為接近，基頻降低50%以上，橋梁動(dòng)力剛度嚴(yán)重下降。

4加固建議

根據(jù)該橋的病害情況，可以采取一下加固措施：對(duì)鋼管混凝土內(nèi)脫空位置進(jìn)行鉆孔、灌漿處治：對(duì)主拱圈表層防護(hù)涂層脫落位置進(jìn)行修補(bǔ)；吊桿下錨頭重新灌注防腐油脂至飽滿，吊桿不銹鋼套管焊縫開(kāi)裂位置進(jìn)行焊接，并注漿至飽滿：更換脫空、缺失支座：對(duì)拱座、橫梁等裂縫，根據(jù)規(guī)范采用裂縫灌注膠或環(huán)氧砂漿進(jìn)行封閉；選擇合理的加固方式對(duì)橋梁進(jìn)行加固，解決橋梁主梁橫向一階頻率過(guò)低、槽形板與橫梁拍擊、橋面晃動(dòng)明顯等病害。

4.1主橋主拱肋鋼管脫空病害處治

對(duì)主拱肋頂面部分鋼管內(nèi)不密實(shí)部位長(zhǎng)度≥2m、寬度≥30cm的主拱脫空位置進(jìn)行處理。通過(guò)在管內(nèi)脫空段按1m左右間距鉆孔，清理鋼管內(nèi)空洞區(qū)域，在孔中插入長(zhǎng)約100mm鋼管作注漿管，用環(huán)氧樹(shù)脂膠封口固定，進(jìn)行注漿處理。待標(biāo)高較高孔漿體流出后，繼續(xù)壓漿至所溢出的漿體流速流暢及穩(wěn)定時(shí)，停止注漿。灌漿料固化3d后，應(yīng)用超聲波及人工敲擊檢測(cè)效果。脫空部分填充飽滿后，對(duì)注漿孔進(jìn)行焊接處理，并打磨平整。

主拱肋脫空處理完成后，對(duì)主拱肋進(jìn)行防腐涂裝。

4.2混凝土裂縫處治

對(duì)該橋主梁、拱座以及橫梁等混凝土構(gòu)件的裂縫，可以通過(guò)裂縫封閉或灌漿進(jìn)行處治。對(duì)于寬度<0.15mm的裂縫，采用環(huán)氧砂漿對(duì)其進(jìn)行表面進(jìn)行封閉處理。對(duì)于寬度≥0.15mm的裂縫，采用壓力灌注環(huán)氧樹(shù)脂法進(jìn)行修補(bǔ)。裂縫處治完成后，涂刷混凝土防腐蝕耐久性彈性涂層。

4.3主梁動(dòng)力缺陷處治

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以得知，造成伸縮縫處槽形板與橫梁拍擊，支座缺失、脫空以及主梁晃動(dòng)的主要原因是因?yàn)橹髁旱囊浑A頻率過(guò)低。由于在2009年進(jìn)行大修時(shí)，由于增加了切縫數(shù)量，橋面板的整體性大大降低，當(dāng)有重型車輛經(jīng)過(guò)橋面時(shí)，主梁晃動(dòng)明顯，從而導(dǎo)致一系列新的病害。同時(shí)，原短立柱對(duì)橋梁的橫向和豎向約束均被解除，造成梁橫向和豎向剛度主的嚴(yán)重下降?？梢酝ㄟ^(guò)新調(diào)整主梁切割位置，并減少切縫的數(shù)量，增強(qiáng)橋面板的整體性，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的橫向和豎向基頻，改善目前的動(dòng)力剛度不足問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)垓橋在運(yùn)營(yíng)9年以后，出現(xiàn)了一系列的靜力和動(dòng)力缺陷。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，分析產(chǎn)生病害的原因，在考慮靜力加固的同時(shí)，不能忽略了對(duì)動(dòng)力方面的考慮，采用靜力與動(dòng)力加固相結(jié)合的方式，可以有效解決這些缺陷。