某剛性吊桿系桿拱橋病害分析及加固對策研究

毛 錚

(蘇州市公路管理處，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

近年來，我國修建了大量拱橋，形式也各有不同，因周圍地形特征、橋下凈空等限制，大多數(shù)拱橋以中、下承式混凝土系桿拱橋為主。系桿拱橋的吊桿體系部分采用了平行鋼絲+鐓頭錨；同時通過在吊桿外增設(shè)鋼護桶，套管內(nèi)灌注水泥砂漿對鋼絲進行防腐。但早期剛性吊桿的墩頭錨，部分采用了非成品件，在現(xiàn)場進行加工，工藝水平較差，在橋梁竣工后10～15年甚至更短的時間內(nèi)，吊桿即出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害。本文以實際工程為例，對系桿拱橋的病害和加固技術(shù)進行研究。

1 工程背景

本文以某系桿拱橋為工程背景，該橋于2004年建成通車，主橋跨徑為62 m，拱肋和縱梁均采用鋼筋混凝土箱型斷面，單幅橋共設(shè)兩排各11根吊桿。橋面系總寬18.1 m，凈距為15.5 m。圖1為主橋結(jié)構(gòu)立面圖。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖

本橋上部結(jié)構(gòu)于2015年定期檢查中評定為三類，發(fā)現(xiàn)吊桿的表觀狀況較差：其上錨頭墊板發(fā)生析白，存在一定的安全隱患。2016年對該橋進行了專項檢查，主橋技術(shù)狀況評定為四類。

2 典型病害及其原因分析

2.1 典型病害

2.1.1 上錨頭

根據(jù)吊桿專項檢查結(jié)果：抽取的7個吊桿上錨頭均存在不同程度病害：封錨填充物存在外鼓、脹裂，打開后內(nèi)部填充物均為紅色黏土磚及水泥砂漿，錨頭均浸泡于污水中。錨頭內(nèi)積水及雜物清理后，對墩頭進行檢查發(fā)現(xiàn)，錨頭均存在表面浮銹，左幅L-10#吊桿未見6根鋼絲墩頭，右幅L-4#吊桿未見1根鋼絲墩頭。

2.1.2 下錨頭

打開下錨頭封錨處均存在析白、滲水現(xiàn)象，錨頭內(nèi)填充物均為紅色黏土磚及水泥砂漿，鋼絲墩頭均處于潮濕環(huán)境中，鋼絲墩頭及錨具不同程度銹蝕，其中左幅L-10#及L-11#吊桿下錨頭銹蝕較為嚴(yán)重。

2.1.3 吊桿內(nèi)部狀況

左幅L-10#、右幅R-11#吊桿打開后內(nèi)部水泥砂漿密實；右幅R-9#吊桿打開后內(nèi)部水泥砂漿密實，但原設(shè)計為PE護套防護實際施工時采用的塑料波紋管，且管內(nèi)狀況非常潮濕；左幅L-11#吊桿打開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部水泥砂漿松散、潮濕，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部PE護套或波紋管，且吊桿鋼絲已經(jīng)出現(xiàn)表面浮銹。

2.2 病害原因分析

該橋病害的主要原因為施工質(zhì)量較差，工藝把關(guān)不嚴(yán)。具體內(nèi)容如下所示：

(1)部分吊桿護套內(nèi)砂漿灌漿不實。

(2)部分吊桿內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部PE護套或波紋管。

(3)部分錨頭墩頭工藝質(zhì)量較差，部分鋼絲已滑絲。

(4)錨頭封錨未采用設(shè)計的50#混凝土，而采用黏土磚加水泥砂漿的方式封錨，在雨水常年侵蝕下，黏土磚體積膨脹、封錨處砂漿脹裂，進而雨水進入上錨頭內(nèi)部，侵蝕整個吊桿體系。

3 加固方案擬定

本橋加固方案的原則主要為以下兩點：

(1)消除吊桿結(jié)構(gòu)安全隱患

本橋吊桿內(nèi)部及錨具內(nèi)部積水嚴(yán)重，多個錨頭存在銹蝕、滑絲現(xiàn)象，部分內(nèi)部鋼絲已出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，如不及時維修，可能會導(dǎo)致吊桿失效，橋面系坍塌，造成極大的安全隱患，必須盡快消除。

(2)改善結(jié)構(gòu)的耐久性

構(gòu)件局部露筋、鋼筋銹蝕、混凝土保護層過薄等病害，對結(jié)構(gòu)的安全性不會產(chǎn)生直接影響，但其會隨著時間的發(fā)展逐漸惡化，對結(jié)構(gòu)的耐久性極為不利。

3.1 設(shè)計方案

根據(jù)橋梁實際情況，對吊桿加固的方案設(shè)計提出了兩種建議：方案一為全橋吊桿更換；方案二采用對原吊桿進行吊桿除濕防腐處理并增設(shè)輔助吊桿的方式。

3.1.1 方案一

鑒于本橋吊桿已使用13年，且所打開錨頭、吊桿均存在一定的缺陷，建議全橋吊桿更換，采用新型吊桿體系替換原有吊桿，實施過程中采用臨時吊桿體系保障結(jié)構(gòu)安全。

原橋采用DM型鋼絲墩頭錨固體系，DM5A-90和DM5B-90錨具及其配套設(shè)備，索體極限破壞力為2 950 kN，其拱肋內(nèi)上錨頭錨杯內(nèi)徑為φ340 mm，上導(dǎo)管內(nèi)徑φ140 mm，系梁內(nèi)錨頭錨杯內(nèi)徑φ300 mm，下導(dǎo)管內(nèi)徑φ140 mm。目前大多平行鋼絲成品索體系中錨頭構(gòu)造尺寸較大，無法直接利用原有預(yù)埋鋼護筒。目前可在原結(jié)構(gòu)上直接安裝的新吊桿體系主要有：

3.1.1.1 擠壓錨固鋼絞線吊桿體系

擠壓錨固鋼絞線吊桿體系通過擠壓錨固鋼絞線的方式，實現(xiàn)錨頭結(jié)構(gòu)緊湊，外徑小，有利于整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、美觀。相同承載力的條件下，本體系的錨頭尺寸比冷鑄錨、熱鑄錨小30%以上，可使預(yù)留孔尺寸減小。鋼絞線在索體內(nèi)隔離防腐，防腐蝕性能優(yōu)越。

采用拉索型號為GJ15-12，滿足JT/T 850-2013中的相關(guān)要求，鋼絞線的外徑為φ15.2 mm，抗拉強度為1 860 MPa，鋼絞線束公稱截面積A=16.80 cm2，索體單位重16.65 kg/m，索體外徑85 mm，公稱破斷索力3 120 kN(見圖2)。

圖2 擠壓錨固鋼絞線拉索三維結(jié)構(gòu)圖

3.1.1.2 上下剛性拉桿+平行鋼絲體系

上下剛性拉桿+平行鋼絲體系在拱肋及系梁內(nèi)部分為剛拉桿，拉桿直徑較小，中間索體采用平行鋼絲+冷鑄墩頭錨成品索，剛拉桿與索體之間采用連接頭連接，連接頭連接拉桿外螺紋和平行鋼絲錨具的外螺紋(見圖3)。

圖3 上下剛性拉桿+平行鋼絲體系示意圖

由于上下剛性拉桿+平行鋼絲體系整體性不如擠壓錨固鋼絞線吊桿體系，拉索體系零件較多，管養(yǎng)較為復(fù)雜。綜合考慮，采用擠壓錨固鋼絞線吊桿體系。見圖4。

圖4 臨時吊桿系統(tǒng)示意圖

3.1.2 方案二

方案二采用對原吊桿進行吊桿除濕防腐處理并增設(shè)輔助吊桿的方式，施工主要分輔助吊桿安裝及張拉、舊吊桿維修兩大步驟。通過對原吊桿除濕防腐處理，增加其耐久性，同時，為增加結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，增設(shè)輔助吊桿作為最后一道“防線”。

3.1.3 方案比選

經(jīng)過比選，推薦方案一更換吊桿方案。詳細(xì)比選結(jié)果見表1。

表1 方案對比表

3.2 理論計算

根據(jù)設(shè)計文件和吊桿更換順序進行仿真分析，采用橋梁專用有限元軟件Midas Civil進行計算。其中，系梁、橫梁、拱肋和橫撐采用梁單元建立，吊桿采用只受拉桁架單元建立，全橋模型見圖5。

圖5 全橋Midas Civil模型圖

3.2.1 新吊桿體系驗算

本橋原吊桿為剛性體系，吊桿外套內(nèi)徑φ200 mm、壁厚10 mm的無縫鋼管。更換后，在張拉完成后焊接鋼管，因此鋼管不參與二恒受力，新拉索索力增大。針對該情況的計算結(jié)果見表2，在持久狀況組合下最大吊桿索力安全系數(shù)仍>2.5，說明鋼管對拉索內(nèi)力影響較小。

3.2.2 臨時兜吊體系驗算

此外，更換吊桿時需要安裝臨時吊桿，用兩根40a槽鋼雙拼作為臨時吊桿系統(tǒng)的錨固橫梁和系梁底部的拖梁，用直徑32 mm精軋螺紋鋼作為臨時吊桿。為保證施工的安全需要對臨時吊桿進行模擬驗算，模擬圖和驗算結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 安裝臨時吊桿模擬圖

(a)臨時吊桿上端應(yīng)力圖

(b)臨時吊桿下端應(yīng)力圖

由圖7可知臨時吊桿上端最大應(yīng)力為84.2 MPa，臨時吊桿下端最大應(yīng)力為83.2 MPa，小于規(guī)范要求的限值，滿足要求。

3.3 主要施工工藝

在理論計算合理的基礎(chǔ)上按照方案一對該系桿拱橋進行吊桿的更換。吊桿更換主要有兩點施工工藝：

3.3.1 舊吊桿的拆除工藝

本橋舊吊桿拆除采用分階段、不等步長的方式拆除各根原有吊桿。本橋原吊桿采用5-90平行鋼絲索，索體內(nèi)部分為5層平行鋼絲，由內(nèi)而外分別為6根、12根、18根、24根及30根，分四階段逐步切割原鋼絲，按照30、24、18、18的工作步長分級割斷原吊桿鋼絲，張拉臨時吊桿和割斷原有吊桿內(nèi)的鋼絲。

具體步驟如下：

(1)臨時兜吊系統(tǒng)安裝就位后，預(yù)緊臨時吊桿。

(2)沿吊桿高度方向切開原吊桿外全部的鋼套管。

(3)按既定方式逐級張拉臨時吊桿，并切割舊吊桿鋼絲。

(4)拆除系桿頂面至拱肋底面間吊桿。

(5)取下原錨具錨板，保留原錨具錨墊板。

(6)對原錨具錨墊板進行除銹和阻銹處理。

吊桿拆除過程中，以結(jié)構(gòu)變形為主、理論吊桿內(nèi)力為輔的控制方式，確保舊吊桿拆除過程結(jié)構(gòu)安全。具體思路為：在結(jié)構(gòu)變形未超過理論計算數(shù)值或限值的情況下，繼續(xù)張拉臨時吊桿至預(yù)定的分步張拉內(nèi)力；在結(jié)構(gòu)變形超過理論計算值時，停止臨時吊桿張拉，待分析原因并確定相應(yīng)解決措施后繼續(xù)進行吊桿更換工作。

每級施工完畢后，對控制點位移及臨時吊桿內(nèi)力進行測量，確保控制點位移<3 mm。兜吊系統(tǒng)提梁時保持4臺千斤頂行程同步，確保四點受力均勻。

3.3.2 新吊桿安裝

新吊桿安裝的具體內(nèi)容如下：

(1)拉索下料施工應(yīng)在車間內(nèi)進行，下料過程如發(fā)現(xiàn)鋼絞線單層護套有破損，應(yīng)及時修補，嚴(yán)重時應(yīng)更換鋼絞線。下料時應(yīng)對鋼絞線長度隨時復(fù)查，以確保下料長度準(zhǔn)確無誤。張拉端PE護套的剝除應(yīng)使用專用刀具，剝除時不得損傷鋼絞線。剝除后使用專用清洗劑清洗兩端油脂，清洗時應(yīng)注意保護鋼絞線外的環(huán)氧涂層。

(2)在拉索的整個安裝過程中，應(yīng)做到準(zhǔn)確下料，做好各部位接頭的連接和密封，注意不損傷鋼絞線和保護層，確保各級保護的可靠性。

(3)按照計算確定的分級張拉方式，逐步、緩慢張拉新吊桿和卸載臨時吊桿，直至臨時吊桿將全部吊桿力轉(zhuǎn)移給新吊桿，吊桿內(nèi)力全部轉(zhuǎn)移后，吊桿超張拉5%，持荷2 min后錨固新吊桿。在此過程中應(yīng)全程監(jiān)測更換吊桿處拱肋和系梁標(biāo)高，確保其變化在設(shè)計控制范圍之內(nèi)，并全程監(jiān)測新吊桿和臨時吊桿內(nèi)力。

(4)新吊桿張拉到位后，拆除上下吊點，對預(yù)埋管內(nèi)灌注防腐油脂，以防滲水和腐蝕。在外部加裝錨頭罩和防水罩，錨頭罩、防水罩和錨墊板應(yīng)進行防腐處理。

4 結(jié)語

國內(nèi)早期修建的許多系桿拱橋都到了更換吊桿的周期。本文通過對系桿拱橋這一典型病害分析和加固技術(shù)的研究，特別是對吊桿專項檢測、方案設(shè)計、理論驗算及施工方案的分析，以期為該橋型的病害處置技術(shù)提供一定的理論參考。