有推力鋼管砼中承式拱橋吊桿加固技術(shù)

林桂萍，郭曉東，彭世恩，劉元?jiǎng)?/p>

(1.四川省川交公路工程咨詢有限公司，成都 610046；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610046)

0 引言

鋼管砼是一種鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，廣泛應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中。有推力中承式鋼管砼拱橋通常采用鋼管砼拱肋，并對(duì)拱腳區(qū)域進(jìn)行外包砼，橋面板及吊桿橫梁采用鋼筋砼或預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，其行車(chē)道位于拱肋的中部，橋面系一部分通過(guò)吊桿懸掛在拱肋下，一部分用剛架立柱支承在拱肋上[1]。其不僅保持了一般中承式拱橋的優(yōu)點(diǎn)，而且構(gòu)件輕巧、造型美觀、跨越能力強(qiáng)，已成為鋼管砼拱橋的主要橋型，在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用[2]。

隨著有推力鋼管砼中承式拱橋運(yùn)營(yíng)年份的增長(zhǎng)，部分橋梁難免出現(xiàn)病害，為保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，防止病害進(jìn)一步發(fā)展，需在對(duì)橋梁病害準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上及時(shí)采用合理措施進(jìn)行有效處治。

1 工程概況

某大橋采用一跨中承式雙肋鋼管混凝土拱橋體系，主拱凈跨190m，矢跨比1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.756，兩岸引橋由6m跨簡(jiǎn)支板組成，全長(zhǎng)233.74m。橋面全寬24.1m，拱肋中距17.5m,拱肋由4根A750mm鋼管分為上下弦管用鋼管及綴板連接構(gòu)成，鋼管內(nèi)填充C40微膨脹混凝土。橋面設(shè)置29對(duì)PE防護(hù)套高強(qiáng)平行鋼絲束鐓頭錨吊桿，吊桿間距5.1m，吊桿橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橋面板為跨徑6.0m及5.1m的鋼筋混凝土面板。橋梁原立面布置如圖1所示。

(1)設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)—超20級(jí)，掛車(chē)—120，人群3.5kN/m2；

(2)橋面布置：凈15m+2×0.35m防撞欄桿+2×3.95m人行道+2×0.25m人行道欄桿；

(3)地震烈度：7度(按8度設(shè)防)。

圖1 原橋梁立面布置

2 病害分析及處治措施

該橋檢測(cè)結(jié)果顯示，大橋處于彈性工作狀態(tài)，其受力性能滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的正常使用要求，但橋梁技術(shù)狀況等級(jí)為三類(lèi)。

(1)拱軸線出現(xiàn)水平偏位，但與往年相比，未見(jiàn)明顯變化。該病害屬施工控制不良導(dǎo)致，與竣工時(shí)測(cè)得的水平偏位位移相比無(wú)明顯變化，故分析認(rèn)為該橋目前已趨于穩(wěn)定。鑒于該橋上過(guò)往的重載車(chē)輛較多，可在主拱圈上設(shè)置永久觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)控拱圈的偏位變化情況。

(2)跨中附近的拱背上弦管存在脫空現(xiàn)象。鋼管砼脫空的產(chǎn)生與鋼管與混凝土的熱膨脹系數(shù)不一致、砼配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)、砼收縮嚴(yán)重或是在澆筑過(guò)程中砼不密實(shí)等有關(guān)。針對(duì)該橋拱肋砼脫空現(xiàn)象，在脫空處鉆孔后用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)灌漿材料進(jìn)行壓漿處治。

(3)約10%主拱鋼管防銹漆起皮、局部銹蝕。該類(lèi)病害產(chǎn)生的主要原因?yàn)榇髽蛩幁h(huán)境污染重、日照強(qiáng)烈、焊縫處防銹措施不當(dāng)?shù)仍蛟斐?。為保證鋼管砼結(jié)構(gòu)的耐久性，需鏟除已失效的防腐涂層，對(duì)鋼管砼進(jìn)行重新防腐涂裝。

(4)約80%的橫梁擋塊開(kāi)裂，部分做過(guò)封閉處治，但封閉部分有脫落。橫梁擋塊開(kāi)裂說(shuō)明在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中擋塊有受到梁體的擠壓，為減小梁體的損耗，并增加主跨范圍橫梁的整體性，在對(duì)原有橫梁擋塊鑿除恢復(fù)后，新設(shè)縱梁將主跨的吊桿橫梁聯(lián)系在一起，形成縱向連續(xù)體系。新增縱梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)，也符合規(guī)范[3]的要求。

(5)全橋共有10處支座完全脫空。為保證橋面板受力合理，對(duì)支座脫空處進(jìn)行墊塞鋼板處理，需保證鋼板與支座、橋面板的緊密貼合。

(6)拱端、梁端處的吊桿錨頭保護(hù)罩、螺母、蓋板均存在不同程度的銹蝕，上錨頭部分螺母銹死，凹槽內(nèi)有污泥，防腐油脂存在板結(jié)及乳化變質(zhì)現(xiàn)象，部分錨頭內(nèi)有水，防腐性能受到影響；下錨頭部分鋼絲端部有銹點(diǎn)，部分鋼絲長(zhǎng)度不一。檢查期間發(fā)現(xiàn)橋上有大量超載車(chē)輛通行，橋面有大量排隊(duì)等待電廠驗(yàn)煤的重載運(yùn)煤車(chē)輛。

保護(hù)罩密封不好以及吊桿與橋面板處防水措施失效是導(dǎo)致錨頭部分銹蝕、防腐油脂乳化變質(zhì)的主要原因。墩頭錨鋼絲吊桿的承載能力及抗疲勞性能較差，容易導(dǎo)致脆性斷裂，情況比較危險(xiǎn)，而且現(xiàn)實(shí)的交通對(duì)該橋的承載能力、安全性、耐久性提出了更高的要求，應(yīng)對(duì)吊桿體系進(jìn)行更換改造。

綜合分析，由于原吊桿體系防水效果不理想；原吊桿采用的墩頭錨在受力均勻性、防腐能力、疲勞性能、后期檢測(cè)的便利性上存在一定缺陷；且橋上的實(shí)際交通量和車(chē)輛荷載均已超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以判斷該橋最大的安全隱患在于吊桿。所以，需采取措施改善和提高吊桿的耐久性及承載能力，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。本文對(duì)該橋的吊桿加固處治設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

3 吊桿加固設(shè)計(jì)

3.1 方案比選

考慮方案時(shí)，需重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面：一是要保證在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提高吊桿運(yùn)營(yíng)的安全性、后續(xù)養(yǎng)護(hù)的簡(jiǎn)便性、更換吊桿的可操作性；二是要增強(qiáng)橋面與橫梁的整體性，防止吊桿失效時(shí)橋面系墜落或垮塌。

原橋面系采用以橫梁受力為主的簡(jiǎn)支體系，整體性差，在汽車(chē)荷載作用下單根吊桿的應(yīng)力幅較大，易出現(xiàn)疲勞損傷，國(guó)內(nèi)已有數(shù)座類(lèi)似橋梁體系在吊桿失效后發(fā)生橋面系墜落或者垮塌[4]，故需采取措施將原來(lái)的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)改成連續(xù)結(jié)構(gòu)，形成縱橫梁的整體結(jié)構(gòu)，提高橋面系的安全性。

因此，在其它病害處治措施和范圍一致并考慮新增主跨檢修車(chē)的基礎(chǔ)上，針對(duì)吊桿加固設(shè)計(jì)提出兩個(gè)方案進(jìn)行比較，方案情況和比較內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 吊桿加固方案比較

續(xù)表1

缺點(diǎn)(1)拱肋、吊桿橫梁會(huì)有一定損傷。(2)結(jié)構(gòu)恒重稍大。(3)工程造價(jià)稍高。(1)需先拆除原吊點(diǎn)全部構(gòu)造,施工風(fēng)險(xiǎn)較高。(2)拱肋、吊桿橫梁會(huì)有一定損傷。(3)需設(shè)臨時(shí)兜吊系統(tǒng),施工工期較長(zhǎng),交通影響大。預(yù)估工期10個(gè)月12個(gè)月建安費(fèi)1 108.6萬(wàn)元1 082.2萬(wàn)元

這兩種方案均具有錨固可靠、調(diào)索方便、耐久性好、便于養(yǎng)護(hù)、提高橋面系的整體性等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮工期、構(gòu)件安全系數(shù)、工程風(fēng)險(xiǎn)、造價(jià)等因素，推薦采用方案一。

3.2 推薦方案的優(yōu)化

結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，從提高吊桿和橋面板承載能力的安全儲(chǔ)備、降低施工難度、縮短施工工期和減輕社會(huì)影響等角度出發(fā)，對(duì)上述方案一進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 新吊桿體系

在前述方案一的基礎(chǔ)上，保留舊吊桿，按不考慮舊吊桿受力和不計(jì)新增縱梁重量的原則提出新吊桿的張拉控制力，除15#吊桿張拉力為390kN外，其余吊桿張拉力均為368kN，吊桿的安全系數(shù)不小于2.5，吊桿張拉時(shí)吊桿處橋面位移應(yīng)控制在1cm內(nèi)。

新吊桿采用整體張拉技術(shù)，新吊桿安裝從主橋橋跨中心線往兩側(cè)對(duì)稱實(shí)施，每根橫梁兩端吊桿同時(shí)進(jìn)行安裝。新吊桿安裝時(shí)，封閉橋上所有交通，以利于施工安全和施工。

加固后的橋型布置如圖2所示。

圖2 加固后橋型布置

3.2.2 新增鋼縱梁的設(shè)計(jì)

新吊桿實(shí)施完成后，所有吊桿橫梁之間增設(shè)兩道鋼縱梁，縱梁中心線與吊桿中心線對(duì)齊，縱梁為等截面工字形截面，高85cm，兩橫梁間縱梁各設(shè)兩處加勁，縱梁斷面如圖3所示?？v梁與新吊桿的銷(xiāo)接式構(gòu)造通過(guò)栓接共同錨固于橫梁上，如圖4所示，形成縱向連續(xù)體系，增加結(jié)構(gòu)的整體性，降低行車(chē)產(chǎn)生的橋面撓動(dòng)，提高行車(chē)和行人的舒適感。

圖3 縱梁斷面

圖4 縱梁、吊桿銷(xiāo)接式構(gòu)造與橫梁連接構(gòu)造

4 加固方案計(jì)算

加固設(shè)計(jì)總體計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil，除吊桿采用桁架單元外，其余構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。結(jié)構(gòu)離散圖如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)離散圖

4.1 主橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在原設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]下，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該橋加固后，考慮最不利工況下，主拱拱圈承載能力滿足規(guī)范[3]要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 單肢構(gòu)件壓彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果

表3 組合構(gòu)件壓彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果

4.2 吊桿安全系數(shù)計(jì)算

此次加固完成后，在持久狀況和短暫狀況下吊桿索的最大值為Nmax=846kN(未考慮原吊桿受力)，吊索的承載能力N=fpkAs=3 124.8kN。

N/Nmax=3.7>γs=2.5

吊桿承載能力滿足規(guī)范[3]要求。

5 加固實(shí)施效果

整理橋面線形、吊桿索力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

圖6 吊桿張拉時(shí)橋面標(biāo)高變化

圖7 張拉索力對(duì)比

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：(1)吊桿張拉時(shí)橋面實(shí)測(cè)標(biāo)高變化量均小于1cm，滿足設(shè)計(jì)要求；(2)實(shí)測(cè)張拉索力與設(shè)計(jì)張拉索力偏差在5%以內(nèi)，吊桿受力滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)該橋增設(shè)吊桿和鋼縱梁，提高了吊桿和橋面板的安全系數(shù)，縮短了維修加固的工期，保障了周邊群眾和企業(yè)的出行和運(yùn)輸。

(2)施工監(jiān)控能夠更好地保證舊橋加固施工過(guò)程的安全以及設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)控收集施工過(guò)程中構(gòu)件應(yīng)變和結(jié)構(gòu)線形數(shù)據(jù)，可掌握施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，更好地指導(dǎo)施工工序的開(kāi)展。

(3)本文依托工程項(xiàng)目，在綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)受力和病害發(fā)展、周邊路網(wǎng)、材料供應(yīng)以及社會(huì)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)如何安全可靠地對(duì)有推力鋼管砼中承式拱橋的吊桿開(kāi)展加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，可供同類(lèi)型橋梁加固改造時(shí)參考。