異形拱橋病害分析及吊桿更換方法研究*

程曉東

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

異形拱橋由于其造型較特別，受力不易計(jì)算，相對(duì)于普通拱橋，異形拱橋的規(guī)律更難以掌握。該文以湖南瀏陽(yáng)市黃柏大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析異形拱橋病害，評(píng)定其承載能力，并研究吊桿更換方法。

1 工程背景

黃柏大橋于2003年通車(chē)運(yùn)營(yíng)，是中國(guó)中南地區(qū)首座異形拱橋，其橋型見(jiàn)圖1。

圖1 黃柏大橋橋型圖(單位：cm)

黃柏大橋長(zhǎng)198.16 m，寬20.5 m，其中行車(chē)道寬14 m。上部結(jié)構(gòu)是整體現(xiàn)澆空心板梁和下承式鋼筋砼異形系桿拱橋，橋跨組合為32 m+2×60 m+32 m。兩邊跨為整體現(xiàn)澆空心板梁橋，中跨主橋?yàn)橄鲁惺较禇U拱橋，主拱圈的計(jì)算跨徑57 m，計(jì)算矢高14.25 m，矢跨比1/4。主拱圈截面為工字形，高1.6 m，頂板寬1.2 m，腹板厚0.6 m，單跨每2條拱之間設(shè)3道橫撐連接。每主跨設(shè)置12對(duì)吊桿，縱向間距4 m，斜率為1.25∶1。系桿為梯形截面，高度1.6 m，底板和頂板寬度分別為1.2、1.9 m。單跨共有29道橫梁，平均間隔2 m，為矩形截面，高度和寬度分別為1.4、0.25 m。下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)、雙柱式橋墩。

主橋主拱圈、系桿主梁采用C50砼，橋墩立柱、蓋梁、橋臺(tái)等使用C30砼，主橋和邊跨的支座分別采用盆式和板式橡膠支座。兩岸橋臺(tái)位置、異形拱和空心板連接處均設(shè)置SQ-60Ⅲ型鋼伸縮縫，橋面鋪裝采用水泥砼。

2 主要病害及成因

黃柏大橋于2003年建成通車(chē)，2017年對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其服役不足15年便出現(xiàn)多種病害，下面對(duì)檢測(cè)到的病害進(jìn)行列舉說(shuō)明并作簡(jiǎn)要分析。

2.1 拱肋

黃柏大橋的拱肋表面都出現(xiàn)不同程度砼銹脹露筋，病害面積為0.1～0.6 m2。全橋主橋拱肋表面油漆涂層均出現(xiàn)大面積網(wǎng)裂脫落現(xiàn)象，多處脫落嚴(yán)重的已造成拱肋銹脹(見(jiàn)圖2)。

圖2 拱肋破損

砼銹脹露筋、油漆涂層脫落屬于表層缺陷，造成這些現(xiàn)象的因素有施工因素、環(huán)境因素及砼自身老化剝落等。施工因素主要是施工過(guò)程中砼振搗不實(shí)及保護(hù)層厚度不夠等，環(huán)境因素主要是空氣中水的侵蝕及砼表層水凍結(jié)膨脹導(dǎo)致砼松弛剝落。

2.2 橫向聯(lián)結(jié)系

每跨橫橋向都設(shè)置有3道橫撐支撐的2條拱肋，檢查發(fā)現(xiàn)，橫撐鋼管表面油漆發(fā)生大面積脫落，并伴隨一定程度銹蝕(見(jiàn)圖3)。由于鋼管表面起防銹作用的油漆脫落，鋼管缺乏保護(hù)，同時(shí)在空氣中水、氧氣甚至是鹽霧、二氧化硫及粉塵作用下，鋼管的銹蝕作用加速進(jìn)行。

圖3 橫撐鋼管銹蝕

2.3 吊桿

第2跨及第3跨系桿拱部分吊桿上錨頭出現(xiàn)銹蝕和滲水現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。主要原因是吊桿的上錨頭未進(jìn)行防銹處理，且由于封錨砼的質(zhì)量較差，有裂縫產(chǎn)生、雨水進(jìn)入，加速發(fā)生腐蝕和滲水。

圖4 吊桿上錨頭腐蝕滲水

2.4 橋面系

在行車(chē)道上個(gè)別位置發(fā)現(xiàn)坑槽現(xiàn)象，大部分伸縮縫出現(xiàn)輕微堵塞、橡膠止水條局部破損。全橋范圍內(nèi)兩側(cè)護(hù)欄涂料均存在起皮脫落現(xiàn)象，且內(nèi)外側(cè)欄桿基座及立柱砼均存在銹脹露筋及銹脹開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)于坑槽、伸縮縫堵塞及砼銹脹露筋這些通病，需及時(shí)采取有效措施進(jìn)行維修加固，防止情況繼續(xù)惡化導(dǎo)致產(chǎn)生更嚴(yán)重的問(wèn)題。

2.5 橋臺(tái)

0#橋臺(tái)的右側(cè)墻表面發(fā)生斜向開(kāi)裂、外鼓，裂縫長(zhǎng)度達(dá)7.5 m，最寬3 cm，同時(shí)外鼓處錯(cuò)臺(tái)13 mm。此外，0#臺(tái)右側(cè)墻上部砌石與砌石間存在1條水平裂縫，長(zhǎng)2 m，且上部砌石外鼓，外移約2.5 cm(見(jiàn)圖5)。

圖5 0#橋臺(tái)右側(cè)

4#橋臺(tái)的右側(cè)墻頂部表面距前墻2.0、3.5 m處各出現(xiàn)1條斜向裂縫，表面局部有明顯滲水析白痕跡，裂縫長(zhǎng)均為1 m，最大寬度分別為0.6、1.1 mm。其中橋臺(tái)尾部存在斜向縫隙，長(zhǎng)2 m，最寬30 mm(見(jiàn)圖6)。

圖6 4#橋臺(tái)右側(cè)

4#橋臺(tái)左側(cè)墻頂部表面距橋臺(tái)前墻1.0、3.5 m處各出現(xiàn)1條斜向裂縫，表面局部有明顯滲水析白痕跡，裂縫長(zhǎng)度分別為1.2、1 m，最大寬度分別為1.1、0.5 mm(見(jiàn)圖7)。

圖7 4#橋臺(tái)左側(cè)

綜上，橋臺(tái)出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂，主要原因是橋臺(tái)基礎(chǔ)發(fā)生了不均勻沉降，同時(shí)臺(tái)內(nèi)填土未壓實(shí)且排水不良，造成內(nèi)部壓力過(guò)大。

2.6 橋墩

各橋墩表面均有滲水痕跡，并且1#、2#橋墩立柱大樁號(hào)側(cè)面右側(cè)邊緣多處砼銹脹露筋，累計(jì)面積為0.2 m2。主要是由于施工階段砼施工質(zhì)量不高，加上長(zhǎng)期受到空氣中水汽和河水的腐蝕，導(dǎo)致個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)砼銹脹露筋及滲水現(xiàn)象，一旦發(fā)生露筋，銹蝕的發(fā)展便會(huì)加速進(jìn)行。

3 承載力評(píng)定

3.1 建立有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用MIDAS/Civil 2019軟件建立橋梁模型(見(jiàn)圖8)，吊桿與拱肋及系梁間為鉸結(jié)連接。

圖8 黃柏大橋有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

拱肋、系梁和橫梁砼采用C50砼，汽車(chē)荷載按公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，人群荷載為3.5 kN/m2，考慮整體升、降溫各15 ℃。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

考慮恒載、汽車(chē)及收縮徐變效應(yīng)，按規(guī)范規(guī)定的最不利組合進(jìn)行計(jì)算。荷載組合Ⅰ=1.2恒載+1.4汽車(chē)荷載+1.05人群荷載+0.735降溫+1.0收縮、徐變，荷載組合Ⅱ=1.2恒載+1.4汽車(chē)荷載+1.05人群荷載+0.735升溫+1.0收縮、徐變。2種荷載組合作用下，修正后系梁和拱肋的作用效應(yīng)和設(shè)計(jì)抗力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1 第3跨跨中截面系桿最大正彎矩承載能力驗(yàn)算結(jié)果

表2 荷載組合Ⅰ作用下第3跨拱肋各關(guān)鍵截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果

從表1～3可以看出：在荷載組合作用下，黃柏大橋系梁、拱肋各關(guān)鍵截面的抗力值均大于荷載效應(yīng)值，可達(dá)到公路-Ⅱ級(jí)荷載的要求，但安全儲(chǔ)備有所不足。

4 吊桿更換方法

由于早期建造的拱橋通車(chē)年份較長(zhǎng)，且技術(shù)水平較低，施工質(zhì)量無(wú)法得到保障，加上服役期間大部分吊桿的錨具部位會(huì)存在一定程度因腐蝕和疲勞引起的病害，如果對(duì)這些病害不及時(shí)加以處理，可能會(huì)造成嚴(yán)重事故。對(duì)這些吊桿有病害的拱橋進(jìn)行維護(hù)的最優(yōu)方式就是更換吊桿。

4.1 吊桿更換原理

更換吊桿的實(shí)質(zhì)是改變系統(tǒng)的受力體系，就是設(shè)置一個(gè)臨時(shí)受力體系來(lái)接收舊吊桿傳遞出來(lái)的力，再把接收的力傳回新安裝的桿件上，保證整個(gè)過(guò)程對(duì)橋梁穩(wěn)定性的擾動(dòng)最小，從而安全地完成更換。其最大難點(diǎn)是對(duì)橋面標(biāo)高及索力張拉的控制。

4.2 吊桿更換的基本方法

(1) 無(wú)替代法。無(wú)替代法是不設(shè)置臨時(shí)支撐，將原吊桿切斷更換新吊桿的更換方法。這種方法不設(shè)置臨時(shí)轉(zhuǎn)化體系，對(duì)橋梁整體剛度要求較高，因?yàn)樾枰揽空w剛度效應(yīng)將舊吊桿的力傳遞到其他吊桿。從過(guò)程來(lái)看，無(wú)替代法可能更節(jié)省成本，操作簡(jiǎn)單，但實(shí)際工程一般不采用，因?yàn)楣皹蛞话憧鐝捷^大，橋梁的整體剛度不支持使用無(wú)替代法。

(2) 臨時(shí)支架法。臨時(shí)支架法是將臨時(shí)支架搭設(shè)在橫梁下作為臨時(shí)受力體系，讓舊吊桿的力轉(zhuǎn)移到支架上從而完成體系轉(zhuǎn)換，要求支架是剛性的。這種方法對(duì)橋下環(huán)境條件要求較苛刻，對(duì)于跨越河流、山谷及橋下交通頻繁的拱橋，這種方法無(wú)法實(shí)施。并且理論上需要在更換前對(duì)剛性支架采取預(yù)壓措施來(lái)消除塑性變形，但實(shí)際工程中很多情況會(huì)由于場(chǎng)地限制預(yù)壓無(wú)法開(kāi)展，進(jìn)而影響橋面標(biāo)高控制。因此，臨時(shí)支架法可以使用的空間很小。

(3) 臨時(shí)兜吊法。該方法是在施工過(guò)程中將原吊桿的力臨時(shí)轉(zhuǎn)移到連接在拱肋與橫梁之間的鋼絲繩上，在安裝新吊桿時(shí)將鋼絲繩的力轉(zhuǎn)移到新吊桿，完成之后不需對(duì)鋼絲繩進(jìn)行卸載操作，操作相對(duì)更簡(jiǎn)單。但由于無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得鋼絲繩的內(nèi)力，不利于控制橋面標(biāo)高，故其不被頻繁采用。

(4) 臨時(shí)吊桿法。該方法是在施工中把臨時(shí)吊桿用作臨時(shí)受力體系，原理與臨時(shí)兜吊法相似，只是把鋼絲繩換成吊桿。先通過(guò)張拉臨時(shí)安裝的吊桿把待更換吊桿的力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)吊桿上，逐節(jié)段把原吊桿切除及安裝新吊桿，然后再次通過(guò)張拉新吊桿釋放臨時(shí)體系的受力，從而使力轉(zhuǎn)移到新吊桿上，最后拆卸臨時(shí)吊桿。該方法是目前常用的方法之一。

(5) 橋面支撐法。該方法的原理是把釋放出的力轉(zhuǎn)移到鄰桿上，與無(wú)替代法相比，其優(yōu)點(diǎn)是在這個(gè)過(guò)程中利用貝雷梁作為傳力體系實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，對(duì)橋梁整體剛度要求不高。該方法操作方便、快捷，但要求橋梁的舊吊桿損傷不嚴(yán)重，且貝雷梁的位置會(huì)經(jīng)常更換，較繁瑣。

4.3 施工流程

采用臨時(shí)吊桿法，其更換施工步驟見(jiàn)圖9。

圖9 吊桿更換施工流程

4.4 吊桿更換監(jiān)控

(1) 吊桿更換施工中需控制橋面標(biāo)高和吊桿內(nèi)力，保證撓度和索力值滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 更換施工前采集每個(gè)吊桿的索力及橋面標(biāo)高的初值。利用振動(dòng)頻率法進(jìn)行吊桿索力采集；提前規(guī)劃布置好測(cè)點(diǎn)及儀器架設(shè)點(diǎn)，采用高精度水準(zhǔn)儀采集高程，并于設(shè)計(jì)位置貼好應(yīng)變片方便后續(xù)應(yīng)變采集。

(3) 施工中及時(shí)記錄橋面標(biāo)高、吊桿伸長(zhǎng)量、拱腳應(yīng)變及加載油壓等，保證每次關(guān)鍵工況都有測(cè)量記錄數(shù)據(jù)，為下一步工況提供參考。

(4) 更換施工完成后，再次采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將標(biāo)高數(shù)據(jù)對(duì)比初值數(shù)據(jù)，同時(shí)觀察吊桿下吊點(diǎn)撓度變化，綜合判斷是否需對(duì)索力進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整。如需要，則繼續(xù)修正索力，直到符合要求為止。

5 結(jié)語(yǔ)

該文說(shuō)明了黃柏大橋服役過(guò)程中在拱肋、橫向聯(lián)結(jié)系、吊桿、橋面系及橋墩橋臺(tái)等部位出現(xiàn)的不同程度病害，分析了在特定環(huán)境下這些病害的形成原因，同時(shí)借助有限元軟件分析評(píng)價(jià)其承載能力，結(jié)果表明該橋能滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載的要求，但安全儲(chǔ)備有所不足。通過(guò)對(duì)常用吊桿更換方法的對(duì)比分析，選擇臨時(shí)吊桿法進(jìn)行吊桿更換，說(shuō)明了其施工流程及監(jiān)控要點(diǎn)，確保吊桿更換的順利進(jìn)行。