某中承式鋼管混凝土拱橋吊桿加固方案對比分析

摘要：20世紀(jì)90年代我國修建了大量的鋼管混凝土拱橋，隨著20多年過去，目前大量拱橋服役時(shí)間接近吊桿設(shè)計(jì)更換年限;大量拱橋吊桿需要維修加固處治。文章以四川山區(qū)省道公路某典型中承式鋼管混凝土拱橋吊桿加固設(shè)計(jì)為例，對比分析了更換原橋吊桿與保留原吊桿基礎(chǔ)上新增輔助吊桿兩種方案，經(jīng)綜合比選，提出新增輔助吊桿、保留原吊桿方案更優(yōu)。

[作者簡介]熊倫（1989—），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

鋼管混凝土拱橋具有結(jié)構(gòu)輕盈、承載能力高、跨越能力強(qiáng)、施工快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國公路工程中得到大量應(yīng)用[1]，尤其對于西南山區(qū)，山高谷深，中承式有推力鋼管混凝土拱橋是跨河、跨溝橋梁結(jié)構(gòu)的重要形式。但由于大多數(shù)鋼管混凝土拱橋于20世紀(jì)90年代開始建造，當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)水平低，受建造技術(shù)手段制約，經(jīng)多年超荷運(yùn)營后，各拱橋均出現(xiàn)不同程度的病害，整體性差、承載能力難以滿足現(xiàn)行公路橋涵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);常見病害主要為吊桿及其上下錨頭銹蝕、混凝土縱梁與橫梁表面開裂，支座變形脫空，橋面鋪裝大范圍開裂等;隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通量、尤其重載車輛顯著增加，鋼管混凝土拱橋帶病運(yùn)營越來越普遍，安全事故時(shí)有發(fā)生，造成惡劣的社會影響;因此加強(qiáng)在役鋼管混凝土拱橋的健康監(jiān)控、檢測與加固十分必要[2-3]。

目前針對鋼管混凝土拱橋吊桿病害，常用的加固方案主要為更換吊桿。吳昊[4]以某中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘?，對該橋的主要病害進(jìn)行了詳細(xì)分析，從橫梁加固、吊桿更換等方面提出了加固方案與處治措施。古云秋[5]以健跳大橋?yàn)槔瑢Ρ确治隽说鯒U更換常用的拱肋兜吊法與橋面兜吊方案的優(yōu)缺點(diǎn)。林桂萍等[6]以某中承式有推力鋼管拱橋?yàn)槔?，提出了增設(shè)吊桿和縱向鋼梁的方案，提高了該橋的安全儲備，取得了較好的加固效果。

由于目前針對鋼管混凝土吊桿拱橋吊桿病害采用的處治措施主要為吊桿更換，但在吊桿更換過程中需設(shè)置兜吊系統(tǒng)、鑿除原吊桿，在施工過程中存在安全隱患。本文基于某中承式有推力拱橋檢測結(jié)果，認(rèn)為該橋雖已運(yùn)營20多年，但吊桿技術(shù)狀況較好，無顯著病害，為降低吊桿更換過程中的施工風(fēng)險(xiǎn)，可采取保留原吊桿、新增輔助吊桿的處治方案。

1 工程概況

某中承式拱橋主橋采用一孔跨徑160 m的鋼管混凝土拱橋，拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，行車道設(shè)置在拱肋中間，人行道設(shè)置在拱肋外側(cè)（圖1）。橋面結(jié)構(gòu)采用吊桿吊T型橫梁、縱置小T型梁式橋面板。橋面縱向設(shè)2 %單向坡，橫向設(shè)1.5 %雙向坡，橋梁全寬14.1 m，全長207.6 m。該橋于1998年7月建成通車，至今未加固改造過，且日常養(yǎng)護(hù)較少。

該橋上部結(jié)構(gòu)拱肋高3.2 m，寬1.5 m，每肋為上下各2根直徑×壁厚為600×12 mm內(nèi)灌混凝土鋼管，并通過橫向綴板、豎向各2根直徑×壁厚為245×8 mm腹桿連接而成的N型鋼管混凝土桁架。兩肋中距9.1 m，拱肋橋面以上設(shè)四道橫撐，兩端橋面以下各設(shè)2道K字橫撐，并與拱座連接，橫撐均為空鋼管桁架。橋面與拱肋交叉處設(shè)肋間固結(jié)橫梁作為桁架的橫撐。拱上立柱采用4根直徑為245 mm鋼管混凝土桿件組成的格構(gòu)柱，用鋼板制作柱頂、柱腳構(gòu)造與立柱橫梁、拱肋桁架相連。吊桿采用12束15.24 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，兩端用改進(jìn)后的YM15-12錨具作吊具。下端錨具采用鎖頭器錨固，并設(shè)有可調(diào)節(jié)橫梁高度的螺母，上端錨具采用夾片錨固，并用壓板固定。吊桿采用外套鋼管，管內(nèi)壓水泥砂漿作防護(hù)。

對該橋進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)吊桿下部錨頭結(jié)構(gòu)普遍積水，吊桿從拱端錨頭至梁端錨頭全段都有不同程度銹蝕，部分已有蝕坑。吊桿結(jié)構(gòu)受力的鋼絞線、夾片、錨板等結(jié)構(gòu)腐蝕會對吊桿抗拉性能及抗疲勞性能造成影響，嚴(yán)重影響吊桿體系及大橋整體運(yùn)營安全，需要及時(shí)對吊桿進(jìn)行加固維修處治。

2 病害原因分析

該橋梁吊桿結(jié)構(gòu)采用老式的鋼絞線外套鋼管（圖2），并在管內(nèi)灌注水泥漿，該種吊桿結(jié)構(gòu)形式國內(nèi)現(xiàn)存很少，新橋已基本不采用。該吊桿結(jié)構(gòu)防護(hù)性能較差，吊桿與橋面連接處雨水滲透，以及部分吊桿索體鋼管焊接處有裂紋，造成吊桿下部結(jié)構(gòu)普遍積水。因?yàn)楹缥?yīng)及水汽擴(kuò)散，吊桿從拱端錨頭至梁端錨頭全段都有不同程度銹蝕，部分已有蝕坑。從結(jié)構(gòu)分析，腐蝕最嚴(yán)重的地方是從橋面到梁端錨頭的鋼絞線裸露段。

3 更換原吊桿方案

原橋吊桿選用12束15.2 mm鋼絞線整束擠壓式吊桿，索體采用fpk=1860 MPa的鋼絞線，公稱截面積0.00 168 m2。其產(chǎn)品設(shè)計(jì)破斷力為3 124.8 kN;根據(jù)吊桿有限元計(jì)算分析，得到吊桿安全系數(shù)為2.43，不滿足JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.8條中安全綜合系數(shù)不小于2.5的相關(guān)要求;同時(shí)根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，對于可更換的吊索，設(shè)計(jì)使用年限為20年，本橋于1998年通車運(yùn)營，距今已有22年，已超過設(shè)計(jì)使用年限，故建議對吊桿進(jìn)行處治。

吊桿更換方案采取對原吊桿進(jìn)行原位更換，新吊桿選用19束15.2 mm鋼絞線整束擠壓式吊桿，索體采用fpk=1860 MPa的環(huán)氧涂層鋼絞線，公稱截面積0.002 66 m2。其產(chǎn)品設(shè)計(jì)破斷力為4 947.6 kN;計(jì)算得到吊桿安全系數(shù)3.85;滿足規(guī)范要求。新吊桿采用防護(hù)性更好的拉索結(jié)構(gòu)，同時(shí)做好吊桿與橋面連接處的防水措施。

吊桿更換方案在更換吊桿過程中需對吊桿橫梁吊點(diǎn)位置進(jìn)行鉆孔以便取出原吊桿，鉆孔過程中對原吊桿橫梁損傷較大，而原吊桿橫梁設(shè)計(jì)為尺寸較小的T型截面，吊桿錨固底部僅40 cm寬，對于19束鋼絞線的錨頭，需鉆孔直徑為16 cm，使得吊桿橫梁兩側(cè)僅余理論值12 cm，在鉆孔過程中，尤其對于橋面底部高空作業(yè)，難以保證施工精度，鉆孔過程中極易導(dǎo)致原吊桿橫梁破壞，使得整個(gè)橋面系存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)，因此在更換吊桿前需對吊桿橫梁預(yù)先進(jìn)行加固處治。

結(jié)合目前常用的吊桿橫梁加固技術(shù)，常用的方式有外貼鋼板法與外包混凝土2種（圖3）。外貼鋼板法略增加原結(jié)構(gòu)自重和尺寸，可能損傷原結(jié)構(gòu)鋼筋，鋼板通過錨栓與吊桿橫梁有效連接，可有效保證兩者共同受力，加固效果較好，施工較易控制，工期較短。外包混凝土方案明顯增加原結(jié)構(gòu)自重和尺寸，可能損傷原結(jié)構(gòu)的鋼筋;腹板兩側(cè)外包混凝土厚度僅10 cm，后澆混凝土與既有橫梁腹板結(jié)合面連接強(qiáng)度較差，不易保證兩者共同受力，施工難以控制，工期較長。通過上述綜合比較，選擇外貼鋼板的方式對吊桿橫梁進(jìn)行處治。

4 增設(shè)輔助吊桿及鋼縱梁方案

由于原吊桿原位置更換方案在施工過程中需設(shè)置兜吊系統(tǒng)、鑿除原吊桿，對原吊桿橫梁損傷較大，需要對原吊桿橫梁進(jìn)行加固，對于橋下江面上高空作業(yè)施工時(shí)存在安全隱患。而鑒于該橋雖已運(yùn)營20多年，但吊桿整體狀態(tài)較好，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)多座吊桿拱橋加固時(shí)橋下增設(shè)鋼縱梁的思路，采用在吊桿橫梁兩側(cè)增設(shè)輔助吊桿、保留原吊桿、新增鋼縱梁的綜合處治方案（圖4）;該方案無需拆除原橋吊桿，不用設(shè)置臨時(shí)兜吊系統(tǒng)，無需在原吊桿橫梁上設(shè)置錨栓孔，對原吊桿橫梁損傷小，新增橋下縱梁可加強(qiáng)原橋結(jié)構(gòu)整體性;同時(shí)該方案所新增的鋼構(gòu)件可在工廠內(nèi)加工，橋位現(xiàn)場采用高強(qiáng)螺栓形成整體，橋下作業(yè)少，安全風(fēng)險(xiǎn)低，工期短，成本低，施工質(zhì)量可靠，加固效果較好。

5 結(jié)束語

本文以四川山區(qū)省道公路某典型中承式鋼管混凝土拱橋吊桿加固設(shè)計(jì)為例，對比分析了更換原橋吊桿與保留原吊桿基礎(chǔ)上新增輔助吊桿2種加固設(shè)計(jì)方案。

由于吊桿更換過程中需設(shè)置兜吊系統(tǒng)、鑿除原吊桿，在施工過程中存在安全隱患。而新增輔助吊桿可很好地與新增鋼縱梁結(jié)合，可顯著改善原橋結(jié)構(gòu)受力模式，且施工安全風(fēng)險(xiǎn)低，施工快速便捷;在同類橋梁加固維修處治中，若原吊桿狀況較好，條件允許時(shí)建議優(yōu)先選用增設(shè)輔助吊桿與鋼縱梁的加固方式。

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