钢管混凝土系杆拱桥病害分析与维修加固

钢管混凝土系杆拱桥病害分析与维修加固
王强
【摘要】The concrete-filled steel truss arch bridge has a complex structure,and many components on the arch bridge are prone to local diseases.The impact of local diseases on the safety of the whole structure of the bridge can not be neglected.Due to the serious economic loss and casualties caused by the collapse of the bridge,should be timely on the occurrence of disease repair and reinforcement.This paper summarizes the common disease characteristics of concrete-filled steel tubular tie-arch bridge by analyzing the relevant literature and field investigation,and analyzes the causes of the disease.The finite element model of the tied arch bridge is established,the stress performance analysis of the structure is carried out,the monitoring index system of the tandem arch bridge is constructed,and the location of the arch bridge should be determined,which can provide reference for the bridge supervisory unit on the on-line monitoring of the tandem arch bridge;for the tie arch bridge common disease summary of the effective maintenance and reinforcement method;through the example of the bridge through the disease inspection and analysis,implementation of maintenance reinforcement program to ensure the safety and efficient operation of the bridge.%钢管混凝土系杆拱桥具有复杂的结构,拱桥上多个构件易产生局部病害,局部病害对桥梁整体结构安全性造成的影响不容小视,因桥梁损坏坍塌造成重大经济损失及人员伤亡的事故频频发生,应及时对病害发生处进行维修加固.通过查阅相关文献以及现场调研,总结了钢
管混凝土系杆拱桥常见的病害特征,分析了病害产生原因;建立系杆拱桥有限元模型,对结构进行受力性能分析,构建系杆拱桥监测指标体系,并确定该类拱桥应重点监测
的部位,可为桥梁管养单位进行系杆拱桥在线监测提供借鉴;针对系杆拱桥常见病害
总结有效的维修加固方法,通过实例介绍了该大桥通过病害检查分析,实施维修加固
方案以确保大桥安全、高效运营的成功实践.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2017(039)004
【总页数】6页(P185-190)
【关键词】系杆拱桥;病害分析;钢管;混凝土;维修加固;监测指标
【作者】王强
【作者单位】河海大学力学与材料学院,江苏南京 211100
【正文语种】中文
【中图分类】U446
系杆拱桥是集拱桥和梁桥优点为一体的特殊结构桥梁，由于拱脚间水平系杆的存在，平衡拱脚水平分力，使得基础不承受水平方向的荷载。

相比于传统的拱桥和梁桥，具有受力性能良好、环境适应性强、跨度长、经济节约、结构美观等优点，近十几年来在国内应用广泛[1-2]。

有些系杆拱桥建成时间比较久远，在使用多年后，因
超载、部件锈蚀、混凝土脱落等原因，造成桥梁损伤严重，安全性难以得到保障，甚至发生桥梁倒塌等事故。

1999年1月，重庆市綦江彩虹桥整体坍塌，死亡40
余人，轻伤14人，其主要原因是钢管内混凝土抗压强度不足，拉索锚具严重锈蚀，造成严重的经济损失[3-4]。

2001年11月，四川宜宾小南门大桥4对8根吊杆与
横梁相连接部断裂，致使两辆汽车坠入江中，一只小型船只被毁，造成3人死亡，3人受伤[5-6]。

2011年4月，新疆库尔勒孔雀河大桥主跨第二根吊杆断裂，造成主跨第三、四、五道矮T梁掉入河中，长10 m、宽12 m的桥面发生垮塌[7-9]。

种种事故的发生让人触目惊心，在广泛建设使用系杆拱桥的同时更应及时发现系杆拱桥常见的病害特征，分析病害产生的原因，对易发生病害部位进行实时监测，针对常见病害提出有效的维修加固方法，以确保桥梁安全、长久、高效地投入交通运营。

本文根据国内外可查阅的文献[10-20]，总结系杆拱桥常见的病害种类并分析
病害产生原因；构建系杆拱桥监测指标体系，通过结构分析确定系杆拱桥应重点监测部位；归纳系杆拱桥加固方法；并通过实例分析为系杆拱桥病害检查与维修加固提供参考依据。

通过分析现有的一系列钢管混凝土系杆拱桥，总结导致系杆拱桥整体病害的原因主要有：①勘测设计考虑不周；②缺乏有效施工监控；③桥址自然环境条件恶劣；④偶然外荷载及自然灾害；⑤超载车辆通行的破坏；⑥交通量及车辆荷载等级提高。

钢管混凝土系杆拱桥的上部结构由拱肋、系杆、吊杆、横梁和桥面系组成；下部结构由支座、墩台和桩基组成。

主要的受力体系是拱肋、刚性系杆、吊杆和横梁，四者互相约束形成拱梁组合的有机结构体系。

因此，着重分析上述4个构件的病害
特征及原因。

1.1 钢管混凝土拱肋
(1)钢管内混凝土脱空。

产生原因：①重力作用下，混凝土中集料下沉，而水分向
钢管截面上部运动，造成混凝土与钢管内壁之间的脱空。

②钢管和混凝土热传递性能相差较大，日照作用下，钢管受热迅速膨胀变形，而混凝土吸热慢，与钢管受热变形不一致，易产生分离。

(2)钢管涂层损坏和剥落，钢管本身锈蚀。

产生原因：大气腐蚀是造成钢管混凝土
系杆拱桥腐蚀的主要原因，大气的湿度及其组成成分决定大气腐蚀的快慢。

大气腐
蚀根据大气湿度大小分为化学腐蚀和电化学腐蚀：大气湿度60%为化学腐蚀，钢
材表面没有水膜覆盖，不生锈，腐蚀速度慢，危害较小；大气湿度60%为电化学
腐蚀，水膜的存在使钢材表面生锈，加快腐蚀速度，危害较大。

(3)拱肋焊缝质量差，主拱圈安全储备不足。

产生原因：现场进行焊接，易受到环
境因素的影响，导致焊缝存在缺陷。

长期受到自然环境的腐蚀，导致焊缝强度下降，降低了整体拱圈的强度安全储备。

(4)主拱圈变形，偏离设计的合理拱轴线。

产生原因：基础变化过大、施工质量不
高等。

1.2 吊杆
吊杆连接着拱肋与横梁(或纵梁)，将桥面的荷载传递到拱肋，再通过拱肋将荷载传递到拱座，是桥梁主要的传力构件，一旦吊杆发生严重损伤，会破坏整体结构传力路径，使结构丧失主要的使用功能。

(1)吊杆索锈蚀与断裂。

产生原因：①吊杆索表面的防护设施受到破坏，雨水、尘
埃及大气中的有害物质进入吊杆索内部，与钢丝、钢绞线接触发生化学反应，引起腐蚀。

②系杆拱桥属于高次超静定结构，内力与变形协调受许多因素左右，并直接影响吊杆受力。

吊杆锈蚀断裂实物如图1所示。

(2)雨水进入吊杆底部疏导不通产生积水，造成锚头表面锈蚀。

产生原因：施工过
程中没有对金属锚头外部进行有效的防护以致金属锚头锈蚀。

(3)吊杆外保护层老化、缺损、开裂。

产生原因：①由于温度变化导致防护材料变形、老化以及套管表面划伤；②由于吊杆钢索松弛，导致防护材料变形；③交变荷载作用在吊杆上，导致防护材料变形。

(4)短吊杆破坏。

产生原因：①短吊杆与拱肋相剪，产生较大的剪切与挤压应力，
吊杆易发生变形。

②在相同荷载下，短吊杆比长吊杆受到的荷载冲击影响大得多，这对短吊杆受力不利。

1.3 系杆
系杆的主要功能是平衡拱肋传递水平推力，一旦系杆受到破坏，水平推力无法平衡，势必造成拱脚产生水平位移，造成主拱圈破坏，严重影响桥梁安全。

(1)系杆内钢绞线锈蚀断裂。

产生原因：施工过程中保护不当，导致钢绞线保护膜
破坏，表面涂抹的黄油缺损，从而外界雨水渗入，引起钢绞线锈蚀甚至断裂，丧失有效预应力，导致刚度降低。

(2)系杆外表面钢筋混凝土保护层出现竖向裂缝。

产生原因：系杆为后张法预应力
混凝土构件，预应力未达到设计要求会导致竖向裂缝的产生。

1.4 横梁
桥面下横梁竖向裂缝。

产生原因：桥面横梁属弹性嵌固梁的力学性质，若横梁设计截面面积不足和钢筋配置不当，横梁会产生多条裂缝。

系杆拱桥结构复杂，部件较多，易受到自然环境与交通荷载的破坏，所以在使用过程中应当加强监控。

一旦发现较为严重的病害损伤，应及时分析病害成因，制定有效加固维修方案及时修复受损伤部位，确保桥梁处于安全工作状态。

通过对钢管混凝土系杆拱桥病害特征进行分类，分析结构受力情况及病害产生原因，总结其通常发生病害的部位，笔者归纳了该类拱桥主要监测指标及主要监测部位(表1)，为有
效制定维修加固方案提供依据。

3.1 直接加固法
(1)增大截面加固法。

对于一些修建年代较早、荷载等级偏低的钢管混凝土系杆拱桥，面对不断增大的交通量，表现出承载能力不足的弱点。

这是由于旧桥截面较小，满足不了交通量增加的需求，可以通过扩大旧桥部件的截面进行加固。

增大截面加固法，是采用相同材料加大原结构混凝土截面，达到提高结构承载能力，提高结构刚度的目的。

增大截面加固法在系杆拱桥中的应用包括主拱圈加固法、增焊主筋法、增大梁肋法、加厚桥面板法等。

(2)锚喷混凝土加固法。

锚喷混凝土是借助喷射机械、采用压缩空气将混凝土混合料，通过管道高速喷射到需要补强的部位，以增大该部位的承载能力。

需要补强的部位一般是钢筋混凝土构件，通常是将锚杆锚入待补强的部位内，挂设钢筋网，然后再喷射一定厚度的混凝土，新喷射的混凝土与原结构形成组合截面，共同承受外部荷载。

(3)裂缝处理。

钢管混凝土系杆拱桥中的混凝土会因为外界长期荷载的作用出现疲
劳损伤，日积月累形成大大小小的裂缝。

混凝土裂缝的存在使得外界的空气、雨水、氯盐等腐蚀介质轻易进入系杆拱桥内部，对内部的钢材进行侵蚀，降低系杆拱桥结构的耐久性，严重威胁桥梁的使用寿命，因此有必要对系杆拱桥混凝土结构的裂缝进行处理。

破损构件应根据裂缝大小不同，采取不同方法进行处理：①裂缝宽度在允许范围内(w<0.15 mm)，应进行封闭处理，一般涂刷水玻璃或环氧树脂。

②当裂缝宽度超
过允许范围(w≥0.15 mm)，应采取压力灌浆法灌注环氧树脂胶；③对于宽度较大
的裂缝，应查明原因，采取有针对性的加固措施。

环氧树脂灌缝处理流程如图2
所示。

(4)碳纤维材料加固。

碳纤维为极细纤维，其单位强度高但直径较小，借助环氧树
脂结合成一体后，在纤维方向上具有很高的抗拉强度。

其特性除强度高之外，抗腐蚀性能也好，并且具有良好的抗疲劳、抗老化性能，近十几年来广泛应用于钢筋混凝土结构的加固。

碳纤维技术应用于系杆拱桥加固时具有施工简便迅速、不增加结构质量、能适应各种结构外形的补强、有效封闭混凝土裂缝、不影响结构外观、耐久性好等优点，一般用于梁板的受弯、受剪加固以及墩柱的围束加固。

碳纤维技术处理流程如图3所示。

(5)置换吊杆法。

吊杆连接着拱肋与系梁(或横梁)，是主要的传力构件，主要功能是将系梁上的荷载传递到拱肋上。

由于吊杆长期承受着巨大的拉力，又暴露在空气中，
容易受到雨水的侵蚀，属于容易发生病害的部位。

吊杆使用寿命一般比较短暂，一旦吊杆发生较大程度损伤，将会导致系梁荷载无法有效传递到拱肋，危害到整体结构的安全，应定期更换吊杆。

吊杆更换应遵循的原则：①吊杆更换不能损坏其他构件，以保证桥梁整体结构安全为前提；②新吊杆要满足设计标准，具有较长的使用寿命，并保证便于下次进行更换；③吊杆更换要具备较强的可操作性，且花费经济合理；④吊杆更换前后要进行索力测试，通过调节索力使得结构实际内力与设计内力相近。

吊杆更换方法包括临时支架法、临时吊杆法、钢导梁等方法，应根据实际情况，选择合理的吊杆置换方法。

①临时支架法：吊杆更换施工前，在拟更换吊杆下端锚固处设置竖向临时支架，支架顶端与刚性系杆底面相接触，能有效防止由于吊杆拆除所引起的系杆过大下挠变形，并减小系杆的内力变化。

②临时吊杆法：在待更换吊杆上设置临时吊杆，逐步增大临时吊杆力，减小待更换吊杆力，将原吊杆上的力安全转移到临时吊杆上，同样方法，再在新吊杆与临时吊杆之间进行力的转移，完成新吊杆的张拉。

③钢导梁法：在待更换吊杆部位设置钢导梁，通过钢导梁使得两边吊杆承受待更换吊杆处的拉力。

3.2 间接加固法(顶推法)
部分系杆拱桥建立在软土地基上，使用时间较长后，其桥台容易发生水平位移，使拱顶下挠，偏离设计的合理拱轴线，此时可采用顶推法调整拱轴线，使其恢复承载能力。

顶推施工的基本原理是箱梁重量通过滑块作用于支撑墩上，由墩身传至承台和桩基上。

顶推时通过千斤顶拽拉梁体内预埋钢绞线，克服滑块和滑道板之间的摩擦来达到梁体向前顶进，最终使主拱圈恢复设计拱轴线。

4.1 工程概况
某大桥主桥上部采用72 m单跨预应力混凝土系杆拱，计算跨径L=70 m(图4)，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5。

矢高为12.5 m，拱肋采用等截面工字型截
面，拱肋高1.4 m，宽1.0 m；系杆采用箱型截面，高1.8 m，宽1.0 m；每片拱片设间距为5.0 m的吊杆13根，吊杆采用7-55柔性吊索；中横梁高1.45 m，宽0.6 m；端横梁高1.45 m，宽1.0 m。

每幅桥由2个拱片组成，拱片间由4道风
撑连接，风撑为变截面矩形，高0.7 m，宽0.7～1.0 m。

行车道板厚0.25 m，宽1.0 m。

主桥弯桥直做，两幅桥4片拱架采用直线桥的做法。

参照《公路工程技术标准》(JTG B01—2003)、《公路桥涵设计通用规范》(JTG
D0—2004)、《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004—89)，确定该桥设计荷载：公路—Ⅰ级；桥面净宽：主桥净尺寸2×12.75 m，其中人行道宽1.5 m；引桥净尺
寸2×11.25 m。

抗震设防烈度：地震动峰值加速度0.1g(相当于基本烈度Ⅶ度)，
大桥提高一度设防。

4.2 主要病害检测及结果
(1)拱肋混凝土脱空。

该桥先采用敲击的方式大致确定拱肋钢管混凝土的脱空部位；再用超声波法对脱空部位进行精细检测，确定哪些部位混凝土脱空较为严重；最后对该部位进行钻孔验证。

检测结果显示，整个拱肋钢管与混凝土均存在不同程度的脱空现象，钢管内混凝土主要积聚在钢管横断面的下半圆。

(2)拱座、墩台裂缝。

采用裂缝观测仪和卷尺对两侧拱座及墩台已有裂缝进行了观
测与统计，裂缝宽度及长度统计见表2。

检查结果显示拱座竖向裂缝较多，且很多为竖向贯通缝，其中最大缝宽达到0.15 mm，并有竖向位移。

墩台普遍存在水平
裂缝，宽度达到0.2 mm，说明桥梁在使用过程中发生过竖向不均匀沉降和水平位移。

(3)系杆病害。

检查发现系杆主要存在以下病害：部分节间段钢箱内存在积水，内
部麻絮潮湿，钢箱发生较为严重的锈蚀；系杆钢箱内黄油部分流失；系杆钢绞线出现不同程度的锈蚀，个别钢绞线钢丝被拉断。

(4)吊杆病害。

检查发现该桥吊杆保护套老化，普遍存在环状裂纹，部分吊杆保护
层断裂。

吊杆底部锚固防护罩内普遍积水严重，吊杆内锚头锈蚀，吊杆安全系数降低。

4.3 加固维修措施
(1)钢管脱空处注浆。

通过敲击与超声波检测相结合的检测结果，确定拱肋钢管脱
空较为严重的部位，加固措施依据工程实际情况采用二次灌浆法。

(2)裂缝处理。

根据该桥现场裂缝检测的结果，采用表面封闭法、压力注浆法和粘
贴补强法相结合的方式：对于宽度<0.15 mm且未形成竖向贯通缝的裂缝，用专
用裂缝灌注胶涂抹在裂缝表面，反复涂刷使得胶液渗入裂缝内部，从而有效封闭裂缝，防止裂缝扩展；对于宽度在0.15～0.30 mm的裂缝，用喷机喷射环氧树脂胶进行压住，待胶液凝固后对裂缝表面进行封闭处理，以达到对裂缝的修补；对于宽度>0.3 mm的裂缝，且拱座出现了竖向贯通缝，不仅需要用裂缝灌注胶进行压注，也需要粘贴钢板的方式进行结构补强。

(3)吊杆更换。

该桥采用QVMDS7—73新型吊杆更换破损较为严重的旧吊杆，新
吊杆内部钢绞线为镀锌高强钢丝，表面涂抹黄油并设置3层PE保护套进行防护，具备很好的防水性能；吊杆与横梁相连部位为张拉端，与拱肋相连部位为固定端，两端均由端头锚进行固定；两端锚头均设置防护装置，在钢箱内部加入防腐油脂，防止锚头遭受侵蚀。

新吊杆的更换改善了整体结构的受力性能，由于进行了较好的防腐保护，使用寿命可以有效提高，而且新吊杆安装合理，便于下次进行更换。

(4)系杆钢箱内防水防腐处理。

根据系杆钢箱内病害检查状况，逐步打开所有钢箱，除去钢箱内积水，尤其是两边拱肋的钢箱。

然后仔细清除内部钢绞线上的锈迹与锈斑，填充新的固体油脂于钢箱内，保护钢绞线，最后密封钢箱，确保雨水不会渗入。

4.4 加固维修效果反馈
加固后，相关部门对该大桥进行了长达一年的连续观察，发现该大桥拱肋混凝土脱
空、钢管锈蚀掉漆、拱座与墩台混凝土裂缝、系杆防水防腐等病害得到有效改善，通过更换新吊杆之后，没有出现钢绞线锈蚀断裂等情况，明显改善了结构受力，该大桥的健康状况得到了明显的提升。

钢管混凝土系杆拱桥是工程界大力提倡的特殊桥型，然而系杆拱桥结构复杂，多个构件易产生局部病害，应及时了解其病害产生原因并提出加固维修策略。

本文总结系杆拱桥常见病害特征，分析病害产生原因；根据结构分析与病害产生原因总结该类拱桥主要监测指标和应重点监测部位，针对一些常见病害给出维修加固方法。

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