某中承式混凝土系桿拱橋坍塌原因分析與研究

高敏

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市，200092）

某中承式混凝土系桿拱橋坍塌原因分析與研究

高敏

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市，200092）

通過分析一座坍塌的中承式混凝土系桿拱橋的受力體系，并在對其各主要構件進行現場檢查后，表明該拱橋吊桿系統的失效是導致該橋整體失效的首要內在原因。接著，研究了致使吊桿系統失效的各因素并闡述對吊桿檢測的相關方法，提出了該類型拱橋設計、檢查及養護的重點。

吊桿檢測：鋼絲銹蝕；疲勞；檢測

0　前言

近些年來，各地運營中的橋梁坍塌時有發生，在2011年的“黑色”7月中，短短10 d時間內，全國各地就發生了4起影響較大的橋梁坍塌事件。這其中就包括福建閩北地區某景區內的一座中承式混凝土系桿拱橋。而這并非第一座坍塌的該結構類型橋梁，與之相類似的兩座系桿拱橋：四川宜賓南門大橋及新疆孔雀河大橋分別于2001年11月及2011年4月橋面系局部出現坍塌，喪失承載能力。管理部門大多將這些橋梁坍塌歸咎于外在的超載車輛，而未深入說明當前橋梁結構本身存在的缺陷或病害。本文通過對該中承式混凝土系桿拱橋坍塌后的現場檢測案例分析，具體說明該橋坍塌前實際存在的影響結構安全的病害，研究導致其坍塌的內在原因，為同類型橋梁的設計、養護、管理與檢測提供借鑒資料，避免相似的坍塌事故再度發生。

1　橋梁概述

該中承式混凝土系桿拱橋于1999年11月竣工通車，上部結構為三孔中承式懸鏈線等截面鋼筋混凝土箱型無鉸拱橋，跨徑布置為80 m+100 m+80 m。橫向由兩片拱箱組成，箱寬1.0 m，兩箱間凈距12.0 m，吊桿采用（54+7）×Φ5高強鋼絲經防腐處理而成，外包鋼管，橋面采用厚度25 cm的鋼筋混凝土連續板擱在橫梁上。該橋設計荷載為汽車-20級，掛車-100級，人群荷載為3.5 kN/m2。在通車運營不到12 a時間里，該橋其中一側80m邊跨近主跨側約40 m長范圍內橋面板出現坍塌，見圖1所示。

圖1　橋面系坍塌后的某系桿拱橋實景

2　結構受力體系分析

經分析該中承式混凝土系桿拱橋的受力體系可知，其橋跨結構主要由拱肋，橫向聯系和懸掛結構三部分組成。拱肋是主要的承重構件；橫向聯系設置在兩片拱肋之間，用以增加兩片分離式拱肋的橫向剛度和穩定性；懸掛結構包括吊桿和橋面系等，橋面荷載通過吊桿系統將作用力傳遞至拱肋及基礎上。

從結構構件的組成體系上來看，該橋為結構串-并聯體系，即該橋整體結構體系A由5個子系統B1、B2、B3、B4、B5組成，每一個子系統Bj又由單位結構Ai組成。對于該橋梁結構來說，任何一個單位Ai失效就將導致整個體系失效，見圖2所示。

對于該種類型的系桿拱橋，一根吊桿的失效，往往會導致整個結構體系的失效。眾所周知的“木桶理論”，一只木桶能盛多少水并不取決于桶壁上最長的那塊木板，而恰恰取決于最短的那塊。同樣該類型體系的結構總體可靠度也由最差的構件的可靠度所決定。

圖2　系桿拱橋的串-并聯體系圖

3　現場檢測結果及坍塌原因分析

在該橋坍塌現場，詳細檢查了橋面系、橫梁、吊桿系統、拱肋及基礎等構件，其中以對吊桿系統的檢查為主，近距離細致檢查了吊桿內鋼絲的銹蝕、損傷，坍塌后吊桿的破壞形態等。從現場檢查結果及分析可知，該橋的坍塌是由于在外荷載作用下，某一根或幾根下錨固區鋼絲銹蝕嚴重或錨夾具喪失錨固能力的吊桿。首先喪失承載能力斷裂，進而導致其附近的其它吊桿所承受的荷載大幅增加而斷裂，最終發生連鎖反應，吊桿陸續喪失承載能力而斷裂，橋面系坍塌，全橋喪失工作性能。

3.1橋面系

該橋橋面板在坍塌后依然保持整體，未有粉碎性破壞，從橋面板局部開裂區域檢查可知主要受力鋼筋狀況良好，無顯著銹蝕。墜落的橫梁依然保持較好的完整性，僅橫梁中部有豎向裂縫，從斷口處可知為新出現的裂縫，應是橫梁在墜落著地瞬間沖擊所致。橋面板及橫梁混凝土表觀質量總體良好，見圖3所示。

圖3　橫梁依然保持完整性之實景

3.2拱肋、拱上支承及基礎

兩側混凝土拱肋及橫向聯系質量良好，坍塌后均未見有顯著破損及裂縫存在，僅在邊跨與主跨公用橋墩處，邊跨側下游拱腳處，出現沿拱肋與基礎交界面的橫向裂縫。該裂縫為坍塌過程中，拱腳與橋墩連接處松動斷裂所致。墩臺、基礎及拱上建筑均未見顯著病害存在。

3.3吊桿系統

吊桿系統是此次檢查的重點，包括桿體鋼絲、錨固區域等。在對吊桿的檢查中，可見各吊桿斷裂位置均處于吊桿底部，橫梁頂面及下錨頭之間，見圖4 （a）。吊桿內鋼絲銹蝕嚴重，表面坑洞明顯，截面明顯削弱，同時吊桿各鋼絲間防腐黃油已嚴重缺失，見圖4 （b）。

通過研究吊桿在斷裂后的斷口，可見吊桿的失效斷裂主要有以下三種狀態：

第一種破壞狀態如圖5 （a）所示，吊桿自身的銹蝕嚴重。在坍塌前，該吊桿外側部分鋼絲已因銹蝕斷裂失去作用，僅有內部部分鋼絲連接著，該類型的斷裂形態表明此吊桿是最先因荷載等外在因素而斷裂。

圖4　吊桿斷裂位置及吊桿鋼絲銹蝕嚴重之實景

第二種破壞狀態如圖5（b）所示，吊桿內各鋼絲斷口處于同一平面，斷口處各鋼絲截面均有因銹蝕導致的截面減小，表明該類型的吊桿內各鋼絲均于錨固區域銹蝕。該斷面處吊桿截面整體削弱，在荷載的增加下，于該斷面處整體斷裂。

第三種破壞狀態如圖5（c）所示，部分鋼絲在錨固區同一斷面處斷裂，另有部分鋼絲因為錨固區喪失錨固能力而拔出，表明該處鋼絲錨夾具局部已喪失錨固作用。

圖5　吊桿鋼絲斷裂的幾種形態之實景

通過對墜落于地面的橫梁中的吊桿下錨固區檢查，可以看到吊桿下錨頭銹蝕、內有殘留的鋼絲，且可見部分鋼絲拔出后殘留的孔洞，見圖6 （a）所示。各橫梁上，吊桿下錨頭區域封錨混凝土處均有有白色滲出物，呈環狀，見圖6 （b）所示，表明該錨固區混凝土長期處于積水、潮濕狀態，吊桿鋼絲及錨夾具有嚴重的銹蝕情況。

圖6　吊桿下錨頭區域之實景

4　吊桿損傷原因分析

在該橋的各構件中，吊桿系統是最薄弱的一環，吊桿的失效，導致了最終橋梁結構的整體失效。影響該橋吊桿損傷的因素主要有以下幾個方面。

4.1銹蝕

銹蝕是導致吊桿及其下錨固區域損傷進而失效的一個主要原因：設計中，下錨固區域完全澆筑于橫梁內，缺乏相應的阻水及排水構造，在陰雨天氣，雨水必然順著吊桿滲入下錨固區域而長期留存，使得錨固區長期處于潮濕狀態，吊桿鋼絲及錨夾具鋼構件的銹蝕損傷是必然的。

4.2疲勞損傷

疲勞是該橋吊桿損傷的另外一個原因。吊桿作為承受軸向力的構件，除恒載外，還承受著汽車等活載作用下的軸向交變應力，產生軸向疲勞，疲勞應力的存在使得吊桿鋼絲產生應力腐蝕，截面削弱。

該橋吊桿下錨固區的設計，直接將吊桿插入橫梁中錨固，卻未考慮此設計在后續運營中吊桿會因為橫梁的縱橋向扭轉而帶動吊桿產生彎折疲勞損傷，以及錨固區鋼構件的疲勞損傷。如能在當初的設計中考慮在吊桿及橫梁接觸處設置橡膠減震塊，那將會有效地減少吊桿系統因橫梁扭轉而導致的疲勞損傷，圖7中顯示了是否設置減震塊對吊桿彎曲的影響。

圖7　設置橡膠減震塊對吊桿彎曲的影響示意圖

4.3溫度自應力

該橋吊桿僅采用在鋼絲束外包鍍鋅薄鋼管的方式來作防護處理，使得吊桿內部鋼絲在日曬作用下，溫度升高較快，且由于日曬角度的不同，吊桿內各鋼絲受熱不均勻，產生軸向溫度自應力，導致吊桿內各鋼絲受力不均勻，影響吊桿受力的整體性。

5　對吊桿系統損傷的檢測方法

由于吊桿外側的防護，以及吊桿系統錨固區域多置于封閉區域，使得對吊桿系統的檢查及檢測存在一定的難度，目前對于吊桿的檢測主要從以下幾方面著手：

（1）目視檢查是目前對吊桿系統損傷最直接可靠的檢測手段，即將吊桿外側護套及上下錨頭打開，檢查吊桿內部鋼絲及錨頭銹蝕程度，滲水程度及橡膠減震塊、防腐黃油的老化程度等。然而在大部分的橋梁檢查中，不可能將一座橋梁所有的吊桿及錨頭均打開，這就使得吊桿病害的檢查有了極大的隨機性。因此，可側重挑選拱腳處短吊桿及四分點處受力較大的吊桿，打開吊桿護套并拆除錨固區域錨杯直接進行目視檢查。

（2）定期對各吊桿在恒載下的拉力進行測量，對比不同時期的拉力來判斷是否有吊桿拉力出現異常變化。若采用環境隨機振動法間接測試吊桿拉力，則可以通過現場直接對比測得的各階振動頻率來判斷索力的變化情況及可能出現的退化。

（3）另外亦可以通過測試錨固區混凝土的電阻率，間接判斷混凝土的潮濕程度，或測量該區域鋼筋的銹蝕活動性。對處于濱海區域的系桿拱橋還應檢測該區域混凝土內的氯離子含量，來綜合判斷錨固區所處的內在環境及內部鋼構件的銹蝕程度。

6　結論

通過以上對該混凝土系桿拱橋的受力體系闡述、坍塌現場檢測、吊桿系統失效原因分析及吊桿檢測方法的討論，可知：

（1）對于該類型的結構體系，某一或幾個構件的失效即導致整體系統的失效，因此在初期設計中，應盡可能避免同樣的設計?？紤]吊桿系統的重要性及后續更換等原因，目前已有多座拱橋在設計中，采用平行垂直雙吊桿或交叉斜向雙吊桿的設計方式。

（2）吊桿系統是拱橋中傳遞橋面荷載至拱肋及基礎的重要構件，吊桿的失效即意味著全橋整體受力的失效。管養中，對于拱橋吊桿系統的檢測頻率應大于全橋的檢測或對其進行專項檢測。

（3）該中承式混凝土拱橋的坍塌原因有多方面，表面上看則是由于吊桿系統在不同荷載、因素作用下，逐漸腐蝕、損傷進而喪失承載能力，導致整個橋梁系統失效；深層次的原因在于初期該橋吊桿錨固區設計的缺陷及后期通車運營后管養不到位所致。

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1009-7716（2015）02-0061-04

2014-11-24

高敏（1984-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁健康檢測與診斷。