大跨度飛燕式系桿拱橋常見病害成因分析

萬林云

(長沙理工大公路工程試驗檢測中心，湖南 長沙 410076)

飛燕式系桿拱橋是拱橋中極具特色的橋型，它不僅承受恒載，還承受汽車活載和溫度變化等的作用。該橋型根據主跨和邊跨拱軸系數、矢跨比及截面形式的不同，通過錨固于兩邊跨端部的系桿平衡主拱的水平推力，以降低成本，經濟又美觀。但其結構復雜，超靜定次數較多，荷載作用傳遞路徑較長，影響其結構受力的因素很多。張磊等利用有限元軟件對飛燕式鋼管砼系桿拱橋成橋穩定性進行了分析；王強對某鋼管砼系桿拱橋運營期病害進行檢測，并提出了加固、維修措施；丁巖從運營期橋梁的養護出發，對系桿拱橋常見病害及處治方法展開了研究；毛建方等結合工程實例，對系桿拱橋吊桿病害展開分析，提出相應更換方案，并對更換過程中及更換后橋梁結構強度、剛度和穩定性進行了計算分析。該文將以淞澧洪道橋主橋為例，對大跨度飛燕式系桿拱橋進行檢測與評估，分析其主要病害及成因。

1 工程概況

淞澧洪道橋長982.96 m，主橋長528 m，為80 m+368 m+80 m三跨連續自錨中承式鋼管砼系桿拱橋，俗稱“飛燕式”(見圖1)。主拱圈由4根直徑1.0 m鋼管砼拱組成，拱之間采用鋼管砼連桿及鋼管連桿連接，共設有2×37根吊桿。邊拱采用上承式雙肋懸鏈線半拱，邊跨和中跨拱上設鋼管砼立柱，邊跨、主跨拱腳固結于拱座，邊跨曲梁與邊墩之間設置軸向活動盆式支座，兩邊跨端部之間設置鋼鉸線系桿。采用樁柱式墩臺，橋面兩側設有鋼筋砼和鋼管防撞護欄。

圖1 松澧洪道主橋立面布置

2 上部結構主要病害及成因

2.1 邊跨病害

兩邊跨主要存在銹脹露筋、橫梁砼破損、拱肋側面近拱腳處水平裂縫等病害，最大裂縫寬度為0.12 mm(見圖2、圖3)，與往年檢查結果相比裂縫未發展。病害成因：1)砼施工質量不良，造成橋梁運營期受力后拱肋處砼破損；2)砼保護層厚度不足，表面砼破損后，鋼筋發生氧化反應；3)經自然環境和車載等活載作用后，拱肋、橫梁等出現水平裂縫、砼破損和銹脹露筋等病害。

圖2 邊跨砼破損、銹脹

圖3 邊跨側面水平裂縫

2.2 吊桿保護套病害

吊桿熱縮帶存在腐蝕、破損，外護套表面出現老化、開裂和破損等現象(見圖4、圖5)。病害成因：1)吊桿施工、安裝過程中保護套被刮蹭造成破損；2)經日曬、雨水沖刷等自然環境和車輛荷載等作用，熱縮帶和保護套出現腐蝕、老化、開裂等現象。

圖4 吊桿熱縮帶腐蝕、破損

圖5 吊桿外護套表面老化、開裂

2.3 吊桿錨頭病害

所有吊桿下錨頭保護罩均存在輕微銹蝕，錨頭黃油均已老化、失效，錨杯內存在積水、錨頭保護罩破損等現象(見圖6、圖7)；吊桿上錨頭保護罩表面存在輕微銹蝕，錨頭錨具保護罩有不同程度銹蝕，密封圈破損，黃油輕微老化。但吊桿封錨處表觀質量良好，未見銹蝕現象。病害成因：1)吊桿錨頭采用聚氨酯類防水層，這種防水層一般3～5年就會失效，極易造成吊桿錨頭保護罩破損，導致銹蝕；2)鋼制構件對水、溫度等較敏感，在自然環境作用下，錨杯內產生積水，形成高濕度環境，進而造成錨杯、錨頭保護罩等銹蝕；3)車輛荷載等活載作用下，橋梁結構產生疲勞效應，錨頭密封圈老化破損，引起錨頭漏油、黃油老化；4)養護不到位。

圖6 錨杯內積水

圖7 下錨頭黃油老化

2.4 系桿病害

系桿存在多處由施工不當造成的保護套表面刮痕、破損及修補質量不良(見圖8)；部分系桿保護套表面存在起皮、開裂等現象，部分系桿小樁號端錨頭保護罩表面存在輕微銹蝕，全橋的系桿限位裝置鋼條銹蝕(見圖9)。其主要成因是施工不當、風吹日曬雨淋的作用及車輛荷載等的疲勞作用。

圖8 系桿保護套表面破損

圖9 系桿限位鋼條銹蝕

2.5 橋面板梁病害

橋面板共有42處存在銹脹露筋(見圖10)，最大銹脹露筋面積為1.0 m2，其中橫梁和縱梁上病害最嚴重，梁上最大銹脹露筋面積為0.4 m2。第5、第6跨橋面板底面存在4條縱向裂縫(見圖11)，裂縫長度及寬度均較小，屬于砼收縮裂縫，與往年檢查結果相比裂縫未發展。橋面板底面普遍存在細微橫向裂縫，裂縫寬度為0.02～0.06 mm，裂縫長度均較小，為橋面板在荷載作用下產生的正彎矩裂縫，裂縫寬度均未超限，與往年檢查結果相比裂縫未發展。橋面板左、右兩側防撞護欄下方均存在銹脹露筋，7#區間橋面板橫梁上外懸挑端上翼緣鋼板油漆脫落，鋼板銹蝕(見圖12)。主要是由于鋼板外層防腐油漆剝落后，受到雨水沖刷、高溫暴曬等作用。

圖10 橋面板梁病害統計

圖11 橋面板縱向裂縫

圖12 橋面板橫梁底面局部油漆脫落、銹蝕

鋼縱、橫梁整體連接良好，未發現變形、螺栓脫離等缺陷；主拱圈橫向聯系節點連接良好，未出現焊縫脫落、銹蝕等缺陷；橫向連接鋼管未發現變形、脫落等缺陷；拱上立柱表觀質量良好，未發現明顯缺陷；支座表觀質量良好，未發現剪切變形、老化、錯位、脫空等缺陷。

3 下部結構病害及成因

3.1 橋墩主要病害

橋臺護坡存在梁間沉降、開裂，橋墩蓋梁、擋塊及立柱存在破損、銹脹露筋，橋墩蓋梁存在豎向裂縫、滲水污染等病害。5#和8#橋墩蓋梁銹脹露筋面積最大，共2 m2(見圖13)。造成該類病害的主要原因：1)砼保護層較薄，導致鋼筋銹脹，表面砼脫落，進而露筋；2)施工工藝未達到設計要求，導致砼破損露筋。

圖13 8#橋墩蓋梁破損

3.2 拱座主要病害

6#橋墩右側拱座存在1處銹脹露筋，左側存在2處砼破損，其中1處破損面積達1.5 m2。7#橋墩右側拱座存在2處大面積銹脹露筋、1處砼破損，最大銹脹面積達7.0 m2(見圖14)；左側有1處銹脹露筋。造成該類缺陷的主要原因：1)砼保護層厚度不足；2)施工不當，如鋼筋定位不準、工藝落后等。

圖14 拱座砼破損

6#、7#橋墩的拱座存在豎向裂縫、斜裂縫、U形裂縫等病害。6#橋墩右側拱座存在3條豎向裂縫、1條豎向貫通縫，左側有7條斜向裂縫、1條豎向裂縫、1條豎向貫通縫，拱座橫系梁存在4條U形裂縫。以上裂縫兩端窄、中間寬，均為大體積砼收縮裂縫，由砼內部自應力超過砼的允許拉應力而引起。

7#橋墩左、右側拱座各有1條豎向貫通裂縫，最寬0.18 mm，裂縫貫通至頂面且對稱，與往年檢查結果相比裂縫未發展。7#橋墩右側拱座有4條豎向裂縫，最長2 m，最寬0.2 mm；右側拱座小樁號右側底緣有1條長1.5 m斜向裂縫。7#橋墩左側拱座存在7條豎向裂縫(裂縫表面局部析白)、7條斜向裂縫，拱座橫系梁存在4條U形裂縫，寬度0.12～0.2 mm。以上裂縫均為大體積砼收縮裂縫，為由外界環境變化造成砼不能滿足自身變形而產生的適應性裂縫。

4 橋面系主要病害及成因

4.1 橋面鋪裝的主要病害

橋面鋪裝存在多條縱向、橫向裂縫，最長達8.0 m，均存在于瀝青砼橋面，為橋面鋪裝表層裂縫。造成該類病害的主要原因：1)瀝青砼對溫度變化較敏感，溫度變化時，鋪裝層頂部易產生拉應力，底部易產生壓應力，頂部的拉應力大于壓應力時產生裂縫；2)在車載及橋梁自重作用下，支座產生負彎矩，橋面鋪裝層受到拉應力，導致裂縫產生；3)在反復荷載作用下，橋面鋪裝層產生微裂縫，并隨著加載繼續而逐漸擴展、延伸，形成疲勞裂縫。

橋面鋪裝還存在局部破損、坑槽、網裂等病害，主要發生在靠近護欄處車道上，最大網裂面積6 m2。主橋橋面瀝青砼鋪裝多處存在刮擦、凹槽(見圖15)，局部存在粗骨料外露。主要原因如下：1)局部瀝青鋪裝與砼鋪裝之間黏性差，車載反復作用下形成網裂等；2)隨溫度及車載變化，橋面鋪裝層產生裂縫，經雨水沖刷滲透后形成坑槽、粗骨料外露等。

圖15 橋面鋪裝刮擦、凹槽

4.2 伸縮縫病害

5#和8#墩臺上方伸縮縫存在局部堵塞(見圖16)；5#橋墩處伸縮縫錨固區砼破損、露筋，面積為0.02 m2。主要病害原因為：1)車載反復作用造成伸縮縫錨固區砼破損、露筋；2)運土車等未清洗干凈上橋，掉落渣土等，在雨水等作用下沉積在伸縮縫中，造成伸縮縫堵塞。

圖16 伸縮縫堵塞

5 吊桿頻率測試及分析

采用JMM-268索力動測儀對全橋吊桿(共70根)頻率進行檢測。檢測結果見圖17、圖18。由于1#、37#吊桿較短，測值受外界因素影響較大、約束條件復雜及測值具有較大不確定性，未進行現場頻率檢測。1-2#為上游側2#吊桿，2-2#為下游側2#吊桿。1-20#、2-3#、2-6#、2-27#、2-36#吊桿實測頻率與設計頻率的比值為5%～10%，建議后期對其加強觀測；其他吊桿實測頻率與設計頻率均不超過5%，吊桿狀態良好。

圖17 上游側吊桿頻率

圖18 下游側吊桿頻率

6 橋梁技術狀況評定

依據JTG/T H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》進行橋梁技術狀況評定。根據檢測結果，考慮橋梁各部件權重及橋梁重要部件的關鍵病害，對橋梁各構件缺損狀況進行綜合評定，確定橋梁的技術狀況等級。評定結果(見表1)顯示：橋梁總體技術狀況較好，評定為第2類，但需進行小修。

表1 淞澧洪道主橋總體技術狀況評定

7 主要病害的處理

(1)在砼破損、銹脹露筋處，對銹蝕鋼筋進行除銹處理，將砼鑿毛后采用環氧砂漿修補。

(2)對鋼構件防銹漆脫落、銹蝕處，除銹后重新涂刷防銹漆。

(3)修補吊桿及系桿套管破損、開裂、起皮處。

(4)對吊桿上、下錨頭及系桿兩端錨頭進行除銹、防銹處理，并更換破損的吊桿下錨頭保護罩，對錨頭重新涂刷黃油。

(5)對T梁、拱座、橋墩橫系梁裂縫予以封閉。

(6)對橋面鋪裝縱、橫向裂縫及網裂采用改性瀝青封閉，對橋面鋪裝及伸縮縫錨固砼破損處進行修補。

8 結語

根據淞澧洪道橋的檢測結果，結合設計資料進行對比分析，對其主要病害進行分析，對橋梁總體技術狀況進行評估，并提出病害修補及防治措施。檢測結果表明該橋主橋橋面板、縱橫梁、邊跨拱肋及墩臺、拱座存在局部砼破損和銹脹露筋，吊桿及系桿的套管、吊桿上下錨頭保護罩存在輕微銹蝕，部分吊桿實測頻率與設計頻率百分比為5%～10%，其他吊桿實測頻率與設計頻率百分比均不超過5%，吊桿整體受力良好。橋梁整體狀態良好，初步說明大跨度飛燕式系桿拱橋具有較好的耐久性和穩定性。