鋼管混凝土拱橋維修加固技術探討

曹火勇，彭世恩

(1.中鐵八局集團有限公司，四川 成都 610037；2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

我國第一座鋼管混凝土拱橋是1990年建成的跨徑115 m四川省旺蒼縣東河大橋，據不完全統計，二十多年來在我國已建和在建鋼管混凝土拱橋約有 400 多座。同時該類橋型在我國修建的數量不斷增多、跨徑不斷增大。在結構體系分為上承式、中承式、拱梁組合式、飛燕式和下承式剛架系桿拱5 大類。在截面形式分單圓管、啞鈴形和桁式。鋼管拱架設方法采用支架法、懸臂法和轉體法為主，其中懸臂拼裝法應用最多，適用跨徑最大、范圍最廣。

在早期設計和修建的鋼管混凝土拱橋中，由于前期設計認識不足，后期運營車輛荷載提高，橋梁管養的不到位，經過多年運營后，該類橋型出現了或多或少的病害。如能及時發現病害和處治，橋梁基本功能恢復后還能繼續為社會服務。本文以近十年參與的鋼管混凝土拱橋維修加固設計施工為據，該類橋型病害原因和維修加固設計、施工做介紹，希望能對鋼管混凝土拱橋后期維修加固和管養提供一定的參考作用。

1 鋼管混凝土拱橋常見病害和原因分析

1)鋼管混凝土拱橋拱肋的常見病害及原因：①鋼管內混凝土的脫空(見圖1)，比較常見的脫空有拱腳區段混凝土的不密實性、拱頂區段空洞以及鋼管與混凝土之間脫粘，主要原因是前期施工中混凝土的質量問題，管內混凝土的收縮徐變，承受壓力作用下的橫向變形，在溫度作用下，鋼管與混凝土線膨脹系數不同等造成；②鋼管銹蝕和涂層破壞，鋼管中銹蝕主要是由于大氣腐蝕原因或施工中防銹措施不能達到設計要求，后期人為破壞等原因；③鋼管拱橋的變形和偏位，主要原因有施工中控制精度不夠，運營中拱肋自身承載力不足引起的壓彎屈曲和由于脫空面大后引起的屈服應力局部失穩；④拱腳位置外包混凝土開裂是由于主拱受力作用下產生泊松效應，外包混凝土和鋼管之間的溫度線膨脹系數不一致，后期外包混凝土的收縮徐變，部分是人為和車輛的撞擊造成。

圖1 鋼管與混凝土之間脫空

2)鋼管混凝土拱橋中吊桿的斷裂引起財產損失和人員傷亡較多，社會關注度較大，主要是由于吊桿的突然斷裂沒有征兆，很難提前預警和避免。主要病害有：①吊桿保護層開裂，老化，由于原材料老化、抗拉能力降低、施工不當和兩者的熱膨脹系數不一致；②鋼套管內的砂漿開裂，滲水嚴重，導致此處鋼吊桿銹蝕斷裂，由于防水達不到要求，水滲入后造成銹蝕加快，吊桿承載力不能滿足要求；③防護罩銹蝕破損或脫落，吊桿錨頭銹蝕嚴重，防護罩的破損導致錨罩內積水、錨墊板等銹蝕，由于防護罩銹蝕引起；④吊桿斷裂或斷絲，原因主要是強度問題、疲勞問題和銹蝕問題，其中表現出銹蝕問題最為突出，絕大部分吊桿斷裂(見圖2)均是此類病害原因引起；⑤吊桿力受力不均勻，由于施工中下料和安裝不當引起，吊桿力損傷引起應力重分布，連續橋面板設計中對內力的變化影響。

圖2 吊桿位置銹蝕斷裂

3)對于下承式系桿拱橋和飛燕式系桿拱橋中還存在有系桿銹蝕和斷裂病害，早期設計的系桿拱橋中認為系桿是永久構件，系桿保護方式主要為系桿與保護鋼箱置于橋面板上，箱內填塞瀝青麻絮和黃油等低效防護，外部再包以混凝土成為永久防護。此種保護方式后期營運一段時間后普遍存在密封不嚴、極易遭受周圍環境腐蝕和系桿有效力松弛等現象，嚴重時系桿會出現銹蝕、斷裂(見圖3)等情況。

圖3 系桿箱內系桿斷裂

4)橋面部分相關病害常表現為：橋面鋪裝縱向裂縫明顯，原設計主要采用預制混凝土板和小T梁的構件為主；鋼筋混凝土橋面板出現裂縫和混凝土表面堿化泛白現象，個別橋有混凝土橋面斷板現象發生，主要由于橋面板的整體性差和常規的收縮徐變裂縫原因等；局部橋梁出現橫梁的開裂和此處的錨頭漏油受污染嚴重；開裂主要由于混凝土的收縮徐變裂縫，橫梁設計上受力不合理，施工不當如將吊桿處箍筋截斷等；梁板中支座脫空和掉落的現象也較多。

2 鋼管混凝土拱橋病害處理措施

以筆者關注的近幾年針對鋼管混凝土拱橋的維修加固為例，加固的拱橋類型有2座飛燕式系桿拱橋，1座下承式系桿拱橋，3座中承式鋼管拱橋，拱圈類型為啞鈴和桁架式為主，跨徑在150～250 m，主要的橋梁見圖4～7。

圖4 202 m飛燕式系桿拱橋

圖5 200 m飛燕式系桿拱橋

圖6 150 m下承式拱橋

圖7 130 m中承式拱橋

這些拱橋存在或多或少的常見病害，針對各橋的具體特征，在病害處治和維修加固中提出了相應的處治措施，具體措施如下。

拱肋病害中如主拱受力滿足后期營運要求，對脫空常用措施灌注環氧膠，根據脫空范圍大小采用稀漿或稠漿，保證其鋼管和混凝土的聯合受力，防止其進一步脫空增長承載能力不足；油漆中主要采用重新噴涂工藝保證其拱圈的耐久性，增強其拱圈的美觀；在受力出現病害下需補充其拱圈的結構尺寸，調整其結構體系等措施，如都不可行或維修造價較高常采用拆除重建方案。

對于吊桿斷裂，破損等病害或已達使用壽命的吊桿，對不同的橋，更換方式也不相同，這幾座橋中用了：①直接采用原吊桿位置原位更換，適當增加其安全系數和改變錨頭的形式；②將原吊桿更換為雙吊桿方式；③原吊桿兩側同時增加其兩根吊桿，增強其安全系數；④吊桿兩側采用騎馬吊的形式增加兩對吊索。

在系桿力不足和病害處治設計中，由于系桿檢測和更換補強難度較大，根據現有的加固設計，考慮了兩種方案進行系桿補強：①在系桿箱中對原系桿進行補張拉，僅對局部系桿補張拉，達到增加其系桿力目的；②將原系桿全部更換為后期可達、可測、可換的成品系桿，此種方案難度較大，需要考驗其設計和施工單位的技術水平，處理過對202 m飛燕式系桿拱橋利用此種方式更換系桿，從現階段營運情況看達到了系桿補強的目的，能夠滿足其安全和運營要求。

橋面板和橫梁病害表現較為明顯，后期整體性較差，常規上在加固設計如造價和結構安全系數滿足要求，均建議將橋面調整為梁格結構。常用第一種方案是在混凝土橫梁增加鋼縱梁來形成梁格體系；第二種將整個橋面板和橫梁一起更換為橫隔梁形式的鋼混組合橋面板；第三種將橫梁換為鋼構件，橋面板仍用混凝土梁板。從幾種形式看，如果條件允許的話，建議整體更換為鋼混組合橋面板體系，能夠很好地解決橋面系和橫梁位置其余病害。

3 結 論

通過以上對鋼管混凝土拱橋的病害、病害原因分析等，從以前設計的幾個案例來詳細介紹了其處治措施，從處治效果看基本能夠滿足其安全要求，保證了橋梁后期運營的安全。對此類橋梁維修加固設計、施工和管養等有一定的參考價值。

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