钢管混凝土拱桥加固设计与施工
1．前 言
1.1 桥型简介
本次加固的钢管混凝土拱桥为2×120m中承式拱桥，桥梁总宽为13.1m，行车道净宽为9m。其主拱圈采用哑铃型断面，总高度为2.1m，上、下弦管采用Φ820×12mmA3钢板卷制，腹板采用16Mn钢板，每孔桥面以上共设有5道“一”字形横撑，桥面以下设“K”型风构，钢管规格均为Φ630×8mm。吊杆采用110Φ5mm高强碳素钢丝，采用玻璃丝布和钢丝网水泥浆进行双层防护。其桥面系为简支体系，主要由吊杆横梁和行车道T梁组成。
图1-1 桥跨结构总体图
1.2 桥梁主要病害
通过对该桥的检查与检测，发现该桥主要存在以下一些病害：
(1)桥面下挠较为严重，最大挠度达27cm,挠跨比达1/444，结构属不良状态；
(2)上、下游主拱圈同时向上游方向发生侧偏，最大侧向偏移达13cm，约为跨度的1/1000，已超过质检评定标准的允许值；
(3)吊杆采用钢丝网护套，其水密性及气密性均难以保证，不满足现行规范要求，经现场检查，其护套已多处开裂或破损，内部钢丝锈蚀较为严重；
(4)钢构件的防腐涂层已经大部分失效，给钢结构的耐久性造成了一定影响；
(5)主拱圈腹板内部存在泥浆，内部空气潮湿，腹板内表面已经布满锈斑；
(6)主拱圈钢管内多处存在不密实区域，部分程度地降低了桥跨结构的承载能力；
(7)吊杆横梁存在较多的竖向裂缝，最大裂缝宽度达0.3mm，横梁端部吊杆区的箍筋在施工过程中被截断，严重降低了横梁的抗剪能力。
2．结构计算分析
鉴于该桥的病害较多，且主要存在于主要受力构件上，故在进行加固方案拟定前首先对该桥进行了结构分析，分析内容主要包括以下几方面：
(1)桥跨结构的模态分析；
(2)桥跨结构的整体抗推覆稳定性分析；
(3)吊杆、横梁等主要受力构件的承载力分析；
(4)施工期间所用临时构件、设施的设计计算分析。
2.1 结构模态及稳定性分析
此处采用空间有限元综合程序，对该桥建立了整体计算模型如图2-1所示。根据该计算模型计算得到该桥的自振频率及失稳模态见表2-1。经计算分析发现，目前桥跨结构的抗推覆稳定性较差，其稳定系数约为3.2～3.4，与其它同类型桥梁相比(通常该类型桥梁的稳定系数为4～6)其稳定系数较低，加之该桥本身存在同方向侧偏这一先天缺陷，且其自身固有频率较低，从而使得该桥在低频干扰荷载作用下易发生侧向失稳。
图2-1 桥跨结构整体计算模型
桥跨结构自振特性及抗推覆稳定性分析结果 表2-1
| 自振特性分析
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频率阶次
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固有频率(Hz)
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振型描述
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| 1
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0.220
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拱肋横向半波
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| 2
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0.484
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拱肋横向全波、桥面扭曲
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| 3
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0.562
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整体结构竖向半波
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| 4
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0.871
|
拱肋横向全波、桥面扭曲
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| 5
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0.988
|
拱肋横向半波
|
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| 抗推覆稳定性分析
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计算工况
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安全系数K(特征值法)
|
失稳模态
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| 恒载
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3.406
|
拱肋横向半波
|
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| 恒载+活载
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3.208
|
拱肋横向半波
|
|
| 恒载+横向风载
|
3.406
|
拱肋横向半波
|
2.2 主要受力构件及施工临时构件计算分析
(1)吊杆内力的计算
根据图2-1的计算模型，在跨中位置布置活载，计算得到的吊杆内力计算结果见表2-2。由计算结果可见，在不考虑吊杆锈蚀的前提下，其安全系数为3.01，满足规范要求。由于无法确定吊杆的截面损失率，故此处没有对目前状态下的吊杆安全系数进行计算。
吊杆内力值(半跨) 表2-2
| 吊杆编号
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恒载内力(kN)
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活载内力(kN)
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实测恒载内力(kN)
|
实测活载内力(kN)
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备注
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| 1
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474.6
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|
吊杆的安全系数为3.01，满足规范2.5的容许值。
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| 2
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486.3
|
|
|
|
|
| 3
|
484.6
|
|
855.6
|
289.6
|
|
| 4
|
481.4
|
|
722.1
|
|
|
| 5
|
484.2
|
319.2
|
668.0
|
275.9
|
|
| 6
|
489.7
|
323.8
|
685.0
|
314.9
|
(2)吊杆横梁验算
根据原结构竣工图纸及计算得到结构内力，经过计算分析，发现横梁的极限承载能力可以满足设计要求，但其抗裂性不能满足规范要求。
(3) 限位临时钢纵梁设计计算分析
由于该桥拱肋存在同方向侧偏，使得吊杆倾斜。在吊杆更换过程中，当桥面连续解除后，如果不采取适当的措施，桥面系有可能发生侧飘。针对这种情况，决定采用临时钢纵梁来限制桥面系飘移，限位钢纵梁的刚度以保证施工过程中桥面侧向飘移不超过1cm为原则。通过计算分析和优化设计，最终采用图2-2所示的钢纵梁。
图2-2 限位钢纵梁示意
3．加固设计与施工工艺
根据对该桥的计算分析及对该桥病害性状的认真分析，对该桥主要采取了下述一些加固处理措施：
3.1 加强拱肋间的横向联系
考虑到该桥拱肋存在较大的同方向侧偏，且其抗推覆稳定系数较低，同时，原有的“一”字形横撑只与腹板进行了焊接连接，抗形变能力较弱。本次加固对钢管拱肋增设了K型支撑，以加强桥跨结构的横向稳定性，即在原有“一”字形横撑的基础上增加斜45度风构，新增风构的钢管型号为Φ500×8mm，分别与原有拱肋的上、下弦钢管相连。新增风构的布置如图3-1所示。
根据有关资料显示，当混凝土的温度不超过800度时，温度对混凝土强度的影响较小。鉴于此，新增风构与拱肋钢管间采取了焊接连接方式。在焊接施工前，现场制作试件并进行了试验，试验结果表明，通过采用断续焊、边焊边降温冷却的措施可以有效降低对混凝土的灼伤程度，其灼伤深度不超过2cm，局部混凝土强度降低不超过10%。
图3-1 新增风构平面布置图
3.2 吊杆横梁的加固补强处理
根据该桥横梁所存在的病害性状及对横梁所作的验算结果，对横梁采取了粘贴钢板及加大吊杆附近截面的方法进行加固。为了避免结构内部钢筋的进一步锈蚀和裂缝的进一步发展，首先对横梁的裂缝进行了灌浆封闭处理，然后再进行补强加固，具体方法为：
(1)在横梁跨中8m范围粘贴3条10cm宽、6mm厚的16Mn钢板，钢板间净距为6cm；
图3-2 横梁加固构造示意
(2)在横梁端部2m范围内梁底粘贴6mm厚的钢板、增加封闭箍筋并将该部分梁底尺寸加大，其中，封闭箍筋采用直径为12mm的Ⅱ级钢筋，混凝土采用自流平混凝土。
3.3 吊杆更换、调整桥面标高
鉴于该桥吊杆护套已有多处开裂和破损，水密性和气密性已难以保证。为了彻底解决问题，决定对该桥的原吊杆进行更换并对现有桥面标高进行调整。新吊杆采用PES(FD)7－73低应力防腐新索体，吊杆型号为：OVMDS7-73Ⅲ，采用全防水设计；采用镀锌高强钢丝，涂油并外包两层PE护套；横梁端为张拉端，拱肋端为固定端，采用镦头锚锚固。新吊杆的总破断力为4692KN，安全系数为4.10。吊杆的正常使用年限为20年。吊杆更换、桥面标高调整的施工步骤及施工工艺如下所述：
(1) 施工准备
封闭桥上交通。解除要更换吊杆处的三道桥面连续，使桥面形成简支体系。测定吊杆的内力，作为新吊杆安装应力的参考值。设置固定的观测点，测定拱轴线位置及桥面各点标高，作为施工过程中的控制基准。凿除横梁及拱肋上的封锚混凝土，割掉保护吊杆钢管。
(2) 焊接K撑，安装临时钢纵梁
对钢管拱肋设置K型支撑，安装临时钢纵梁，将孔内横梁临时固结，仅留下要更换吊杆所对应之横梁。
(3) 安装临时吊带
将临时吊带上吊点固定在拱肋顶部并保持水平，下吊点吊住横梁的底部。
(4) 更换吊杆
利用油压千斤顶张拉临时吊带，使原吊杆内力全部转移至临时吊带，并使桥面标高达到设计高程。然后切断旧吊杆并从两端抽出。
(5) 安装张拉新吊杆
对拱肋及横梁上原有的锚孔进行改造，完工后换上新吊杆。同时逐渐减小临时吊带的拉力，最终将其承担的荷载全部转移到新吊杆上。
(6) 恢复及解除桥面连续
按照从左向右的次序，依次解除桥面连续，一个拱肋同时只允许更换一对吊杆（同一横梁），更换完工后，对索力及标高进行测定，检验合格后恢复左侧切缝的桥面连续，再按以上的施工顺序更换其它吊杆。
3.4 主拱圈缺陷处理
由于拱肋管内混凝土不密实，降低了结构的承载能力及安全系数,本次加固对拱肋钢管采取了压浆的处理措施。为了达到较好的压浆效果，压浆材料采用环氧树脂浆液，压浆前采用人工敲击的方法确定出不密实区域的范围并用粉笔现场予以标记，然后根据不密实区域范围的大小开设一定数量的压浆孔。压浆时由低处向高处压注浆液，压浆压力为0.2MPa左右。
此外，由于拱肋腹板内存在潮湿泥土及杂物，使得内部钢件锈蚀严重，对结构安全构成威胁。在该地区，潮湿的空气是引起钢件锈蚀的主要原因，故只要保证腹板内部的空气湿度处于一个较低的水平，就可以有效抑制钢件锈蚀，至少可以明显降低钢件的锈蚀速度。根据这一特点，决定采用高压水龙清理泥土杂物并及时注入干燥空气的办法对其进行处理。
3.5 钢管拱肋防护
原设计防腐涂装采用H53-31红丹环氧脂防锈漆及面漆C04-42醇酸磁漆各两道，干膜总厚度为150~200μm，设计标准较低。根据检测结果，钢件的目测涂装失效面积约为10％～20%。针对这种情况，新的防腐涂装采用重防护体系(如下表所示)。根据国内外经验，此类涂装设计如能保证涂装质量并合理维护，使用年限为15年。
防护涂装系统
| 工序
|
涂装道数
|
干膜厚度(μm)
|
颜色
|
与上一工序间隔时间
|
工艺要求
|
| 表面处理
|
|
|
|
|
表面清理、喷砂除锈达到Sa2.5级、粗糙度Ra25～100μm。
|
| 涂刷环氧富锌底漆
|
1
|
75
|
|
＜4h
|
|
| 封闭层
|
1
|
25
|
|
1～3d
|
稀释50%的环氧云铁底漆
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| 涂刷环氧云铁中间漆
|
2
|
80
|
铁红色
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8～24d
|
每道涂刷间隔时间8～24h
|
| 涂刷聚氨脂面漆
|
2
|
80
|
桔黄色
|
1～10d
|
每道涂刷间隔时间8～24h
|
4、结论与探讨
近些年来，由于钢管混凝土结构及其套箍理论被广泛接纳与认识，国内所修建的钢管混凝土拱桥数量也越来越多，使得钢管混凝土结构的优越性得到了充分体现。通过对该桥的加固设计与施工，得出了以下几点结论：
1)对于现役钢管混凝土拱桥的吊杆应进行定期检查，对于防腐体系较差的吊杆应进行详细检查，尤其是吊杆与拱肋或横梁连接处，这两端在反复的高应力作用下，极容易发生高应力腐蚀。
2)对于锈蚀较为严重的吊杆，应及时予以处理或更换，以免对桥跨结构及行车安全造成威胁。
3)对于钢-混凝土结合紧密的组合结构，可以进行小面积焊接，但在进行焊接时，应采取局部降温、分部分段的方法进行焊接，以免对混凝土造成灼伤。
4)对于钢管混凝土结构，由于施工过程中很难使得钢管内部的混凝土灌注的非常密实，再加上后期的混凝土收缩徐变，钢管与混凝土基本上是不可能完全密贴的，故本文认为在进行钢管混凝土结构设计时，应不考虑套箍作用的贡献，而仅把其作为一种可靠的安全储备。
5)对于长年处于潮湿环境中的钢结构，应采取较高的防护标准，如重防腐体系，虽然这种防腐体系的一次性投入费用较高，但其防腐效果较好，使用年限较长，整体性价比较高。
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