某中承式混凝土系杆拱桥坍塌原因分析与研究

高敏

（上海同济建设工程质量检测站，上海市，200092）

某中承式混凝土系杆拱桥坍塌原因分析与研究

高敏

（上海同济建设工程质量检测站，上海市，200092）

通过分析一座坍塌的中承式混凝土系杆拱桥的受力体系，并在对其各主要构件进行现场检查后，表明该拱桥吊杆系统的失效是导致该桥整体失效的首要内在原因。接着，研究了致使吊杆系统失效的各因素并阐述对吊杆检测的相关方法，提出了该类型拱桥设计、检查及养护的重点。

吊杆检测：钢丝锈蚀；疲劳；检测

0　前言

近些年来，各地运营中的桥梁坍塌时有发生，在2011年的“黑色”7月中，短短10 d时间内，全国各地就发生了4起影响较大的桥梁坍塌事件。这其中就包括福建闽北地区某景区内的一座中承式混凝土系杆拱桥。而这并非第一座坍塌的该结构类型桥梁，与之相类似的两座系杆拱桥：四川宜宾南门大桥及新疆孔雀河大桥分别于2001年11月及2011年4月桥面系局部出现坍塌，丧失承载能力。管理部门大多将这些桥梁坍塌归咎于外在的超载车辆，而未深入说明当前桥梁结构本身存在的缺陷或病害。本文通过对该中承式混凝土系杆拱桥坍塌后的现场检测案例分析，具体说明该桥坍塌前实际存在的影响结构安全的病害，研究导致其坍塌的内在原因，为同类型桥梁的设计、养护、管理与检测提供借鉴资料，避免相似的坍塌事故再度发生。

1　桥梁概述

该中承式混凝土系杆拱桥于1999年11月竣工通车，上部结构为三孔中承式悬链线等截面钢筋混凝土箱型无铰拱桥，跨径布置为80 m+100 m+80 m。横向由两片拱箱组成，箱宽1.0 m，两箱间净距12.0 m，吊杆采用（54+7）×Φ5高强钢丝经防腐处理而成，外包钢管，桥面采用厚度25 cm的钢筋混凝土连续板搁在横梁上。该桥设计荷载为汽车-20级，挂车-100级，人群荷载为3.5 kN/m2。在通车运营不到12 a时间里，该桥其中一侧80m边跨近主跨侧约40 m长范围内桥面板出现坍塌，见图1所示。

图1　桥面系坍塌后的某系杆拱桥实景

2　结构受力体系分析

经分析该中承式混凝土系杆拱桥的受力体系可知，其桥跨结构主要由拱肋，横向联系和悬挂结构三部分组成。拱肋是主要的承重构件；横向联系设置在两片拱肋之间，用以增加两片分离式拱肋的横向刚度和稳定性；悬挂结构包括吊杆和桥面系等，桥面荷载通过吊杆系统将作用力传递至拱肋及基础上。

从结构构件的组成体系上来看，该桥为结构串-并联体系，即该桥整体结构体系A由5个子系统B1、B2、B3、B4、B5组成，每一个子系统Bj又由单位结构Ai组成。对于该桥梁结构来说，任何一个单位Ai失效就将导致整个体系失效，见图2所示。

对于该种类型的系杆拱桥，一根吊杆的失效，往往会导致整个结构体系的失效。众所周知的“木桶理论”，一只木桶能盛多少水并不取决于桶壁上最长的那块木板，而恰恰取决于最短的那块。同样该类型体系的结构总体可靠度也由最差的构件的可靠度所决定。

图2　系杆拱桥的串-并联体系图

3　现场检测结果及坍塌原因分析

在该桥坍塌现场，详细检查了桥面系、横梁、吊杆系统、拱肋及基础等构件，其中以对吊杆系统的检查为主，近距离细致检查了吊杆内钢丝的锈蚀、损伤，坍塌后吊杆的破坏形态等。从现场检查结果及分析可知，该桥的坍塌是由于在外荷载作用下，某一根或几根下锚固区钢丝锈蚀严重或锚夹具丧失锚固能力的吊杆。首先丧失承载能力断裂，进而导致其附近的其它吊杆所承受的荷载大幅增加而断裂，最终发生连锁反应，吊杆陆续丧失承载能力而断裂，桥面系坍塌，全桥丧失工作性能。

3.1桥面系

该桥桥面板在坍塌后依然保持整体，未有粉碎性破坏，从桥面板局部开裂区域检查可知主要受力钢筋状况良好，无显著锈蚀。坠落的横梁依然保持较好的完整性，仅横梁中部有竖向裂缝，从断口处可知为新出现的裂缝，应是横梁在坠落着地瞬间冲击所致。桥面板及横梁混凝土表观质量总体良好，见图3所示。

图3　横梁依然保持完整性之实景

3.2拱肋、拱上支承及基础

两侧混凝土拱肋及横向联系质量良好，坍塌后均未见有显著破损及裂缝存在，仅在边跨与主跨公用桥墩处，边跨侧下游拱脚处，出现沿拱肋与基础交界面的横向裂缝。该裂缝为坍塌过程中，拱脚与桥墩连接处松动断裂所致。墩台、基础及拱上建筑均未见显著病害存在。

3.3吊杆系统

吊杆系统是此次检查的重点，包括杆体钢丝、锚固区域等。在对吊杆的检查中，可见各吊杆断裂位置均处于吊杆底部，横梁顶面及下锚头之间，见图4 （a）。吊杆内钢丝锈蚀严重，表面坑洞明显，截面明显削弱，同时吊杆各钢丝间防腐黄油已严重缺失，见图4 （b）。

通过研究吊杆在断裂后的断口，可见吊杆的失效断裂主要有以下三种状态：

第一种破坏状态如图5 （a）所示，吊杆自身的锈蚀严重。在坍塌前，该吊杆外侧部分钢丝已因锈蚀断裂失去作用，仅有内部部分钢丝连接着，该类型的断裂形态表明此吊杆是最先因荷载等外在因素而断裂。

图4　吊杆断裂位置及吊杆钢丝锈蚀严重之实景

第二种破坏状态如图5（b）所示，吊杆内各钢丝断口处于同一平面，断口处各钢丝截面均有因锈蚀导致的截面减小，表明该类型的吊杆内各钢丝均于锚固区域锈蚀。该断面处吊杆截面整体削弱，在荷载的增加下，于该断面处整体断裂。

第三种破坏状态如图5（c）所示，部分钢丝在锚固区同一断面处断裂，另有部分钢丝因为锚固区丧失锚固能力而拔出，表明该处钢丝锚夹具局部已丧失锚固作用。

图5　吊杆钢丝断裂的几种形态之实景

通过对坠落于地面的横梁中的吊杆下锚固区检查，可以看到吊杆下锚头锈蚀、内有残留的钢丝，且可见部分钢丝拔出后残留的孔洞，见图6 （a）所示。各横梁上，吊杆下锚头区域封锚混凝土处均有有白色渗出物，呈环状，见图6 （b）所示，表明该锚固区混凝土长期处于积水、潮湿状态，吊杆钢丝及锚夹具有严重的锈蚀情况。

图6　吊杆下锚头区域之实景

4　吊杆损伤原因分析

在该桥的各构件中，吊杆系统是最薄弱的一环，吊杆的失效，导致了最终桥梁结构的整体失效。影响该桥吊杆损伤的因素主要有以下几个方面。

4.1锈蚀

锈蚀是导致吊杆及其下锚固区域损伤进而失效的一个主要原因：设计中，下锚固区域完全浇筑于横梁内，缺乏相应的阻水及排水构造，在阴雨天气，雨水必然顺着吊杆渗入下锚固区域而长期留存，使得锚固区长期处于潮湿状态，吊杆钢丝及锚夹具钢构件的锈蚀损伤是必然的。

4.2疲劳损伤

疲劳是该桥吊杆损伤的另外一个原因。吊杆作为承受轴向力的构件，除恒载外，还承受着汽车等活载作用下的轴向交变应力，产生轴向疲劳，疲劳应力的存在使得吊杆钢丝产生应力腐蚀，截面削弱。

该桥吊杆下锚固区的设计，直接将吊杆插入横梁中锚固，却未考虑此设计在后续运营中吊杆会因为横梁的纵桥向扭转而带动吊杆产生弯折疲劳损伤，以及锚固区钢构件的疲劳损伤。如能在当初的设计中考虑在吊杆及横梁接触处设置橡胶减震块，那将会有效地减少吊杆系统因横梁扭转而导致的疲劳损伤，图7中显示了是否设置减震块对吊杆弯曲的影响。

图7　设置橡胶减震块对吊杆弯曲的影响示意图

4.3温度自应力

该桥吊杆仅采用在钢丝束外包镀锌薄钢管的方式来作防护处理，使得吊杆内部钢丝在日晒作用下，温度升高较快，且由于日晒角度的不同，吊杆内各钢丝受热不均匀，产生轴向温度自应力，导致吊杆内各钢丝受力不均匀，影响吊杆受力的整体性。

5　对吊杆系统损伤的检测方法

由于吊杆外侧的防护，以及吊杆系统锚固区域多置于封闭区域，使得对吊杆系统的检查及检测存在一定的难度，目前对于吊杆的检测主要从以下几方面着手：

（1）目视检查是目前对吊杆系统损伤最直接可靠的检测手段，即将吊杆外侧护套及上下锚头打开，检查吊杆内部钢丝及锚头锈蚀程度，渗水程度及橡胶减震块、防腐黄油的老化程度等。然而在大部分的桥梁检查中，不可能将一座桥梁所有的吊杆及锚头均打开，这就使得吊杆病害的检查有了极大的随机性。因此，可侧重挑选拱脚处短吊杆及四分点处受力较大的吊杆，打开吊杆护套并拆除锚固区域锚杯直接进行目视检查。

（2）定期对各吊杆在恒载下的拉力进行测量，对比不同时期的拉力来判断是否有吊杆拉力出现异常变化。若采用环境随机振动法间接测试吊杆拉力，则可以通过现场直接对比测得的各阶振动频率来判断索力的变化情况及可能出现的退化。

（3）另外亦可以通过测试锚固区混凝土的电阻率，间接判断混凝土的潮湿程度，或测量该区域钢筋的锈蚀活动性。对处于滨海区域的系杆拱桥还应检测该区域混凝土内的氯离子含量，来综合判断锚固区所处的内在环境及内部钢构件的锈蚀程度。

6　结论

通过以上对该混凝土系杆拱桥的受力体系阐述、坍塌现场检测、吊杆系统失效原因分析及吊杆检测方法的讨论，可知：

（1）对于该类型的结构体系，某一或几个构件的失效即导致整体系统的失效，因此在初期设计中，应尽可能避免同样的设计。考虑吊杆系统的重要性及后续更换等原因，目前已有多座拱桥在设计中，采用平行垂直双吊杆或交叉斜向双吊杆的设计方式。

（2）吊杆系统是拱桥中传递桥面荷载至拱肋及基础的重要构件，吊杆的失效即意味着全桥整体受力的失效。管养中，对于拱桥吊杆系统的检测频率应大于全桥的检测或对其进行专项检测。

（3）该中承式混凝土拱桥的坍塌原因有多方面，表面上看则是由于吊杆系统在不同荷载、因素作用下，逐渐腐蚀、损伤进而丧失承载能力，导致整个桥梁系统失效；深层次的原因在于初期该桥吊杆锚固区设计的缺陷及后期通车运营后管养不到位所致。

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1009-7716（2015）02-0061-04

2014-11-24

高敏（1984-），男，江苏淮安人，硕士研究生，工程师，研究方向：桥梁健康检测与诊断。