某中承式钢管混凝土拱桥吊杆加固方案对比分析

摘要：20世纪90年代我国修建了大量的钢管混凝土拱桥，随着20多年过去，目前大量拱桥服役时间接近吊杆设计更换年限;大量拱桥吊杆需要维修加固处治。文章以四川山区省道公路某典型中承式钢管混凝土拱桥吊杆加固设计为例，对比分析了更换原桥吊杆与保留原吊杆基础上新增辅助吊杆两种方案，经综合比选，提出新增辅助吊杆、保留原吊杆方案更优。

[作者简介]熊伦（1989—），男，硕士，工程师，从事桥梁设计工作。

钢管混凝土拱桥具有结构轻盈、承载能力高、跨越能力强、施工快捷方便等优点，在我国公路工程中得到大量应用[1]，尤其对于西南山区，山高谷深，中承式有推力钢管混凝土拱桥是跨河、跨沟桥梁结构的重要形式。但由于大多数钢管混凝土拱桥于20世纪90年代开始建造，当时经济水平低，受建造技术手段制约，经多年超荷运营后，各拱桥均出现不同程度的病害，整体性差、承载能力难以满足现行公路桥涵技术标准;常见病害主要为吊杆及其上下锚头锈蚀、混凝土纵梁与横梁表面开裂，支座变形脱空，桥面铺装大范围开裂等;随着经济发展，交通量、尤其重载车辆显著增加，钢管混凝土拱桥带病运营越来越普遍，安全事故时有发生，造成恶劣的社会影响;因此加强在役钢管混凝土拱桥的健康监控、检测与加固十分必要[2-3]。

目前针对钢管混凝土拱桥吊杆病害，常用的加固方案主要为更换吊杆。吴昊[4]以某中承式钢管混凝土拱桥为背景，对该桥的主要病害进行了详细分析，从横梁加固、吊杆更换等方面提出了加固方案与处治措施。古云秋[5]以健跳大桥为例，对比分析了吊杆更换常用的拱肋兜吊法与桥面兜吊方案的优缺点。林桂萍等[6]以某中承式有推力钢管拱桥为例，提出了增设吊杆和纵向钢梁的方案，提高了该桥的安全储备，取得了较好的加固效果。

由于目前针对鋼管混凝土吊杆拱桥吊杆病害采用的处治措施主要为吊杆更换，但在吊杆更换过程中需设置兜吊系统、凿除原吊杆，在施工过程中存在安全隐患。本文基于某中承式有推力拱桥检测结果，认为该桥虽已运营20多年，但吊杆技术状况较好，无显著病害，为降低吊杆更换过程中的施工风险，可采取保留原吊杆、新增辅助吊杆的处治方案。

1 工程概况

某中承式拱桥主桥采用一孔跨径160 m的钢管混凝土拱桥，拱肋为钢管混凝土桁架结构，行车道设置在拱肋中间，人行道设置在拱肋外侧（图1）。桥面结构采用吊杆吊T型横梁、纵置小T型梁式桥面板。桥面纵向设2 %单向坡，横向设1.5 %双向坡，桥梁全宽14.1 m，全长207.6 m。该桥于1998年7月建成通车，至今未加固改造过，且日常养护较少。

该桥上部结构拱肋高3.2 m，宽1.5 m，每肋为上下各2根直径×壁厚为600×12 mm内灌混凝土钢管，并通过横向缀板、竖向各2根直径×壁厚为245×8 mm腹杆连接而成的N型钢管混凝土桁架。两肋中距9.1 m，拱肋桥面以上设四道横撑，两端桥面以下各设2道K字横撑，并与拱座连接，横撑均为空钢管桁架。桥面与拱肋交叉处设肋间固结横梁作为桁架的横撑。拱上立柱采用4根直径为245 mm钢管混凝土杆件组成的格构柱，用钢板制作柱顶、柱脚构造与立柱横梁、拱肋桁架相连。吊杆采用12束15.24 mm高强度低松弛预应力钢绞线，两端用改进后的YM15-12锚具作吊具。下端锚具采用锁头器锚固，并设有可调节横梁高度的螺母，上端锚具采用夹片锚固，并用压板固定。吊杆采用外套钢管，管内压水泥砂浆作防护。

对该桥进行检测时发现吊杆下部锚头结构普遍积水，吊杆从拱端锚头至梁端锚头全段都有不同程度锈蚀，部分已有蚀坑。吊杆结构受力的钢绞线、夹片、锚板等结构腐蚀会对吊杆抗拉性能及抗疲劳性能造成影响，严重影响吊杆体系及大桥整体运营安全，需要及时对吊杆进行加固维修处治。

2 病害原因分析

该桥梁吊杆结构采用老式的钢绞线外套钢管（图2），并在管内灌注水泥浆，该种吊杆结构形式国内现存很少，新桥已基本不采用。该吊杆结构防护性能较差，吊杆与桥面连接处雨水渗透，以及部分吊杆索体钢管焊接处有裂纹，造成吊杆下部结构普遍积水。因为虹吸效应及水汽扩散，吊杆从拱端锚头至梁端锚头全段都有不同程度锈蚀，部分已有蚀坑。从结构分析，腐蚀最严重的地方是从桥面到梁端锚头的钢绞线裸露段。

3 更换原吊杆方案

原桥吊杆选用12束15.2 mm钢绞线整束挤压式吊杆，索体采用fpk=1860 MPa的钢绞线，公称截面积0.00 168 m2。其产品设计破断力为3 124.8 kN;根据吊杆有限元计算分析，得到吊杆安全系数为2.43，不满足JTG/T D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》第5.8条中安全综合系数不小于2.5的相关要求;同时根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，对于可更换的吊索，设计使用年限为20年，本桥于1998年通车运营，距今已有22年，已超过设计使用年限，故建议对吊杆进行处治。

吊杆更换方案采取对原吊杆进行原位更换，新吊杆选用19束15.2 mm钢绞线整束挤压式吊杆，索体采用fpk=1860 MPa的环氧涂层钢绞线，公称截面积0.002 66 m2。其产品设计破断力为4 947.6 kN;计算得到吊杆安全系数3.85;满足规范要求。新吊杆采用防护性更好的拉索结构，同时做好吊杆与桥面连接处的防水措施。

吊杆更换方案在更换吊杆过程中需对吊杆横梁吊点位置进行钻孔以便取出原吊杆，钻孔过程中对原吊杆横梁损伤较大，而原吊杆横梁设计为尺寸较小的T型截面，吊杆锚固底部仅40 cm宽，对于19束钢绞线的锚头，需钻孔直径为16 cm，使得吊杆横梁两侧仅余理论值12 cm，在钻孔过程中，尤其对于桥面底部高空作业，难以保证施工精度，钻孔过程中极易导致原吊杆横梁破坏，使得整个桥面系存在坍塌风险，因此在更换吊杆前需对吊杆横梁预先进行加固处治。

结合目前常用的吊杆横梁加固技术，常用的方式有外贴钢板法与外包混凝土2种（图3）。外贴钢板法略增加原结构自重和尺寸，可能损伤原结构钢筋，钢板通过锚栓与吊杆横梁有效连接，可有效保证两者共同受力，加固效果较好，施工较易控制，工期较短。外包混凝土方案明显增加原结构自重和尺寸，可能损伤原结构的钢筋;腹板两侧外包混凝土厚度仅10 cm，后浇混凝土与既有横梁腹板结合面连接强度较差，不易保证两者共同受力，施工难以控制，工期较长。通过上述综合比较，选择外贴钢板的方式对吊杆横梁进行处治。

4 增设辅助吊杆及钢纵梁方案

由于原吊杆原位置更换方案在施工过程中需设置兜吊系统、凿除原吊杆，对原吊杆横梁损伤较大，需要对原吊杆横梁进行加固，对于桥下江面上高空作业施工时存在安全隐患。而鉴于该桥虽已运营20多年，但吊杆整体状态较好，同时结合国内多座吊杆拱桥加固时桥下增设钢纵梁的思路，采用在吊杆横梁两侧增设辅助吊杆、保留原吊杆、新增钢纵梁的综合处治方案（图4）;该方案无需拆除原桥吊杆，不用设置临时兜吊系统，无需在原吊杆横梁上设置锚栓孔，对原吊杆横梁损伤小，新增桥下纵梁可加强原桥结构整体性;同时该方案所新增的钢构件可在工厂内加工，桥位现场采用高强螺栓形成整体，桥下作业少，安全风险低，工期短，成本低，施工质量可靠，加固效果较好。

5 结束语

本文以四川山区省道公路某典型中承式钢管混凝土拱桥吊杆加固设计为例，对比分析了更换原桥吊杆与保留原吊杆基础上新增辅助吊杆2种加固设计方案。

由于吊杆更换过程中需设置兜吊系统、凿除原吊杆，在施工过程中存在安全隐患。而新增辅助吊杆可很好地与新增钢纵梁结合，可显著改善原桥结构受力模式，且施工安全风险低，施工快速便捷;在同类桥梁加固维修处治中，若原吊杆状况较好，条件允许时建议优先选用增设辅助吊杆与钢纵梁的加固方式。

参考文献

[1] 陈宝春，陈亚林.钢管混凝土拱桥调查与分析[J].世界桥梁，2006，4（2）：73-77.

[2] 魏建东.宜宾小南门大桥的抢修加固与恢复工程[J].公路，2003（4）：34-38.

[3] 付晶华，常立新.系杆断裂对拱桥健康状况的影响[J].武汉理工大学学报，2006（10）：61-65.

[4] 吴昊.某中承式钢管混凝土拱桥病害分析及加固设计[J].公路工程，2017（3）：154-158.

[5] 古云秋.健跳大桥吊杆更换方案比选分析研究[J].公路交通科技应用技术版，2014（6）：5-9.

[6] 林桂萍，郭晓东，彭世恩，等.有推力钢管砼中承式拱桥吊杆加固技术[J]. 广东公路交通，2020，3：35-39.