某中承式拱桥桥面系塌落事故分析

应 立，伍晓孟*

（中铁长江交通设计集团有限公司，重庆）

引言

中承式拱桥具有结构简单、使用方便、承载能力优越的特点，是一种被广泛应用的桥梁结构。中承式拱桥有拱肋、吊杆、桥面系主梁三大主要承重结构，其中吊杆在工程的实际应用中易出现锚固体系进水、失效以及钢丝腐蚀断裂等病害[1-2]，吊杆的安全性、耐久性远达不到使用要求，其中相当一部分工程的吊杆在建成后短时间内出现严重的问题，不得不提前检测维护，甚至提前更换吊杆拉索，浪费极大[3]。吊杆存在的安全隐患，致使部分拱桥桥面系梁体出现垮塌事故，严重威胁工程及人民生命财产的安全[4]。

本研究以某中承式拱桥部分桥面系塌落事故为例，分析了吊杆脆性破坏造成桥面系塌落的主要原因，便于深入了解中承式拱桥病害及其成因，对于中承式拱桥的建设实践和运营管理极具现实意义。

1 桥梁概况

研究对象桥梁为新疆某中承式钢管混凝土拱桥，主跨计算跨径150 m，桥面系采用吊横梁、纵置小T梁，吊杆纵向间距5 m；引桥为5×13 m（乌鲁木齐岸）＋2×13 m（库尔勒岸）钢筋混凝土T 梁。两岸桥台基础均为明挖基础，引桥桥墩为柱式墩，桥面宽度为24 m，桥梁全长236.8 m。大桥桥跨布置如图1 所示。

图1 大桥桥跨布置

2 事故现场情况及过程分析

桥面系梁体垮塌事故发生后，相关人员详细探勘了事故现场，根据横梁及桥面板的坠落位置、吊杆断裂的形态及主拱肋内侧的擦痕等综合分析，还原了桥面系发生坠落的基本过程：坠落发生时，首先拱桥上游侧2 号吊杆突然断裂，2 号横梁上游端失去平衡发生横向偏转，由此产生的巨大惯性瞬间使处于下游侧2 号吊杆发生弯拉脆断，失去支撑的2 号横梁随即坠落于孔雀河下游侧水中；与此同时，相应的2 号吊杆两侧的桥面板失去支撑向下坠落，在坠落的同时也将1 号吊杆与肋间横梁间的桥面板一道坠于河中，坠落的桥面板有3 孔共计3×5=15 m，并在主拱肋钢管内侧形成了明显的擦痕。1 号吊杆未发生断裂，横梁也未坠落，但由于临近2 号吊杆的断裂后桥面板坠落时的震动冲击的影响，1 号横梁的安全性难以判断。

3 断裂吊杆病害描述

大桥部分桥面坠落事故源于乌鲁木齐侧第2 号横梁吊杆（共计两根）发生断裂，2 号横梁及三孔桥面板坠落河中，其主体结构拱肋未发现明显的破坏痕迹。2 号吊杆的断裂部位发生在吊杆与横梁顶面的结合处，因下锚头及下端钢丝随横梁坠入水中，打捞困难，因此无法检查2 号吊杆下锚头及其连接部位钢丝的锈蚀情况，因此只有通过调查残留端吊杆断口的状态来分析此次吊杆发生断裂的主要原因。从现场截取的两根含断裂部位的残留吊杆的断口形态上可以看出：两根吊杆钢丝均未发生滑丝现象，横梁以上吊杆钢丝因为采用水泥浆防护，钢丝表面有轻微锈痕，钢丝断口并未发现截面积减少现象，说明横梁以上的防护方式还是有效的；但横梁以下吊杆的防护情况就不是很乐观，上游侧2 号吊杆钢丝的腐蚀情况比下游侧2 号吊杆钢丝断口附近的钢丝有大量腐蚀产物，钢丝已被严重腐蚀，2 号吊杆约80%钢丝有严重的腐蚀坑（有的已锈断），为陈旧性断裂。从吊杆取样腐蚀情况表可以看出，钢丝腐蚀程度已严重超出可接受的缺陷深度（国际预应力混凝土协会（FIP） 为0.04 d 或0.05 mm）；断裂前，断口附近已因腐蚀使吊杆断面受到较大程度的消弱。

4 桥梁结构整体验算

采用桥梁专用分析软件MIDAS 对主桥正常使用阶段进行结构分析，并进行正常使用极限状态和承载能力极限状态下的结构验算，寻找结构中的薄弱环节。桥梁结构验算模型如图2 所示。

图2 结构验算模型

4.1 结构验算主要内容

结构验算主要内容如下：

（1） 正常使用极限状态和承载能力极限状态下的结构验算。

（2） 使用状态动力性能。

（3） 成桥状态和使用状态弹性稳定。

（4） 跨中伸缩缝未取消时的动力特性和弹性稳定。

钢管混凝土构件验算：按《公路钢管混凝土拱桥设计规范》计算；其中钢管混凝土构件内力验算（承载力验算）采用基本组合，应力验算采用短期效应组合和长期效应组合。

其它钢结构验算：依据《铁路桥梁钢结构设计规范》进行应力验算。

4.2 结构验算主要结论

（1） 无论跨中是否设置伸缩缝，原设计拟定的主拱、桥面梁、吊杆、拱座等构件的截面尺寸满足内力要求，且具有一定的安全储备；主拱座的嵌固力满足主拱推力的要求。

（2） 结构体系降温30°时，端部短吊杆向跨中位移为17 mm；结构体系降温10°时，端短吊杆向跨中位移为6 mm；上述位移导致吊杆发生转角位移而产生弯曲应力。结构体系温差对吊杆内力影响很小，可以忽略不计。

（3） 车辆制动力作用时，端部短吊杆纵向位移为8.5 cm，导致吊杆发生转角位移而产生较大弯曲应力。制动力直接引起的吊杆内力较小。

（4） 主桥动力性能较差，1 阶自振频率为0.017 HZ，且为桥面系纵向漂移，导致吊杆产生反复的纵向位移；当跨中设置伸缩缝时，1 阶自振频率为0.006 HZ，且为桥面梁侧向漂移，可能导致吊杆产生反复的纵横向位移，桥面梁整体性较差。第1、2 阶自振振型见图3、图4。

图3 第1 阶振型

图4 第2 阶振型

（5） 最不利状态吊杆安全系数为2.6；当吊杆钢丝锈断达到85 根时，剩余有效钢丝丝数小于53 根时，吊杆可能发生断裂。

（6） 主桥弹性1 阶失稳模态特征值大于3.5；当跨中无伸缩缝时，1 阶失稳模态表现为桥面梁扭转导致主拱扭转；当跨中设置伸缩缝时，1 阶失稳模态表现为主拱侧弯。桥面梁不具有足够的刚度为主拱提供保向力，结构体系的整体性能较差，第1、2 阶失稳模态见图5、图6。

图5 第1 阶失稳模态，特征值为5.237

5 桥面系梁体垮塌原因分析

（1） 断口附近的钢丝有大量腐蚀产物，钢丝已被严重腐蚀，吊杆断口基本表现为（一次性加载的）脆性断裂，大部分腐蚀严重的钢丝无明显塑性变形发生，可以初步确定吊杆属于钢丝应力腐蚀断裂。

（2） 短吊杆受力状况复杂。在随时间变化荷载（如温度荷载）作用下，桥面漂浮体系存在较大的水平位移，与跨中长吊杆相比，短吊杆刚性较大，固有频率较高，受到的剪切变形较大。在车辆特别是超重车辆冲击荷载作用下，吊杆下端处于反复弯剪状态，导致钢管护筒内砂浆断裂，使钢丝受到大气和雨、雪水的直接侵蚀，发生严重腐蚀[5-6]。

（3） 吊杆防腐构造细节处理不当。从截取的吊杆样本看，除吊杆下端靠近横梁处腐蚀严重外，其余部位仍比较完好，说明钢管护套内注入水泥浆的防腐方案从整体上来说是可行的，但关键部位的防腐构造并不能有效阻断水与大气对钢丝的作用，导致整个吊杆的防腐失效。

（4） 吊杆为非永久性构件，在结构全寿命周期内需进行多次更换，至关重要的是应能对吊杆进行可视性检查和可操作性更换。虽然本桥吊杆设计为可更换式吊杆，但其下端腐蚀部位无法通过常规检查方式检查其腐蚀情况，实际上吊杆处于不可知状态。桥面在主跨内为多点弹性支承的多孔简支结构体系，缺乏足够的纵向联系，只要又某一吊杆断裂就会引起部分桥面系塌落。

6 设计角度的反思

6.1 吊杆、系杆构造设计

（1） 拱桥主体结构设计寿命≥100 年，吊杆、系杆设计寿命一般≥30 年，设计时应作可更换设计，构造上要做到可到达、可检查、可维护、可更换。

（2） 最短吊杆应具有足够的自由长度（一般不宜小于2.0 m），并具有适当构造措施以适应温度变化及活载等引起的桥面系纵向变形。

（3） 吊杆、系杆尽可能锚具露出结构外面。

6.2 桥面系构造设计

（1） 应可能提高桥面系的整体性，桥面系的整体性对全桥整体稳定等特性有影响。

（2） 可能的话，桥面系宜采用纵、横梁共同受力的“格子梁”结构形式。《公路钢管混凝土拱桥设计规范》已对300 m 以上拱桥推荐采用钢混组合梁连续体系。

（3） 横梁受力为主的桥面梁需设纵梁，或者采取其他构造措施，做到“断杆不落梁”。

（4） π 形梁的桥面系，尽量避免单跨简支梁的形式，可考虑做成多跨连续π 形梁。

（5） π 形梁应具有足够的横向联系刚度，避免引起桥面铺装的纵向开裂。

结束语

本研究通过新疆某中承式钢管混凝土拱桥部分桥面系梁体垮塌事故，对吊杆断裂破坏引起桥面系梁体塌落的原因进行了分析。通过分析表明：该类型的中承式肋拱桥吊杆及桥面系构造存在一定缺陷；吊杆主要因应力腐蚀、腐蚀疲劳作用和缺乏针对性的养护等原因发生脆性断裂。最后，对该类型桥梁的设计进行了反思，为同类型的桥梁建设实践吸取经验教训以规避同类事故的发生提供一定的借鉴作用。