1．前 言
1.1 橋型簡介
本次加固的鋼管混凝土拱橋為2×120m中承式拱橋，橋梁總寬為13.1m，行車道凈寬為9m。其主拱圈采用啞鈴型斷面，總高度為2.1m，上、下弦管采用Φ820×12mmA3鋼板卷制，腹板采用16Mn鋼板，每孔橋面以上共設(shè)有5道“一”字形橫撐，橋面以下設(shè)“K”型風(fēng)構(gòu)，鋼管規(guī)格均為Φ630×8mm。吊桿采用110Φ5mm高強(qiáng)碳素鋼絲，采用玻璃絲布和鋼絲網(wǎng)水泥漿進(jìn)行雙層防護(hù)。其橋面系為簡支體系，主要由吊桿橫梁和行車道T梁組成。
圖1-1 橋跨結(jié)構(gòu)總體圖
1.2 橋梁主要病害
通過對該橋的檢查與檢測，發(fā)現(xiàn)該橋主要存在以下一些病害：
(1)橋面下?lián)陷^為嚴(yán)重，最大撓度達(dá)27cm,撓跨比達(dá)1/444，結(jié)構(gòu)屬不良狀態(tài)；
(2)上、下游主拱圈同時向上游方向發(fā)生側(cè)偏，最大側(cè)向偏移達(dá)13cm，約為跨度的1/1000，已超過質(zhì)檢評定標(biāo)準(zhǔn)的允許值；
(3)吊桿采用鋼絲網(wǎng)護(hù)套，其水密性及氣密性均難以保證，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，經(jīng)現(xiàn)場檢查，其護(hù)套已多處開裂或破損，內(nèi)部鋼絲銹蝕較為嚴(yán)重；
(4)鋼構(gòu)件的防腐涂層已經(jīng)大部分失效，給鋼結(jié)構(gòu)的耐久性造成了一定影響；
(5)主拱圈腹板內(nèi)部存在泥漿，內(nèi)部空氣潮濕，腹板內(nèi)表面已經(jīng)布滿銹斑；
(6)主拱圈鋼管內(nèi)多處存在不密實區(qū)域，部分程度地降低了橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力；
(7)吊桿橫梁存在較多的豎向裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.3mm，橫梁端部吊桿區(qū)的箍筋在施工過程中被截斷，嚴(yán)重降低了橫梁的抗剪能力。
2．結(jié)構(gòu)計算分析
鑒于該橋的病害較多，且主要存在于主要受力構(gòu)件上，故在進(jìn)行加固方案擬定前首先對該橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，分析內(nèi)容主要包括以下幾方面：
(1)橋跨結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析；
(2)橋跨結(jié)構(gòu)的整體抗推覆穩(wěn)定性分析；
(3)吊桿、橫梁等主要受力構(gòu)件的承載力分析；
(4)施工期間所用臨時構(gòu)件、設(shè)施的設(shè)計計算分析。
2.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)及穩(wěn)定性分析
此處采用空間有限元綜合程序，對該橋建立了整體計算模型如圖2-1所示。根據(jù)該計算模型計算得到該橋的自振頻率及失穩(wěn)模態(tài)見表2-1。經(jīng)計算分析發(fā)現(xiàn)，目前橋跨結(jié)構(gòu)的抗推覆穩(wěn)定性較差，其穩(wěn)定系數(shù)約為3.2～3.4，與其它同類型橋梁相比(通常該類型橋梁的穩(wěn)定系數(shù)為4～6)其穩(wěn)定系數(shù)較低，加之該橋本身存在同方向側(cè)偏這一先天缺陷，且其自身固有頻率較低，從而使得該橋在低頻干擾荷載作用下易發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)。
圖2-1 橋跨結(jié)構(gòu)整體計算模型
橋跨結(jié)構(gòu)自振特性及抗推覆穩(wěn)定性分析結(jié)果 表2-1
自振特性分析
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頻率階次
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固有頻率(Hz)
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振型描述
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1
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0.220
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拱肋橫向半波
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2
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0.484
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拱肋橫向全波、橋面扭曲
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3
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0.562
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整體結(jié)構(gòu)豎向半波
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4
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0.871
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拱肋橫向全波、橋面扭曲
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5
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0.988
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拱肋橫向半波
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抗推覆穩(wěn)定性分析
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計算工況
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安全系數(shù)K(特征值法)
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失穩(wěn)模態(tài)
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恒載
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3.406
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拱肋橫向半波
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恒載+活載
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3.208
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拱肋橫向半波
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恒載+橫向風(fēng)載
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3.406
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拱肋橫向半波
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2.2 主要受力構(gòu)件及施工臨時構(gòu)件計算分析
(1)吊桿內(nèi)力的計算
根據(jù)圖2-1的計算模型，在跨中位置布置活載，計算得到的吊桿內(nèi)力計算結(jié)果見表2-2。由計算結(jié)果可見，在不考慮吊桿銹蝕的前提下，其安全系數(shù)為3.01，滿足規(guī)范要求。由于無法確定吊桿的截面損失率，故此處沒有對目前狀態(tài)下的吊桿安全系數(shù)進(jìn)行計算。
吊桿內(nèi)力值(半跨) 表2-2
吊桿編號
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恒載內(nèi)力(kN)
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活載內(nèi)力(kN)
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實測恒載內(nèi)力(kN)
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實測活載內(nèi)力(kN)
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備注
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1
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474.6
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吊桿的安全系數(shù)為3.01，滿足規(guī)范2.5的容許值。
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2
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486.3
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3
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484.6
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855.6
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289.6
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4
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481.4
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722.1
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5
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484.2
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319.2
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668.0
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275.9
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6
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489.7
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323.8
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685.0
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314.9
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(2)吊桿橫梁驗算
根據(jù)原結(jié)構(gòu)竣工圖紙及計算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力，經(jīng)過計算分析，發(fā)現(xiàn)橫梁的極限承載能力可以滿足設(shè)計要求，但其抗裂性不能滿足規(guī)范要求。
(3) 限位臨時鋼縱梁設(shè)計計算分析
由于該橋拱肋存在同方向側(cè)偏，使得吊桿傾斜。在吊桿更換過程中，當(dāng)橋面連續(xù)解除后，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，橋面系有可能發(fā)生側(cè)飄。針對這種情況，決定采用臨時鋼縱梁來限制橋面系飄移，限位鋼縱梁的剛度以保證施工過程中橋面?zhèn)认蝻h移不超過1cm為原則。通過計算分析和優(yōu)化設(shè)計，最終采用圖2-2所示的鋼縱梁。
圖2-2 限位鋼縱梁示意
3．加固設(shè)計與施工工藝
根據(jù)對該橋的計算分析及對該橋病害性狀的認(rèn)真分析，對該橋主要采取了下述一些加固處理措施：
3.1 加強(qiáng)拱肋間的橫向聯(lián)系
考慮到該橋拱肋存在較大的同方向側(cè)偏，且其抗推覆穩(wěn)定系數(shù)較低，同時，原有的“一”字形橫撐只與腹板進(jìn)行了焊接連接，抗形變能力較弱。本次加固對鋼管拱肋增設(shè)了K型支撐，以加強(qiáng)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，即在原有“一”字形橫撐的基礎(chǔ)上增加斜45度風(fēng)構(gòu)，新增風(fēng)構(gòu)的鋼管型號為Φ500×8mm，分別與原有拱肋的上、下弦鋼管相連。新增風(fēng)構(gòu)的布置如圖3-1所示。
根據(jù)有關(guān)資料顯示，當(dāng)混凝土的溫度不超過800度時，溫度對混凝土強(qiáng)度的影響較小。鑒于此，新增風(fēng)構(gòu)與拱肋鋼管間采取了焊接連接方式。在焊接施工前，現(xiàn)場制作試件并進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明，通過采用斷續(xù)焊、邊焊邊降溫冷卻的措施可以有效降低對混凝土的灼傷程度，其灼傷深度不超過2cm，局部混凝土強(qiáng)度降低不超過10%。
圖3-1 新增風(fēng)構(gòu)平面布置圖
3.2 吊桿橫梁的加固補(bǔ)強(qiáng)處理
根據(jù)該橋橫梁所存在的病害性狀及對橫梁所作的驗算結(jié)果，對橫梁采取了粘貼鋼板及加大吊桿附近截面的方法進(jìn)行加固。為了避免結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的進(jìn)一步銹蝕和裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，首先對橫梁的裂縫進(jìn)行了灌漿封閉處理，然后再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，具體方法為：
(1)在橫梁跨中8m范圍粘貼3條10cm寬、6mm厚的16Mn鋼板，鋼板間凈距為6cm；
圖3-2 橫梁加固構(gòu)造示意
(2)在橫梁端部2m范圍內(nèi)梁底粘貼6mm厚的鋼板、增加封閉箍筋并將該部分梁底尺寸加大，其中，封閉箍筋采用直徑為12mm的Ⅱ級鋼筋，混凝土采用自流平混凝土。
3.3 吊桿更換、調(diào)整橋面標(biāo)高
鑒于該橋吊桿護(hù)套已有多處開裂和破損，水密性和氣密性已難以保證。為了徹底解決問題，決定對該橋的原吊桿進(jìn)行更換并對現(xiàn)有橋面標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整。新吊桿采用PES(FD)7－73低應(yīng)力防腐新索體，吊桿型號為：OVMDS7-73Ⅲ，采用全防水設(shè)計；采用鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，涂油并外包兩層PE護(hù)套；橫梁端為張拉端，拱肋端為固定端，采用鐓頭錨錨固。新吊桿的總破斷力為4692KN，安全系數(shù)為4.10。吊桿的正常使用年限為20年。吊桿更換、橋面標(biāo)高調(diào)整的施工步驟及施工工藝如下所述：
(1) 施工準(zhǔn)備
封閉橋上交通。解除要更換吊桿處的三道橋面連續(xù)，使橋面形成簡支體系。測定吊桿的內(nèi)力，作為新吊桿安裝應(yīng)力的參考值。設(shè)置固定的觀測點，測定拱軸線位置及橋面各點標(biāo)高，作為施工過程中的控制基準(zhǔn)。鑿除橫梁及拱肋上的封錨混凝土，割掉保護(hù)吊桿鋼管。
(2) 焊接K撐，安裝臨時鋼縱梁
對鋼管拱肋設(shè)置K型支撐，安裝臨時鋼縱梁，將孔內(nèi)橫梁臨時固結(jié)，僅留下要更換吊桿所對應(yīng)之橫梁。
(3) 安裝臨時吊帶
將臨時吊帶上吊點固定在拱肋頂部并保持水平，下吊點吊住橫梁的底部。
(4) 更換吊桿
利用油壓千斤頂張拉臨時吊帶，使原吊桿內(nèi)力全部轉(zhuǎn)移至臨時吊帶，并使橋面標(biāo)高達(dá)到設(shè)計高程。然后切斷舊吊桿并從兩端抽出。
(5) 安裝張拉新吊桿
對拱肋及橫梁上原有的錨孔進(jìn)行改造，完工后換上新吊桿。同時逐漸減小臨時吊帶的拉力，最終將其承擔(dān)的荷載全部轉(zhuǎn)移到新吊桿上。
(6) 恢復(fù)及解除橋面連續(xù)
按照從左向右的次序，依次解除橋面連續(xù)，一個拱肋同時只允許更換一對吊桿（同一橫梁），更換完工后，對索力及標(biāo)高進(jìn)行測定，檢驗合格后恢復(fù)左側(cè)切縫的橋面連續(xù)，再按以上的施工順序更換其它吊桿。
3.4 主拱圈缺陷處理
由于拱肋管內(nèi)混凝土不密實，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力及安全系數(shù),本次加固對拱肋鋼管采取了壓漿的處理措施。為了達(dá)到較好的壓漿效果，壓漿材料采用環(huán)氧樹脂漿液，壓漿前采用人工敲擊的方法確定出不密實區(qū)域的范圍并用粉筆現(xiàn)場予以標(biāo)記，然后根據(jù)不密實區(qū)域范圍的大小開設(shè)一定數(shù)量的壓漿孔。壓漿時由低處向高處壓注漿液，壓漿壓力為0.2MPa左右。
此外，由于拱肋腹板內(nèi)存在潮濕泥土及雜物，使得內(nèi)部鋼件銹蝕嚴(yán)重，對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。在該地區(qū)，潮濕的空氣是引起鋼件銹蝕的主要原因，故只要保證腹板內(nèi)部的空氣濕度處于一個較低的水平，就可以有效抑制鋼件銹蝕，至少可以明顯降低鋼件的銹蝕速度。根據(jù)這一特點，決定采用高壓水龍清理泥土雜物并及時注入干燥空氣的辦法對其進(jìn)行處理。
3.5 鋼管拱肋防護(hù)
原設(shè)計防腐涂裝采用H53-31紅丹環(huán)氧脂防銹漆及面漆C04-42醇酸磁漆各兩道，干膜總厚度為150~200μm，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低。根據(jù)檢測結(jié)果，鋼件的目測涂裝失效面積約為10％～20%。針對這種情況，新的防腐涂裝采用重防護(hù)體系(如下表所示)。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，此類涂裝設(shè)計如能保證涂裝質(zhì)量并合理維護(hù)，使用年限為15年。
防護(hù)涂裝系統(tǒng)
工序
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涂裝道數(shù)
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干膜厚度(μm)
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顏色
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與上一工序間隔時間
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工藝要求
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表面處理
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表面清理、噴砂除銹達(dá)到Sa2.5級、粗糙度Ra25～100μm。
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涂刷環(huán)氧富鋅底漆
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1
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75
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＜4h
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封閉層
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1
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25
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1～3d
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稀釋50%的環(huán)氧云鐵底漆
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涂刷環(huán)氧云鐵中間漆
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2
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80
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鐵紅色
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8～24d
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每道涂刷間隔時間8～24h
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涂刷聚氨脂面漆
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2
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80
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桔黃色
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1～10d
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每道涂刷間隔時間8～24h
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4、結(jié)論與探討
近些年來，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及其套箍理論被廣泛接納與認(rèn)識，國內(nèi)所修建的鋼管混凝土拱橋數(shù)量也越來越多，使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性得到了充分體現(xiàn)。通過對該橋的加固設(shè)計與施工，得出了以下幾點結(jié)論：
1)對于現(xiàn)役鋼管混凝土拱橋的吊桿應(yīng)進(jìn)行定期檢查，對于防腐體系較差的吊桿應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)檢查，尤其是吊桿與拱肋或橫梁連接處，這兩端在反復(fù)的高應(yīng)力作用下，極容易發(fā)生高應(yīng)力腐蝕。
2)對于銹蝕較為嚴(yán)重的吊桿，應(yīng)及時予以處理或更換，以免對橋跨結(jié)構(gòu)及行車安全造成威脅。
3)對于鋼-混凝土結(jié)合緊密的組合結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行小面積焊接，但在進(jìn)行焊接時，應(yīng)采取局部降溫、分部分段的方法進(jìn)行焊接，以免對混凝土造成灼傷。
4)對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，由于施工過程中很難使得鋼管內(nèi)部的混凝土灌注的非常密實，再加上后期的混凝土收縮徐變，鋼管與混凝土基本上是不可能完全密貼的，故本文認(rèn)為在進(jìn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)不考慮套箍作用的貢獻(xiàn)，而僅把其作為一種可靠的安全儲備。
5)對于長年處于潮濕環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取較高的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，如重防腐體系，雖然這種防腐體系的一次性投入費用較高，但其防腐效果較好，使用年限較長，整體性價比較高。
