姚 軍

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 200444）

0 引 言

鋼管混凝土拱橋以承載能力大、自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)、施工便捷、外形美觀，養(yǎng)護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但由于設(shè)計(jì)理論不成熟或施工工藝把控不嚴(yán)，在鋼管混凝土拱橋拱肋灌注混凝土的施工過程中，鋼管拱肋外壁會(huì)出現(xiàn)過大的橫向變形，造成工期延誤及經(jīng)濟(jì)損失[2]。本文通過對拱肋灌注混凝土過程中出現(xiàn)鋼管外鼓現(xiàn)象的某鋼管混凝土拱肋進(jìn)行檢測，對外鼓鋼管截面進(jìn)行受力分析，提出加固維修處理建議，可為類似工程病害處理提供參考借鑒。

1 工程概況

某橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋，標(biāo)準(zhǔn)跨徑85 m，設(shè)計(jì)跨徑為81.64 m，拱肋矢跨比為1/5.14；鋼管混凝土拱肋截面采用圓端型鋼管，內(nèi)填C50微膨脹自密實(shí)高強(qiáng)混凝土；拱肋鋼管壁厚16 mm，寬1.0 m，高2.0 m；鋼管內(nèi)每隔30～50 cm設(shè)置一道加勁肋。主橋立面及拱肋斷面見圖1、圖2。

該橋采用先拱后梁施工方法，在灌注拱肋內(nèi)混凝土施工過程中，違規(guī)采用從最低灌注孔一次直接將混凝土由拱腳頂升至拱頂?shù)墓嘧⒐に?。?dāng)泵車泵送混凝土量約45 m3時(shí)，造成對拉螺栓螺帽崩脫、拱座混凝土局部劈裂、鋼管外鼓事故。事故發(fā)生后并未引起足夠重視，僅進(jìn)行換孔二次頂升，直至混凝土灌注完畢。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

圖2 鋼管拱肋斷面構(gòu)造圖（單位：mm）

2 主要病害及檢測結(jié)果

2.1 拱座病害

北拱肋東端拱座周圍局部混凝土劈裂，鋼套管周圍混凝土與鋼套管剝離。拱座側(cè)面混凝土劈裂見圖3，剝離區(qū)域（拱肋拱座混凝土劈裂區(qū)域）示意圖見圖4。另外，拱座與鋼管結(jié)合處沿拱肋下圓弧段有約2 mm間隙，且表面混凝土多處開裂（豎向及斜向裂縫），拱座正面下部混凝土裂縫見圖5。這些裂縫產(chǎn)生的原因是灌注拱肋混凝土?xí)r壓力過大，造成鋼管局部外鼓，將周圍混凝土擠壓開裂。

劈裂混凝土鑿除后，拱座南側(cè)混凝土上部仍存在2條裂縫（圖6），其中一條裂縫沿箍筋方向，長度約為30 cm，最大寬度0.3 mm；另一條裂縫沿拱肋方向呈斜向，自鋼套管底面斜向上，長度約為50 cm，該斜向裂縫深度直至鋼套管表面，最大寬度1 mm，且兩側(cè)錨固鋼筋均存在不同程度的外鼓變形。

圖3 拱座側(cè)面混凝土劈裂

圖4 拱肋拱座混凝土劈裂區(qū)域示意圖

圖5 拱座正面下部混凝土裂縫

圖6 拱座南側(cè)裂縫分布實(shí)景照

2.2 拱肋病害

鋼管拱肋腹板表面設(shè)置了2排對拉螺栓，螺栓縱向間距40 cm，上下兩排間距55 cm。檢查發(fā)現(xiàn)東北拱腳對拉螺桿有12根斷裂，東南拱腳有4根螺桿斷裂，西北角有16根對拉螺桿斷裂。北拱肋鋼管南北兩側(cè)面在0～L/4范圍內(nèi)存在外鼓變形，其中東端拱肋變形范圍為自拱座向上5 m之內(nèi)，拱肋南側(cè)面最大外鼓變形量為15.0 cm，北側(cè)面最大外鼓變形量為11.0 cm，下圓弧段上凹最大3.5 cm，南北兩側(cè)最大外鼓位置均距混凝土拱座邊緣1.8 m。西端拱肋變形范圍為自拱座向上3～9.5 m之內(nèi)，拱肋南側(cè)面最大外鼓變形量為14.7 cm，北側(cè)最大外鼓變形量為12.5 cm，下圓弧段上凹最大3.1 cm，最大外鼓位置均距混凝土拱座邊緣4.8～5.0 m（見圖7）。處于變形區(qū)域的東西兩端第一根吊桿上導(dǎo)管被擠壓得嚴(yán)重變形，其中東端第一根吊桿導(dǎo)管內(nèi)壁幾乎貼合，吊桿無法穿索。

圖7 拱肋變形實(shí)景照片

南北兩拱肋均存在不同程度的不密實(shí)區(qū)域，不密實(shí)區(qū)均位于鋼管拱肋截面頂部的上圓弧段內(nèi)，全拱除吊桿位置及灌注孔周圍20～30 cm外均有不同程度的不密實(shí)現(xiàn)象，其中拱頂區(qū)域3 m范圍內(nèi)不密實(shí)最為明顯。經(jīng)過鉆孔檢查，拱座區(qū)域拱肋鋼管與管內(nèi)混凝土間隙不超過1 mm，為管內(nèi)混凝土收縮所致；拱頂區(qū)域管內(nèi)混凝土與鋼管間隙達(dá)5 cm，橫向貫通上圓弧段。

2.3 拱軸線測量

拱軸線測量是拱橋檢測關(guān)鍵內(nèi)容，拱軸線變形極易引起橋梁垮塌。拱肋線形（拱軸線）采用徠卡Nova MS60全站掃描儀進(jìn)行量測，經(jīng)過處理得到跨徑-矢高和軸線偏位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。北側(cè)鋼管混凝土拱軸線形如圖8所示。

圖8 實(shí)測拱軸線

由圖8可見，實(shí)測拱軸線線形平順，未見明顯異常。實(shí)測跨徑為81.62 m，矢高15.914 m，與理論數(shù)據(jù)基本相符（理論跨徑81.64 m，矢高15.885 m），實(shí)測軸線向外偏8.6 mm，未超過《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）規(guī)定的軸線偏差L/6 000=13.6 mm。

3 拱肋鋼管外鼓后受力模擬分析

3.1 計(jì)算模型的建立

采用MIDAS FEA建模對拱肋鋼管截面進(jìn)行受力分析，鋼管截面及加勁肋按設(shè)計(jì)取值，采用板單元進(jìn)行模擬[3]，兩端拱腳采用固定支座。鋼板采用Q345，考慮鋼板材料屈服后的非線性，采用范-梅賽斯本構(gòu)模型[4]，鋼材屈服應(yīng)力為345 MPa。計(jì)算時(shí)通過對拱肋截面施加徑向壓力，使鼓脹區(qū)域鋼腹板內(nèi)壁向外位移15.0 cm，提取最大位移處的鋼材應(yīng)力。

3.2 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)管內(nèi)施加徑向壓力2.4 MPa時(shí)，鋼管拱肋腹板內(nèi)壁向外位移15.0 cm（拱肋截面變形結(jié)構(gòu)見圖9、圖10）。拱肋腹板von Mises應(yīng)力隨橫向變形位移的變化規(guī)律見圖11。由圖9可見：首次達(dá)到屈服應(yīng)力345 MPa時(shí)，腹板橫向變形最大值為39.8 mm；而本橋拱肋外鼓變形量最大達(dá)150 mm，且外鼓變形區(qū)段內(nèi)外鼓量多數(shù)已大于39.8 mm，可見其鋼材已屈服。同時(shí)由于拱肋鋼管兩側(cè)外鼓變形較大，導(dǎo)致鋼管上下圓弧段向內(nèi)凹陷5.4 cm（如圖10所示），說明上下圓弧段局部也已屈服，其截面應(yīng)力分布見圖12、圖13。

圖9 拱肋腹板橫向變形位移（單位：mm）

圖10 拱肋截面豎向變形位移（單位：mm）

圖11 腹板von Mises應(yīng)力隨橫向變形位移變化曲線

圖12 拱肋沿腹板豎直方向應(yīng)力（單位：MPa）

圖13 拱肋von Mises應(yīng)力（單位：MPa）

4 維修加固處理

4.1 外套鋼管加固鋼拱肋

由結(jié)構(gòu)計(jì)算可知，鋼管拱肋局部鋼管外鼓變形進(jìn)入塑性，拱肋應(yīng)力重新分配，形成部分鋼板受壓、部分鋼板受拉，鋼板屈服，已不滿足規(guī)范要求。故采用厚22 mm鋼板將拱肋兩端拱腳以上10 m范圍內(nèi)有外鼓變形的拱肋進(jìn)行包裹，截面每側(cè)增大20 cm。原拱肋鋼管寬1.0 m，高2.0 m，調(diào)整為寬1.4 m，高2.4 m。沿拱肋軸向每隔50 cm設(shè)置一道厚12 mm的橫隔板，外套拱肋鋼板設(shè)置厚10 mm徑向加勁肋，間距為50 cm。新增拱肋橫隔板與原鋼板焊接連接，新增拱肋鋼板在橫隔板焊接完畢后，分段、分片與橫隔板焊接，保證焊接質(zhì)量，從而形成新增的外包拱肋。外套鋼管插入拱腳段長度為2.5 m，并采用設(shè)置剪力釘以及焊接鋼筋的方式與既有拱腳結(jié)合為整體。維修時(shí)無需搭設(shè)拱肋臨時(shí)支架，施工簡單。

4.2 增大截面修復(fù)拱座

由于外套拱肋鋼管較截面每側(cè)增大20 cm，并有長2.5 m的拱肋鋼管需埋入拱座混凝土，因此拱座采用增大截面法修復(fù)加固[5]。施工時(shí)鑿除拱座開裂區(qū)域混凝土，鑿除混凝土應(yīng)至裂縫面暴露為止，且需露出表面鋼筋。為保證新老混凝土能夠結(jié)合良好共同受力，對鑿除區(qū)域周圍截面混凝土鑿毛處理，并在外包混凝土內(nèi)增設(shè)鋼筋[6]。新增鋼筋與現(xiàn)有混凝土內(nèi)的鋼筋焊接成整體。為防止拱座混凝土表面開裂，新增混凝土表面增設(shè)面層防裂鋼筋網(wǎng)片。

5 結(jié) 語

拱肋灌注混凝土過程中，由于施工單位違規(guī)操作，導(dǎo)致鋼管外鼓變形，拱肋鋼管截面部分屈服。通過對該橋檢測及拱肋截面受力分析，提出外套鋼管加固鋼拱肋、增大截面修復(fù)拱座的加固方案，避免了裸拱的拆除，節(jié)省造價(jià)200多萬元人民幣。目前該橋已通車運(yùn)行，狀態(tài)良好，說明該維修加固處理方法可行，可為類似橋梁病害的處理提供借鑒。