钢管混凝土拱桥主要病害与分析

钢管混凝土拱桥主要病害与分析摘要：钢管混凝土结构具有优良的性能，是一种比较理想的建造大跨度拱桥的材料。钢管混凝土拱桥在我国发展迅速，设计施工都达到了很高的水平，但是理论研究还远远不能满足使用要求。钢管混凝土拱桥在实际使用过程中出现了各种病害，威胁人身、财产安全。本文对钢管混凝土拱桥在使用过程中的病害进行总结，并在此基础上对病害的产生原因进行了初步的分析。关键词：钢管混凝土；拱桥；病害0前言钢管混凝土结构充分发挥了了钢管和混凝土的优点，具有高强、轻质、刚度大、施工方便等突出特点[1]，较好的解决了桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工简便、承载能力大等诸多矛盾，是迄今为止公认的建造大跨度拱桥的比较理想的结构材料[2]。我国对拱桥的设计、施工能力已经达到了较高的水平，但是对钢管混凝土理论的研究滞后于工程实践，在实际工程中，无论是设计还是施工还依然存在不少问题，严重制约了这类桥梁的健康发展[3]，有相当一部分此类桥梁在使用过程中出现了不同程度的病害。目前，桥梁界对钢管混凝土拱桥病害已经进行了一些调查和研究。邓海泉等[4]结合某钢管混凝土拱桥及相应的结构检查，详细介绍了钢管混凝土拱桥的病害特征及其原因。顾安邦等[5]分析了中、下承式拱桥短吊杆的受力行为以及破坏机理，并提出改进短吊杆设计的意见。华仁庆[6]重点分析了拱桥吊杆的常见病害，在此基础上提出了改善措施来减少吊杆的病害。易壮鹏[7]通过研究几何缺陷对拱结构力学性能的影响，更加深入和全面地了解存在几何缺陷情况下拱结构的力学特性。何刚[8]以湖南益阳茅草街大桥为依托工程，对大跨度钢管混凝土拱桥的拱轴线形偏差对内力以及稳定的影响进行计算分析。根据理论分析以及计算结果，对大跨度钢管混凝土拱桥的拱轴线形偏差提出针对性建议。忻嘉昆[9]对钢管混凝土拱桥管内混凝土与钢管脱粘进行了分类，然后从各个方面分析了拱肋脱空的原因。本文将对钢管混凝土拱桥的主要病害进行总结分析。钢管混凝土拱桥主要病害钢管混凝土拱桥拱轴线形偏差拱轴线形偏差是指拱轴线与设计拱轴线在几何外形上的偏差，产生的主要原因有设计的失误、施工的随机误差、结构随着时间的推移不断增长的变形积累等。本文把钢管混凝土拱桥拱轴线偏离、拱肋错台、局部变形扭曲、脚沉降与水平位移等均列为钢管混凝土拱桥的拱轴线形偏差。拱轴线偏离对拱桥的影响，主要体现在偏离引起的拱中内力变化，横向偏离会造成主拱肋的应力分布不均，降低桥梁的设计安全储备，此外还有对结构强度和稳定性的影响。研究表明，当拱顶向上或向下偏离时，拱中恒载水平推力随之增大或减小[8]。钢管内混凝土缺陷管内混凝土的可能缺陷包括：空腔、收缩缝隙、混凝土与管壁粘结不良、孔洞、混凝土离析分层不均匀、施工缝、混凝土疏松不密实等。在目前对已建钢管混凝土拱桥的检测中均发现了脱空现象，可以说钢管混凝土拱桥的管内混凝土脱空病害已经是一个普遍现象。钢管与混凝土之间出现脱空会导致钢管混凝土构件承载力的下降，同时会导致构件刚度和整体稳定性的降低。此外，核心混凝土的分离、脱空往往使得混凝土处于低应力状态，更不易发挥钢管混凝土的共同作用，降低了钢管混凝土本来拥有的良好力学性能，削弱了钢管混凝土的承载力，危及到钢管混凝土拱桥的安全[10]。吊杆系统病害吊杆作为中承式和下承式钢管混凝土拱桥支撑体系中最重要的承力构件之一，主要是弹性受拉，由于车辆荷载及风作用而长期处于微振状态。在此类拱桥中吊杆是最容易受损的构件，它的使用正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全[5][11]。中下承式钢管混凝土拱桥的吊杆系统大多处在露天环境中，可能出现的病害类型主要有：横梁锚垫板下混凝土周围出现微裂缝，吊杆索体外裹防护套破坏，吊杆钢丝或钢绞线锈，吊杆索体钢绞线或平行钢丝出现疲劳断丝，吊杆锚固端的防水装置破坏，锚头出现锈蚀，吊杆偏位，在拱肋相交处与拱肋相剪，吊杆索力不均匀，吊杆内钢丝或钢绞线应力不均。振动病害公路桥梁结构在服役期间内必然要承受车辆荷载的作用，当车辆经过桥梁时，将会引起桥梁结构在纵向、横向、竖向产生振动、冲击等动力效应。这种动力效应会增大桥梁结构所受的内力。如果振动现象较为明显，可能引起结构的局部疲劳损伤，影响桥梁的通车舒适性和安全性，甚至会减小桥梁结构的承载能力、降低桥梁结构的耐久性，甚至使桥梁结构完全破坏。钢管混凝土拱桥属于主体纤细的结构，从许多已建钢管混凝土拱桥的固有频率和振型的计算结果也可以看出，大跨度钢管混凝土拱桥属于较柔结构。近年来，随着其跨径的不断攀升，这类桥梁的动力性能也日益引起重视。钢管腐蚀钢管混凝土拱桥钢结构锈蚀损坏的部位主要集中在钢管混凝土拱桥的核心部位拱肋及肋间横撑钢管上等，这些钢管是整个桥梁的主要受力结构，它的腐蚀不仅破坏桥梁的外观装饰、带来环境的污染以及材料的浪费，还直接影响钢管乃至整个桥梁结构的使用寿命。钢管的防腐是个长期问题，短期内不是非常明显。钢管混凝土拱肋的内表面和作为劲性骨架的钢管混凝土结构的防护主要考虑施工期间的防腐问题，其要求要比钢管混凝土拱肋外表面的防腐要求低[4]。钢管混凝土拱桥主要病害成因分析拱轴线形偏差的成因引起钢管混凝土拱桥拱轴线偏离的因素很多，主要有：1)在设计阶段引起预拱度设置不当，导致成桥后的主拱拱轴线与压力线偏差；2）施工阶段由于安装精度、测量方法、混凝土灌注施工质量影响等原因导致主拱线形在面内或面外偏离原来的理想线形；3）主拱制作精度是主拱加工的重要指标，是确保主拱安装能否顺利实现的重要参数，直接影响到主拱轴线；4）运营阶段拱桥由于受到外界荷载的作用产生变形累积，使得设计的拱轴线形发生一定程度的变化。拱肋错台和局部变形扭曲一般都是钢管在制作、运输、吊装过程中产生的。此外，构件在制作过程中也不可避免的会存在重量及尺寸误差。若误差及变形不能消除，将造成各段拱肋拼装困难，势必会产生拱肋错台。拱脚沉降多是由于拱脚处基础软弱造成的，水流冲刷、地震或山区的地质滑移也会引起拱脚沉降，另外地基土的压密下沉也会引起基础沉降。此外，墩台因推力过大发生拱脚水平位也是拱桥中常见的现象。钢管内混凝土缺陷的成因钢管混凝土管内混凝土的脱空可以根据时间分为三种情况：初期脱空，早期脱空和长期脱空。初期是指从混凝土开始浇注至终凝，这一阶段新拌混凝土的泌水和沉缩是脱空的主要原因。早期是指混凝土终凝后至十四天左右的时期，这一阶段混凝土的化学收缩和自收缩以及冷缩是脱空的主要原因。长期是指桥梁运营期，这一阶段脱空的主要原因是由日照引起的内外温差、季节温差以及混凝土的后期徐变、收缩。一般认为，钢管混凝土拱桥拱肋的脱空问题包括两大类情况：一类是钢管混凝土管内核心混凝土不密实或是有空洞；另一类情况是钢管拱肋内部核心混凝土本身密实性良好，但是在桥梁运营过程中，由于受到各种因素的影响，使得钢管与混凝土在接触面处产生裂隙，两者脱离[9]。综合此两类脱空现象，管内混凝土脱空的成因主要有：管内混凝土的收缩、受轴压作用、温度应力的反复作用、混凝土的徐变效应影响、混凝土施工工艺不合理、混凝土坍落度的影响、混凝土的配合比设计不当导致混凝土的粘结性不好、法兰盘或加劲环设计不合理、膨胀剂的种类和剂量使用不当等。