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钢管混凝土拱桥技术状况评定及其养护措施

来源：

互联网  发布时间：

2009-12-11    

钢管混凝土拱桥技术状况评定及其养护措施

吴明峰

（福建省交通科学技术研究所，福建福州350004）

摘要：

二十世纪九十年代以来，我省陆续修建了十余座钢管混凝土拱桥，今后在许多地方还将陆续兴建。

这些桥梁经过十余年的运营后，出现了较多的维修和养护问题。

本文针对钢管混凝土拱桥的自身结构特点，钢管混凝土拱桥各关键部位的常见的病害检查和养护方法进行初步的探讨，提出一些检查和养护的思路和方法供桥梁养护部门参考。

关键词：

钢管混凝土拱桥日常检查养护

1引言

九十年代初，在国外应用较广的钢管混凝土拱桥开始引入我国。

这种复合结构具有安装施工方便，用料经济合理，承载能力大的优点，是大跨度拱桥的一种比较理想的型式。

1990年在四川旺苍建成了第一座主跨115米的钢管混凝土拱桥后，迅速在全国推广，在十年间建成了数十座这类拱桥，如主跨200米的广东三山西大桥和主跨270米的广西三岸大桥。

1998年建成的主跨360米的广州丫髻沙大桥是一个代表作，标志着钢管混凝土拱桥在中国已走向成熟。

但在这十余年里，由于对钢管混凝土拱桥的建造质量检测手段和养护方法的不足，造成该体系桥梁出现重大问题的报道屡屡发生，直接影响到人民的生命和财产安全，在社会上造成不良的影响。

重庆綦江桥和重庆南门大桥就是显著的例子。

为此，针对钢管混凝土拱桥的结构特点以及常见的病害，提出检查和养护的思路和方法。

2钢管混凝土拱桥的结构特点

钢管混凝土拱桥由钢管混凝土拱肋、立柱或吊杆、横撑、行车道系、下部构造等组成。

钢管混凝土拱肋是主要的承重结构，承受桥上的全部荷载，并将荷载传递给墩台和基础。

钢管混凝土拱桥的拱肋为钢管混凝土结构，钢管内灌注混凝土。

拱桥吊杆采用高强镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚具，热挤高密聚乙烯（俗称PE）套管防护。

吊杆上端固定于拱肋，下端固定于梁底。

为避免人为因素对吊杆的损坏，吊杆下端一般安装有钢护管，管下安装有减振圈。

系杆为此类桥的关键部件，采用钢绞线体外索，由防锈油脂与热挤PE双层防护。

两端采用专用体外索锚具，有夹片放松装置，外加防护罩。

3钢管混凝土拱桥的常见病害和检查方法

3.1钢管混凝土拱肋常见病害和检查方法

3.1.1钢管混凝土拱肋常见病害

钢管构件存在扭曲变形、局部损伤、腐蚀生锈。

钢管涂层有裂纹、起皮、脱落，构件腐蚀生锈。

钢管混凝土拱肋及横向联结系的焊缝出现裂纹或开裂。

管内混凝土填充不密实，出现空洞。

3.1.2相应的检查方法

针对钢管构件腐蚀生锈和钢管涂层起皮、脱落等部位，做好标记，并进行详细记录，日常养护中观察其发展情况。

钢管混凝土拱肋及横向联结系的焊缝出现裂纹或开裂现象，可采用金属探伤仪进行裂缝探伤检查，确定焊缝损伤情况。

管内混凝土填充不密实，出现空洞现象，主要的原因：

（1）在泵送过程中排气不畅将引起气孔缺陷。

（2）混凝土本身的质量也是引起缺陷的主要原因。

混凝土在浇筑时要求有一定的流动性，用坍落度来表示，管内混凝土必须要有一定的坍落度，但坍落度不能太大，否则混凝土在运送、灌注过程中易分层离析，破坏混凝土的均匀性，影响灌注质量。

另外，为了补偿钢管内部混凝土的收缩，减小混凝土收缩系数和孔隙率，需掺入膨胀剂，膨胀剂量必须适当，若加入的量过大，会使混凝土膨胀过量，导致钢结构的破坏，强度下降，若加入的量过小，由于混凝土收缩，会使混凝土干缩和水化热冷缩，导致缺陷，使混凝土与钢管壁的胶结脱离。

（3）外界温度以及钢管混凝土材料间的温差将对拱肋的质量有很大影响。

钢管与混凝土的吸热、散热速度相差很大，而拱肋又是直接暴露在大气中直接承受阳光作用，夏天钢管表面温度高达80℃，内部核心混凝土50℃，受其影响白天钢管吸热迅速膨胀时，管内的混凝土吸热慢，且需要吸收的热量大，管内混凝土不可能跟钢管一起膨胀；到了夜晚，钢管遇冷收缩时，管内的混凝土才慢慢吸热膨胀而阻止钢管的收缩，同时钢管又对混凝土产生了一个紧箍力，加速混凝土的收缩和徐变，钢管与混凝土产生一定的脱离是很难避免的。

管内混凝土填充密实性检查方法有：

人工敲击法、直接钻芯取样法、超声波检测法。

（1）人工敲击法

人工敲击法是靠技术人员通过对钢管混凝土拱肋的敲击而后根据经验判断出缺陷位置以及种类的方法。

但是敲击法完全凭技术人员的技术及经验，缺乏理论依据和可供存档的资料，是一种比较粗略的检测方法。

无论是对于判断缺陷的种类还是判断的精度都是不能得到保证的，因此，人工敲击法的应用既不便于施工技术管理也不适合质量检测技术管理，它只能作为一种辅助检测手段。

（2）直接钻芯取样法

在众多钢管混凝土拱肋的检测方法中，钻芯法无疑是最为直观最为可靠的方法。

它不仅能直观的反映出钢管混凝土的完整性，而且能比较精确的验证混凝土强度是否满足要求。

但是钻芯法仍然有其不足之处，该法取样部位有局限性，只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量，存在较大的盲区，容易以点代面造成误判或漏判。

另外钻芯法对检查大面积的混凝土疏松、离析、夹泥、孔洞等比较有效，而对局部缺陷和水平裂缝等判断就不一定十分准确。

当然钻芯法还存在设备庞大、费工费时、价格昂贵的缺点。

因此，钻芯法不宜用于大批量检测，而只能用于抽样检查，或作为对无损检测结果的验证手段，实际工程检测表明，采用钻芯法与超声波联合检测、综合判定的办法评定钢管混凝土拱肋的质量，是十分有效的。

（3）超声波检测法

钢管内部混凝土的密实程度和均匀性以及钢管壁与混凝土之间的胶结脱离的检测，可以运用超声波技术来检测。

超声波检测钢管混凝土的基本原理是在钢管外径的一端利用发射换能器辐射高频振动,经钢管圆心传向钢管外径另一端的接收换能器。

超声波在传播过程中遇到由各种缺陷形成的界面时就会改变传播方向和路径,其能量就会在缺陷处被衰减,造成超声波到达接收换能器时的声时、声幅、频率的相对变化。

超声波检测钢管混凝土就是根据超声波在传播过程中声时、声幅、频率的相对变化,对钢管混凝土的质量进行分析判断。

超声波检测管内混凝土缺陷主要有首波声时法（波速）、波形识别法和首波频率法，根据声学参数声时、波幅、相位、频率等参数相应的变化，来判断其内部间隙的位置和大小。

判别的前提条件是：

超声波通过混凝土传播的声时值必须小于直接通过钢管壁绕射的声时值，否则，超声波首波将不穿过混凝土而直接沿钢管壁到达接收探头，就无法判断其内部缺陷。

实践证明,超声波检测技术对钢管混凝土拱桥的钢管混凝土构件进行检测是行之有效的。

它可以根据合理布设的检测点,对钢管混凝土的密实程度和均匀性进行全面而细致的检测,它可以检测出钢管混凝土是否存在缺陷,找出缺陷位置,圈出缺陷范围,特别是对钢管内壁与内部混凝土之间的胶结脱离或完全脱空可以定量地进行检测，对钢管内混凝土缺陷采用首波声时、波形、首波频率的综合判较为理想。

3.2吊杆及锚具的检查

由于该体系桥梁刚度相对较小，行车状态下桥面振幅较大，特别是吊杆直接将桥面荷载传递给拱肋，长期持续振动极易对吊杆产生疲劳破坏。

吊杆主要检查内容有：

（1）检查吊杆两端的锚固部位，包括吊杆端部及冷铸锚头、横梁锚固构造、吊杆套管等是否有浸水、锈蚀和开裂、松动等。

防护套管油漆是否完好，冷铸锚头有无松动、裂缝或破损。

（2）对吊杆的振动进行观察。

观察行车过程中吊杆振动是否明显，减振措施是否损坏失效，防护套是否破坏；（3）检查吊杆的防护层有无裂纹、破损、老化和积水，重点检查吊杆端部出口处钢管护套以及钢管护套与PE护套连接处的外观情况。

检查吊杆的钢管护套有无松动、油漆脱落、锈蚀，套管顶是否密封，连接处有无渗水、漏水等。

若套管破裂，吊杆可能会因雨水的渗入而受到腐蚀。

根据外观检查情况，适时抽检吊杆端部及减振器的防水情况和橡胶老化变质情况。

3.3系杆及防护板的检查

系杆及防护板应注意检查系杆锚头、防护罩有无锈蚀，外部油漆有无损坏，连接是否松动，防锈油脂有否向外渗漏，钢箱有无锈蚀。

3.4混凝土结构的检查

对混凝土结构（含主桥纵、横梁，拱座处外包混凝土等）主要检查混凝土有无裂缝、渗水、表面风化、剥落、露筋和钢筋锈蚀等。

在日常检查中尤以混凝土结构物的渗水、渗漏为最主要项目，并判断损坏情况。

应重点检查吊杆锚头附近及横梁预应力束锚头附近有无裂缝，纵横梁固结部分是否开裂。

4桥梁技术状况的评定

根据钢管拱桥病害检查结果，定期对桥梁结构各部分的技术状况及承载能力进行评定。

桥梁承载能力鉴定，通常采用3种方法：

①分析计算法；②随机调查比较法，即由实际交通测定桥梁状态的方法；③荷载试验法，即对桥梁施加试验荷载，测定其主要部位主要参数的方法。

荷载试验前，应根据不同的试验目的和要求制订周密的试验方案。

方案内容应包括试验目的、测试主要内容和要求、加载方法、试验方法等。

主要试验内容有：

①钢管混凝土拱肋控制断面应力；②吊杆、系杆拉力；③中跨跨中及四分点处的挠度，钢管混凝土拱肋位移（含顺桥向和横桥向等）；④主梁的动力特性和动力响应；⑤钢管混凝土拱肋的动力特性和动力响应；⑥吊杆和吊杆钢丝锈蚀程度的综合评定；⑦纵横梁控制断面的应力。

桥梁承载能力分析与评定应充分利用已掌握的调查检验资料，根据桥梁的结构特点综合分析评定桥梁的承载能力及其使用条件。

主要包括以下几个方面：

（1）结构的强度与稳定性；

（2）结构刚度；

（3）裂缝限制；

（4）控制断面应力及吊杆、系杆拉力。

5钢管混凝土拱桥的养护

以钢管混凝土系杆拱为例，简要介绍钢管混凝土拱桥的主要养护内容。

5.1钢管混凝土拱肋的养护

对钢管混凝土拱肋（含腹杆及横向联结系）的养护工作主要包括下列内容：

保持焊接的正常状态。

当焊缝承受与其方向垂直的交变荷载时，在焊接缺陷及局部应力集中处均易诱发疲劳裂纹。

该裂纹一旦形成，在应力与腐蚀介质的共同作用下，裂纹迅速扩展。

如不及时修复，会引起严重后果。

因此，对拱肋的焊接部位应注意保持焊接的正常状态。

若发现桥梁在使用过程中焊接处有异常情况，应注意分析裂缝发生原因，及时处理。

当拱肋发现裂缝后，应由专业技术焊工及时用手电钻在裂纹端钻一直径2～3mm的圆孔，制止裂纹的扩展，然后用碳弧气刨清除裂纹部位。

裂纹清除后，用砂轮打磨干净，预热后用CO2保护焊修复。

修复完毕应进行无损检查，确认焊缝缺陷不复存在，否则应重新修补。

焊缝修补次数一般不应超过2次。

修复工作进行前，应制定相应修补方案及焊接修复工艺，焊接工艺应进行必要的测试与评定。

对重要部位焊缝修复，应征得有关专家认可后方可实施。

日常检查过程中，若发现拱肋涂层有TB/T2486标准所列的涂膜劣化等级2级以上的漆膜损坏，应及时处理。

在确定钢管混凝土的管内有空洞或离析时可先钻孔注入环氧树脂、水泥砂浆后再封闭钻孔。

主梁的挠度值出现异常时要及时限制交通，并应查明原因，委托设计部门计算，采取措施进行处理。

5.2拱座的养护

在拱座与裸露的钢管混凝土交界段以上露出的钢管表面，若涂层出现褶皱、龟裂，在排除涂层质量、气温、老化等原因外，宜再将包裹混凝土向上延长。

若拱座的外包混凝土出现褶皱、龟裂、裂纹，当无明显变形时，可暂用水泥砂浆涂抹，加强观察，分析原因。

待稳定后再根据情况进行修复（如压浆，封闭或凿除裂损部分进行修复）。

对拱座处的积水要及时排除，保持清洁干燥。

每年冬夏来临之前，对裸管段与有外包混凝土的管段交界处要涂厚油脂。

5.3吊杆及锚具的养护

吊杆涉及桥梁的耐久性和承载能力。

吊杆的养护是钢管混凝土拱桥养护工作的重点。

吊杆养护的重点部位是上、下锚头处。

冷铸锚头和螺栓是暴露在大气中的，要注意防水防锈，丝扣部分应经常涂润滑油防腐。

应定期对吊索系统涂漆防锈，补刷防锈漆。

吊杆两端锚固处及锚头、吊杆出口密封处、防护套等部位，发现有损坏时，应及时处治。

当锚头发现裂缝或破损，应更换该吊杆。

吊杆与系杆系统的更换方法如下：

吊杆与系杆系统包括吊杆、系杆、锚板及连接件等。

吊杆、系杆设计时都应考虑若干年后更换吊杆的可能性。

个别吊杆或系杆出现疲劳断丝，或意外损坏，或测试结果出现异常时，可根据实际损伤、腐蚀状况及断丝情况适时调整和更换。

系杆可用前卡式千斤顶逐股松索后抽换；吊杆可从拱肋上垂下较强大的钢丝绳，将横梁一端兜底临时吊住，更换吊杆后拆除。

调整或更换前需经专题研究、专家论证后，制定方案，编写施工工艺，按有关规范和工艺施工。

吊杆（或系杆）及有关连接件或附件更换完毕后，应重新对它们作防腐处理，并应对吊杆（或系杆）拉力进行1次测量。

5.4系杆及防护板的养护维修

吊杆、系杆为钢管混凝土系杆拱桥的关键部件，为养护至重点。

特别是系杆，是钢管混凝土系杆拱桥的“生命之索”，钢筋锈蚀已成为影响结构使用寿命和安全的主要因素之一。

特别是目前设计中采用的高强度材料，桥梁设计时是在材料无缺陷前提下进行的设计，这些材料如果有0.02mm的压痕，即为材料缺口，局部缺口处应力将大大增加，0.05mm压痕为肉眼可见的腐蚀坑，就会大大影响结构的承载力。

因此，系杆要避免横向冲击，注意防水、防锈。

在钢管及防护罩内均应压注防锈油脂作防护。

发现系杆及防护板损坏应及时处理。

如发现油脂渗漏，应补注防锈油脂，并找出渗漏部位，加以堵塞。

对系杆锚头、锚板防护罩、滚珠轴承等应使其保持在完好状态。

混凝土防护板裂缝宽度超过0.2mm者应压浆修补。

5.5钢筋混凝土及预应力混凝土梁的养护

在检查中若发现混凝土有开裂现象，应注意观察其发展情况。

待稳定后，再根据开裂情况，进行修复。

如裂缝发展严重时，应查明原因，咨询专家、委托设计或科研单位，采取加固处理措施。

若发现混凝土有露筋、剥落等现象，应及时修补。

参考文献：

〔1〕      刘自明主编，桥梁工程检测手册，人民交通出版社，2002

〔2〕      范立础主编，桥梁工程，人民交通出版社，2002

〔3〕荆秀芬，陈开利，党志杰等，武汉市晴川桥养护维修管理手册．铁道部大桥工程局桥梁科学研究院,2002．