福州湾边大桥吊杆病害成因及处治方案分析

■赵素雅

（福州路港交通工程试验检测有限责任公司， 福州 350000）

下承式钢管混凝土拱桥是一种较为常见的桥型，具有造型美观、设计自由度大等优点，但该类桥型对吊杆、吊索的维养要求较高。 吊杆、吊索等索类构件作为下承式拱桥最重要的受力构件之一，其耐久性和安全性问题常被忽视[1]。 目前，吊杆、吊索的病害已成为钢管混凝土拱桥的主要病害形式。 比较常见的病害有锚固体系病害、防护措施病害、索体的病害以及索力不均等[2]。 因对吊杆耐久性认识不足，对其病害成因分析和处治不及时、不到位，而最终导致吊杆断裂引起的事故时有发生[3]，如南平市玉屏山大桥、江苏常州运河大桥、四川宜宾小南门桥、新疆孔雀河大桥等。

尽管国内外已有较多拱桥吊索病害成因分析的研究，但对于组合桥型的吊索病害成因分析研究仍然较少。 目前常见的拱桥吊索的平均更换年限在12 年左右[4-5]，主要更换原因是索体的锈蚀。然而，对于刚构-拱组合桥，受力由吊杆和梁共同承担，桥梁的受力更加复杂[6]，若是对这类组合桥型的吊索病害成因认识不充分，仅仅是参照拱桥吊索的更换原则，往往要付出更大的经济和社会代价。

本研究以福州湾边大桥主桥为依托， 以2019-2021 年期间的3 次吊杆专项检测数据为基础，结合实际受力情况，通过有限元数值模拟，计算分析吊杆的受力状况，对索力超设计值和不均现象的成因进行分析， 同时对现状桥梁结构安全进行验算，提出吊杆病害的处治方案，为同类型组合结构桥梁的病害处治提供借鉴。

1 桥梁概况

福州湾边大桥起于建新镇湾边，与湾边互通连接，终于京福国道主干线南屿枢纽互通，桥梁全长1 874 m。主桥布置一联（45+90+106+90+45）m，全长376 m 的单肋拱加劲V 型撑刚构－连续梁桥， 总体布置图见图1。主桥在顺桥向设置3 个单肋加劲拱，加劲拱中间大两边小。 拱肋线型均为二次抛物线设置，其中大拱矢跨比1/5，跨径88 m，小拱矢跨比1/6，跨径72 m。 加劲拱及吊杆横断面图见图2，吊杆按双排布置，吊杆的横向间距50 cm，吊杆的纵向间距8 m。小拱纵桥向每排设置7 根吊杆，大拱纵桥向每排设置9 根吊杆。

图1 主桥总体布置图

图2 主桥加劲拱及吊杆横断面图

2 吊杆病害检测

湾边大桥主桥在2019 年9 月和2021 年1 月、3 月进行了3 次吊杆专项检测。 检测内容包括外观检查和吊杆索力检测等，外观检测主要包括吊杆外观、吊杆锚头及拱肋线型检查等。

2.1 外观检查结果

从外观检查结果可知，各吊杆外套管总体情况较好，未见明显缺陷，但吊杆与横梁连接处的防水罩构件普遍存在锈蚀、渗水现象；全桥吊杆下锚头普遍存在锈蚀、渗水、黄油老化失效现象，部分锚头内部积水严重（图3）；上下游主桥拱肋线型及高程较对称，未见异常变形。

图3 吊杆下锚头检查照片

2.2 吊杆索力检测结果

2.2.1 2019 年9 月检测结果

索力检测是均在通车状态下采用频率法进行检测，检测结果见图4，其中仓山侧编号为K4，闽侯侧编号为K6，蓝色线条代表左吊杆，红色线条代表右吊杆，绿色代表平均值，紫色代表索力设计限值。从图4 可知：（1）共有4 处吊杆索力平均值超限，吊杆位置集中在靠拱脚处；（2）仓山侧拱肋的K4-1、K4-3、K4-7 号左右吊杆索力相差较大，相差最大值出现在K4-3 号吊杆，差值为361 kN；（3）主拱K5-3、K5-5、K5-9 号吊杆左右索力相差较大，相差最大值出现在K5-9 号吊杆，差值为228 kN；（4）闽侯侧拱肋的K6-1、K6-5、K6-6 号吊杆左右索力相差较大，相差最大值出现在K6-1 吊杆，差值为293 kN。

图4 2019 年9 月吊杆索力检测值分布曲线

2.2.2 2021 年1 月检测结果

索力检测是均在通车状态下采用频率法进行检测，检测结果见图5，从图5 可知：（1）共有5 处吊杆索力平均值超限， 吊杆位置仍集中在靠拱脚处，与第一次检测对比增加了K4-7 号吊杆；（2）仓山侧拱肋的K4-1、K4-3、K4-7 号吊杆左右索力差值较大，相差最大值仍为K4-3 号吊杆，差值为848 kN；（3）主拱K5-3、K5-4、K5-7、K5-9 号吊杆左右索力差值较大， 相差最大值仍为K5-9 号吊杆， 差值为396 kN；（4）闽侯侧拱肋的K6-1 号吊杆左右索力相差较大，差值为783 kN。

图5 2021 年1 月吊杆索力检测值分布曲线

2.2.3 2021 年3 月检测结果

索力检测是均在通车状态下采用频率法进行检测，检测结果见图6，从图6 可知：（1）共有3 处吊杆索力平均值超限；（2）仓山侧拱肋的K4-1、K4-7号吊杆左右索力相差较大，相差最大值出现在K4-7号吊杆，差值为768 kN；（3）主拱K5-3、K5-4 号吊杆左右索力相差较大， 相差最大值出现在K5-3 号吊杆，差值为306 kN；（4）闽侯侧拱肋的K6-1 号吊杆左右索力差值较大，差值为540 kN。

图6 2021 年3 月吊杆索力检测值分布曲线

2.2.4 历次检测吊杆索力对比分析

3 次吊杆专项检测的索力对比见图7， 由图7可知：（1）3 次检测的吊杆力分布曲线形状相似，显示“边吊杆索力大，中吊杆索力小”的特点，且边吊杆左右侧索力相差较大；（2）整体上2021 年1 月测量值大于2019 年9 月和2021 年3 月的测量值，差值为31～375 kN，最大偏差33.4%，偏差主要体现在边吊杆索力的检测值上， 以K4-1 最具有代表性；（3）拱肋跨中吊杆索力的3 次检测值较为接近。

图7 历次吊杆索力平均值对比

3 病害成因分析

3.1 有限元数值模型构建

为分析吊杆的索力，本研究采用Midas Civil 软件建立主桥数值模型进行分析。 根据湾边大桥竣工图及设计说明确定各构件的结构尺寸和材料属性；吊杆采用桁架单元模拟；基桩、承台、主墩、V 构、箱梁、拱肋采用梁单元模拟；3#、6# 号墩为连续墩，4#、5# 号墩为刚构墩，土－基桩间的相互作用按m 法考虑；根据桥梁运行的实际情况设置荷载工况。 根据上述假设建立有限元数值模型见图8。

图8 湾边大桥主桥有限元模型

3.2 不同工况组合下的吊杆索力分析

根据桥梁的实际受力情况，设置了不同的工况（荷载组合），其中：（1）组合1 指竣工时在恒载、预应力、收缩徐变作用下的标准组合吊杆力；（2）组合2指成桥12 年后，在恒载、预应力、收缩徐变作用下的标准组合吊杆力；（3）组合3 指在组合2 的基础上增加汽车、人群、温度、沉降等荷载作用；（4）组合4指成桥12 年的持久状况下承载能力极限状态基本组合。

按上述工况设置，有限元计算结果见图9，由图9 可知：（1）整体上，各吊杆索力实际检测值均大于12 年收缩徐变后各荷载组合下的吊杆力模拟计算值；（2）吊杆力检测值呈现边吊杆大，中吊杆小的特点，但模拟计算的吊杆索力值则较为平均，中吊杆索力仅略大于边吊杆；（3）各拱的中吊杆索力检测值与模拟计算值相差较小，吻合得较好，但边吊杆索力检测值与模拟计算值相差较大；（4）收缩徐变对吊杆索力影响较为显著，相比于组合1，组合2 在12 年的收缩徐变作用下吊杆力接近翻倍。

图9 各种荷载组合下模型吊杆索力对比

3.3 收缩徐变影响分析

V 型刚构-拱组合桥受力由吊杆和梁共同承担，运营阶段混凝土收缩徐变效应发生后，属于高次超静定的结构会发生内力重分布。 为了研究收缩徐变对吊杆力的影响，提取不同运营时间下K4-1、K4-4、K5-1、K5-5、K6-1、K6-4 吊杆索力模拟计算结果，见图10。 由图10 可知：（1）在成桥运营阶段，吊杆力随运营时间的增加都有不同程度的增加；（2）拱圈中靠近两侧拱脚的短吊杆索力增加显著，靠近拱圈跨中的吊杆索力增加则相对较小；（3）在成桥运营5 年中吊杆力增加较快，增加值达到总增加值的60%以上；后期吊杆力增加较缓慢，20～30 年期间的吊杆力增加值只占总增加值的9%左右；（4）边拱吊杆索力因收缩徐变增加214～250 kN，中拱吊杆索力增加322～341 kN，收缩徐变对中拱吊杆的影响大于对边拱吊杆的影响。

图10 吊杆力随时间变化曲线

3.4 测量方法的影响分析

频率法是成桥索力测量的主要方法，但现有的一些计算公式受有效长度、抗弯刚度、边界条件等因素的影响较大，尤其短吊杆在索力测试中则存在较大的误差。 文献资料显示[7]，采用频率法或者频差法测定吊杆索力，都高估了索力测试结果。 对于6～16 m 计算长度的吊杆，索力误差为偏大10%～32%，吊杆长度越短，误差越大。 这也能较好地解释湾边大桥吊杆检测结果中边吊杆索力大于中吊杆索力，边吊杆检测数值稳定性差且数值偏差较大等现象。为此，建议在吊杆施工过程中，根据索力张拉实测值测定频率法测量的误差系数，并用于运营期的索力测量修正，提高短吊杆的索力测量精度。 该桥由于缺少施工时的相关数据，故无法进行修正。

3.5 分析结论

（1）边吊杆索力存在异常，即使排除频率法的测量误差， 实际索力仍大于数值模拟分析数值，需进行更换， 并重新张拉至目前工况应有的拉力；中吊杆服役情况较好， 实际索力与计算值较为接近。（2）根据模型计算结果，边吊杆横梁上缘出现拉应力超限的情况， 但现场吊杆横梁尚未出现裂缝，建议予以补强。 （3）经验算，湾边大桥主桥上部结构整体仍处于安全状态。

4 病害处治方案分析

根据检测报告，结合病害成因分析，提出病害处治方案如下：（1）为解决索力超设计值和偏差较大的病害，同时考虑吊杆钢丝存在锈蚀或锚头存在渗水情况，且本桥已运营第13 年，从全寿命周期的经济性考虑，对全桥吊杆予以更换，考虑到桥梁结构复杂以及场地空间的限制的特点，建议在吊杆更换中采用应用相对较广的临时兜吊法。 （2）换吊杆前建议采用更为准确的油压触动法准确识别短吊杆索力；加强对桥面、主梁线形的监测；换吊杆时要精确测算吊杆的索力，并提取索力测算误差系数等相关数据，为后续索力测算提供基础；换吊杆后，要持续对吊杆的索力进行监测，并加强吊杆横梁的日常巡检，确保桥梁处在良好的工作状态。

5 结论

本研究结合福州湾边大桥3 次吊杆专项检测结果，对吊杆索力出现不均匀现象进行了研究与分析，通过研究可以得到以下结论：（1）收缩徐变对吊杆索力的影响较为显著， 在考虑12 年收缩徐变影响下，湾边大桥主桥的吊杆索力接近是成桥状态时吊杆索力的2 倍。 收缩徐变对短吊杆的影响大于长吊杆的影响。 （2）从湾边大桥的检测结果上看，短吊杆左右幅的索力呈现明显的不均匀性， 相互之间的差值较大，这是由于采用频率法进行测量后，计算吊杆索力公式受到结构抗弯刚度、边界条件、有效长度等因素的影响较大，所以产生较大的误差。（3）基于吊杆专项检测数据，结合有限元分析的方式可以更加充分地认识导致吊杆索力不均的原因，为吊杆的处治方案提供有力的数据支撑，具有指导性意义。