钢管混凝土拱桥柔性吊杆破损研究

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1、钢管混凝土拱桥柔性吊杆破损研究张辉1曹锡2张海彦1（1．西安建筑科技大学土木工程学院西安市7100552.南通新华建筑集团有限公司北京分公司北京市100022）摘要：结合钢管混凝土拱桥吊杆的破损现状，通过对吊杆普遍存在的破损现状的分析，指出钢索破损、锚具破损、防护破损以及短吊杆的破损是吊杆破损的主要原因，并介绍了几种吊杆防护的新思路。关键词：钢管混凝土拱桥，吊杆，破损，防护0引言钢管混凝土拱桥最早应用于建筑工程。从1897年美国人JohnLally在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱（称为Lally柱）并获得专利算起，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已

2、有百年历史。1937年，前苏联首次将钢—混凝土组合结构运用到桥梁建设中，建成了101m跨度的钢管混凝土拱桥，此后该桥型得到了长足发展，70多年建设方兴未艾。钢管混凝土结构技术在我国的开发利用已有40年的历史，1966年首次被成功应用于北京地铁车站。1990年我国第一座钢管混凝土系杆拱桥四川旺仓东河大桥(图1)建成，钢管混凝土以其同时解决拱桥高强度材料应用和施工两大难题的优势，在系杆拱桥上得到了广泛应用。图1四川旺仓东河大桥总体布置图（单位cm）钢管混凝土拱桥由桥跨结构（上部结构）和墩台（下部结构）两大部分组成。上部结构主要由拱肋、吊杆（或立柱）、系杆（或系

3、梁）、行车道梁（板）及桥面系等组成。拱肋与系杆构成组合体系共同受力，桥面荷载由吊杆（立柱）传递给拱肋承担，系杆则承受平衡拱肋水平力的拉力。1吊杆破损的现状钢管混凝土拱桥吊杆的工作环境、受力状态与斜拉桥的斜拉索相近。由于近十几年来我国才大规模地发展中下承式钢管混凝土拱桥，对吊杆钢索破损的问题认识不足，未引起足够的重视，研究也较少。经过十几年的运营，吊杆存在的问题现在已经逐渐暴露了出来，有的已经达到了相当严重的程度。2001年11月7日凌晨，四川宜宾市金沙江南门大桥两端先后发生断裂（图2），两辆汽车坠入江中，导致一艘小船被毁，造成3人死亡、3人受伤的重大安全事

4、故，同时还导致宜宾市区南北公路交通和部分通讯中断。该桥全长384m，宽13m，为单孔跨径240m的钢筋混凝土中承式公路拱桥，桥面由17对吊杆凌空悬挂，于1990年6月竣工通车。此次事故是连接拱肋和桥面预制板的4对8根吊杆断裂，北端长约10m、南端长20余m的桥面预制斑发生坍塌。由图可见，坍塌部位位于端部最短的一对吊杆处。图2宜宾市金沙江南门大桥坍塌现场吊杆的损坏一般表现为钢索锈蚀、吊杆护套破损、钢索与下锚头连接处破损、下锚头锈蚀、短吊杆的破坏等几方面。2吊杆破损的原因分析2.1钢索破损的原因吊杆钢索破损的原因主要有：强度问题、疲劳问题、腐蚀问题。1.强度破

5、坏一般吊杆的安全系数取值都大于等于2.5，即吊杆承受的最大应力低于钢丝索标准强度的40%，所以吊杆由于强度不足而产生破坏的可能性较小。目前所出现的损坏吊杆均由于防护失效而导致锈蚀，使吊杆截面缩小而间接导致的强度破坏。2.疲劳破坏钢材在反复荷载的作用下，虽然应力还低于极限强度，甚至低于屈服点，也会发生破损，即疲劳破坏。在中下承式钢管混凝土拱桥吊杆的设计中，一般对强度问题比较重视，对吊杆的最大应力控制的比较好，但对与疲劳有关问题考虑较少，即便考虑也只是将应力幅控制在一定范围内，就认为吊杆钢索和锚头可以满足疲劳方面的要求。这种设计方法存在着一定的问题，诸如设计理

6、论的不完善、设计中对振动、冲击、弯曲附加应力等影响因素的忽略等，加之常规静力计算所得的应力幅均不大，所以设计中容易忽略了疲劳的验算。3.腐蚀破坏钢索腐蚀的原因主要是防护措施开裂失效，导致水、氧气及其它有害物质与钢索直接接触引起锈蚀。另外吊杆所处的大气环境、应力状态等对钢索的腐蚀也有影响。一般来说，吊杆的破坏是疲劳与腐蚀的共同作用引起的。交变的疲劳荷载降低了防腐措施的有效性，而腐蚀又直接削弱了吊杆的抗拉强度。2.2锚具破损的原因吊杆锚具的破损主要是疲劳和腐蚀引起的。吊杆的锚具主要有镦头锚、冷铸锚和夹片锚、现在成品索大多采用抗疲劳性能较好的镦头锚和冷铸锚。锚具

7、在工厂研制、开发和生产过程中，都进行抗疲劳的相关试验，在正常的工作条件下一般不会产生疲劳问题。但应注意的是，在吊杆设计中对影响吊杆及锚具疲劳寿命的因素要加以考虑，使吊杆和锚具处于正常的工作条件下。再有工厂的试验条件毕竟与现场有所不同，所以在施工前应对吊杆组件，包括钢索、锚具和防护，进行疲劳试验，确定吊杆组件的抗疲劳性能。这一点在《公路斜拉桥设计规范(试行)》(JTJ027-96)中对斜拉索有明确规定，当前虽然没有对拱桥吊杆明确规定，但也应参照斜拉索进行疲劳试验。锚具的腐蚀分外部腐蚀和内部腐蚀。如吊杆锚头外部几乎未进行有效防护，其锈蚀也是必然的。所以对不进行

8、封锚处理的锚具，应加防护罩或采取其它有效的措施防止锚具外部的锈蚀。