系桿鋼管拱橋橋面維修加固施工過(guò)程有限元分析

張 上,李鳳芹

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

1 概述

1.1 工程概況

天津開(kāi)發(fā)區(qū)彩虹大橋南起開(kāi)發(fā)區(qū)東海路,跨北塘河口,北接漢北路。1996年8月6日開(kāi)工,1998年10月31日竣工。橋梁全長(zhǎng)1.2 km,其中主橋長(zhǎng)504 m,寬29 m,為簡(jiǎn)支下承式柔性系桿剛性拱體系,共3孔,計(jì)算跨度160 m。公路等級(jí)為I級(jí)公路,雙向四車道,橋面總寬29 m；設(shè)計(jì)荷載為汽-超20,限載550 kN。大橋建成使用后成為塘沽和漢沽的主要聯(lián)系通道,并承載了大量的過(guò)境和疏港交通。如圖1所示。

圖1 主橋單孔全貌(單位：m)

通車12年來(lái),彩虹大橋超重車輛日益增多,車輛載重遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),車隊(duì)組成極不規(guī)范,對(duì)彩虹大橋安全造成了嚴(yán)重危害。2010年6月7日凌晨,主橋漢沽至塘沽方向車行道縱梁發(fā)生破壞,一片混凝土縱梁由于超重車輛碾壓而斷裂,并導(dǎo)致相鄰的兩片混凝土縱梁均有不同程度損壞。檢測(cè)單位提供的橋面系結(jié)構(gòu)檢測(cè)報(bào)告結(jié)論為：車行道縱梁存在嚴(yán)重的安全隱患。經(jīng)過(guò)對(duì)行車道縱梁部分更換為鋼筋混凝土縱梁及全部更換為結(jié)合梁2個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)比選,確定了車行道混凝土縱梁全部更換為結(jié)合梁的方案。

1.2 原結(jié)構(gòu)介紹

彩虹橋處于軟土地區(qū),地基承載能力較差,主橋采用與橋墩基礎(chǔ)承載能力相適應(yīng)的剛性拱、柔性系桿自平衡結(jié)構(gòu)體系,即在兩拱腳之間設(shè)置強(qiáng)大的系桿以平衡拱的水平推力,這樣該拱橋和簡(jiǎn)支梁橋一樣沒(méi)有水平推力。所以此橋式具有拱橋的較大跨越能力和簡(jiǎn)支梁橋?qū)Φ鼗皽囟攘m應(yīng)能力強(qiáng)的雙重特點(diǎn)。原彩虹橋主要結(jié)構(gòu)形式如下。

(1)拱肋：拱肋為啞鈴狀截面,在拱腳處為圓端形截面。鋼管和腹腔內(nèi)泵送C50 微膨脹混凝土。

(2)橫向聯(lián)結(jié)系：每孔系桿拱設(shè)8 道由橫斜撐組成的K形橫向連結(jié)系,在拱腳處設(shè)置連結(jié)兩拱腳的箱形截面鋼混凝土端橫梁。

(3)吊桿：每孔拱橋每片拱肋下設(shè)18根吊桿,吊桿間距8.3 m,每根吊桿鋼索由91根φ7 mm 鍍鋅低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成,安全系數(shù)3.5。

(4)系桿：每片拱肋在拱腳處共設(shè)8根高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線鋼索,每根鋼索由37根7φ5 mm鋼絞線組成,設(shè)計(jì)初張力34 145 kN,運(yùn)營(yíng)后系桿內(nèi)力32 698 kN,安全系數(shù)2.2。

(5)橋面系：橋面系采取懸浮體系,端部支承在橋墩支墩上,不與端橫梁連接。橋面系由預(yù)應(yīng)力混凝土中橫梁、鋼筋混凝土T形加勁縱梁和T形縱梁組成。中橫梁通過(guò)吊桿和拱肋連接。每2根中橫梁間設(shè)22片T 形縱梁和2片T形加勁縱梁。原橋面橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2 原橋面橫斷面(單位：cm)

2 施工順序及計(jì)算工況

新橋面采用結(jié)合梁方案,具有結(jié)構(gòu)自重輕、整體性能好、安裝架設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn),本次將行車道中1～中16混凝土T形縱梁全部更換為鋼縱梁,鋼縱梁上設(shè)18 cm厚鋼纖維混凝土橋面板,新橋面橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 新橋面橫斷面(單位：cm)

縱梁更換順序采用“6+4+6”的方案,即先更換3孔主橋范圍上游側(cè)中1～中6處的縱梁及橋面板,再更換下游側(cè)中11～中16處的縱梁及橋面板,最后更換中7～中10處的縱梁及橋面板。未施工部分作為小汽車通道繼續(xù)通行。

由于工期非常緊張,混凝土橋面板所需要的施工工期較長(zhǎng),為了滿足工期要求,在上游側(cè)6片梁頂部的橋面混凝土分為5段3次施工完成后,下游側(cè)6片梁和中間4片梁橋面混凝土擬采用分3段2次施工,施工順序示意見(jiàn)圖4。由于是非對(duì)稱施工,在拆除一側(cè)縱梁及橋面板時(shí),施工側(cè)橋面恒載減少,而非施工側(cè)則作為小汽車通道仍有活載作用,造成兩側(cè)拱肋變形不協(xié)調(diào)。為控制結(jié)構(gòu)的不協(xié)調(diào)變形,保證結(jié)構(gòu)安全并為施工監(jiān)控提供數(shù)據(jù)參考,對(duì)一跨168 m拱進(jìn)行了整體檢算,每個(gè)施工階段考慮恒載、恒載+活載2種工況。

圖4 上下游側(cè)施工順序示意

上游側(cè)檢算分以下5個(gè)階段。

階段1：上游側(cè)跨中第10孔拆除6道混凝土縱梁和其上的橋面板,并安裝了4片鋼縱梁。

階段2：上游側(cè)第8孔～第12孔拆除6道混凝土縱梁和其上的橋面板,兩側(cè)各剩最后一個(gè)吊裝節(jié)段的鋼縱梁未安裝,新的混凝土橋面板尚未灌注。

階段3：上游側(cè)第4孔～第16孔拆除6道混凝土縱梁和其上的橋面板,兩側(cè)各剩最后一個(gè)吊裝節(jié)段的鋼縱梁未安裝,跨中已經(jīng)灌注33.2 m的混凝土橋面板。

階段4：上游側(cè)的6道縱梁及其上的橋面板已經(jīng)全部拆除,兩側(cè)各剩最后一個(gè)吊裝節(jié)段的鋼縱梁未安裝,跨中已灌注99.6 m的混凝土橋面板。

階段5：上游側(cè)靠拱肋位置的6道縱梁已經(jīng)全部更換完畢,并且新更換的鋼縱梁部位已全部灌注混凝土橋面板,瀝青鋪裝也已施工完畢。

下游側(cè)檢算分以下3個(gè)階段。

階段1：下游跨中7個(gè)節(jié)間已經(jīng)拆除了6道混凝土縱梁及橋面板,兩側(cè)各剩最后一個(gè)吊裝節(jié)段的鋼縱梁未安裝,新的混凝土橋面板尚未灌注。

階段2：下游側(cè)繼續(xù)向兩側(cè)拆除6道混凝土縱梁和其上的橋面板,兩側(cè)各剩最后一個(gè)吊裝節(jié)段的鋼縱梁未安裝,跨中已經(jīng)灌注54 m的混凝土橋面板。

階段3：下游側(cè)中11～中16共6道縱梁及其上的橋面板已經(jīng)全部更換完畢,并且新更換的鋼縱梁部位已全部灌注混凝土橋面板,瀝青鋪裝也已施工完畢。

3 上游側(cè)施工過(guò)程靜力計(jì)算

采用Midas程序?qū)χ鳂蚴┕み^(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 橋梁空間結(jié)構(gòu)離散圖

模型中節(jié)點(diǎn)總數(shù)2 658個(gè),桿單元總數(shù)38個(gè),梁?jiǎn)卧倲?shù)2 590個(gè),板單元總數(shù)1 156個(gè)。模型建立時(shí),拱肋、縱梁、橫梁等均離散為梁?jiǎn)卧?其中拱肋鋼與混凝土組合截面采用雙單元共用節(jié)點(diǎn)；現(xiàn)澆結(jié)合梁橋面板及橫梁頂部的整體化層離散為板單元；系桿和吊桿離散為桿單元。

3.1 活動(dòng)端拱腳縱向位移變化值

彩虹橋拱腳間采用強(qiáng)大的端橫梁連接,端橫梁采用組合梁結(jié)構(gòu),即型鋼包裹混凝土。當(dāng)更換縱梁時(shí),施工側(cè)和非施工側(cè)荷載的不協(xié)調(diào)會(huì)造成活動(dòng)端拱腳的相對(duì)位移,從而使端橫梁產(chǎn)生變形。如果相對(duì)位移過(guò)大,端橫梁則可能出現(xiàn)裂縫,端橫梁與拱腳的焊接接頭也可能發(fā)生破壞。綜合1998年施工時(shí)的控制數(shù)據(jù),本次采用20 mm為拱腳相對(duì)位移限值,恒載作用下活動(dòng)端拱腳相對(duì)縱向位移見(jiàn)表1。

表1 恒載狀態(tài)下活動(dòng)段拱腳相對(duì)位移 mm

注：拱腳縱向位移以向拱外側(cè)移動(dòng)為正,向拱內(nèi)側(cè)移動(dòng)為負(fù),下同。

由表1可知,當(dāng)施工側(cè)橋面自重減小時(shí),兩側(cè)拱腳均向內(nèi)移動(dòng),但換梁側(cè)拱腳位移大,造成兩拱腳間的相對(duì)位移。在第三階段,更換縱梁較多,而新橋面板僅灌注了跨中4孔,橋面自重變化最大,拱腳相對(duì)位移最大值發(fā)生在此階段,達(dá)到了9.8 mm。對(duì)于階段4,橋面自重變化也較大,但由于此階段自重變化部位靠近拱腳,對(duì)拱腳位移影響較小。

當(dāng)非施工側(cè)作用滿布兩車道汽車荷載(2 kN/m2)及行人荷載(1 kN/m2)時(shí),兩拱腳相對(duì)位移依然是在第三階段達(dá)到最大,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 恒載+活載狀態(tài)下活動(dòng)端拱腳相對(duì)位移 mm

由表2可知,當(dāng)非施工側(cè)有滿布活載作用時(shí),拱腳位移絕對(duì)值減少,但兩拱腳相對(duì)位移增大,達(dá)到17.3 mm,沒(méi)有超過(guò)限值。值得注意的是,由于拱肋的相對(duì)變形,端橫梁還受到一個(gè)扭矩,最大值為867 kN/m,但端橫梁截面較大(2.5 m×2.2 m),且為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu),此扭矩對(duì)端橫梁影響較小。

3.2 吊桿內(nèi)力變化值

吊桿由固定端拱腳至活動(dòng)端拱腳依次命名為吊1～吊18。恒載狀態(tài)下各階段吊桿內(nèi)力變化見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn),當(dāng)施工側(cè)橋面自重減輕時(shí),兩側(cè)的吊桿內(nèi)力均減小,但施工側(cè)內(nèi)力減小值遠(yuǎn)大于非施工側(cè)。橋面荷載減少位置的吊桿內(nèi)力變化顯著,吊桿內(nèi)力最大變化值為296 kN,占吊桿內(nèi)力總值的19%,考慮到吊桿有較大的安全儲(chǔ)備,施工過(guò)程中吊桿內(nèi)力變化在安全范圍內(nèi)。同拱腳位移一樣,吊桿內(nèi)力最大變化值也發(fā)生在第三階段,則第三階段在恒載+滿布活載工況下,吊桿內(nèi)力變化值見(jiàn)表4。

表3 恒載狀態(tài)下吊桿內(nèi)力變化值 kN

注：內(nèi)力及應(yīng)力以受拉為正,受壓為負(fù),下同。

表4 階段3恒載+活載工況下吊桿內(nèi)力變化值 kN

由表4可知,當(dāng)非施工側(cè)滿布活載時(shí),非施工側(cè)吊桿內(nèi)力較恒載工況下增大較多,施工側(cè)也有所增大,但不明顯,這是因?yàn)榛钶d加載在下游側(cè)中11～中16縱梁及非機(jī)動(dòng)車道和人行道,距施工側(cè)拱肋較遠(yuǎn)。

3.3 拱肋豎向位移變化值

吊桿吊1～吊18對(duì)應(yīng)的拱肋上的點(diǎn)依次命名為A1～A18。恒載狀態(tài)下拱肋位移變化值見(jiàn)表5。

由表5可知,拱肋豎向位移最大值并沒(méi)有發(fā)生在橋面自重變化最大的第三階段,而是發(fā)生在更換跨中5孔縱梁的第二階段。這是因?yàn)閷?duì)于橋面自重變化引起的拱肋豎向變形,拱頂位置比其他位置敏感,第二階段恰好是更換拱頂位置下的5孔縱梁及橋面板。恒載+活載狀態(tài)下,拱肋位移仍在安全范圍內(nèi),不再贅述。

表5 恒載狀態(tài)下拱肋豎向位移 mm

注：拱肋豎向位移以向上為正,向下為負(fù)。

3.4 系桿內(nèi)力及端橫梁和拱肋應(yīng)力變化值

恒載及恒載+活載狀態(tài)下內(nèi)力及應(yīng)力值見(jiàn)表6、表7。

表6 恒載狀態(tài)下系桿內(nèi)力及端橫梁和拱肋應(yīng)力變化值

表7 恒載+活載狀態(tài)下系桿內(nèi)力及端橫梁和拱肋應(yīng)力變化值

在恒載狀態(tài)下,系桿內(nèi)力變化最大值為1 635 kN,約為總內(nèi)力值的5%,作用活載后,系桿內(nèi)力變化幅度有所減小。而拱肋應(yīng)力和端橫梁應(yīng)力變化幅度也均在10%以內(nèi),均在安全范圍內(nèi)。

綜上,恒載工況下,階段3橋面系縱梁更換的較多,而橋面混凝土僅灌注4孔,橋面自重變化最大,吊桿內(nèi)力、系桿內(nèi)力及拱腳活動(dòng)支座位移和端橫梁應(yīng)力變化最大值均發(fā)生在本階段,階段2跨中5孔縱梁大部分更換,橋面混凝土尚未灌注,拱肋應(yīng)力和位移變化最大值發(fā)生在階段2。恒載+活載工況下,非施工側(cè)滿布活載, 所以非施工側(cè)的吊桿內(nèi)力及系桿內(nèi)力均有所增大,與換梁前相比,分別增加了11%和2%。由于活載布置距離換梁側(cè)拱肋較遠(yuǎn),對(duì)換梁側(cè)拱肋應(yīng)力和變形的影響不大,但換梁側(cè)橋面自重減小的最多,而非施工側(cè)橋面活載增加的最多,2片拱肋的變形不協(xié)調(diào)性也最大,活動(dòng)支座最大縱向位移差達(dá)到17.3 mm。

4 下游側(cè)施工過(guò)程靜力計(jì)算

由于施工工期非常緊張,將下游側(cè)橋面板混凝土灌注由分5段3次灌注完成,縱向分段長(zhǎng)度(34.2+3×33.2+34.2)m,調(diào)整為分3段2次灌注完成,縱向分段長(zhǎng)度(57.0+54.0+57.0)m。恒載狀態(tài)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 恒載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)各項(xiàng)數(shù)據(jù)

由表8可見(jiàn),橋面板分2次灌注相對(duì)于分3次灌注的施工方案,由于橋面恒載減少的較多,上、下游拱肋的豎向相對(duì)位移和拱腳活動(dòng)支座縱向相對(duì)位移均有所增加,下游施工側(cè)拱肋吊桿內(nèi)力也有所減小,但與上游側(cè)施工時(shí)變化數(shù)據(jù)相比,差距不大。

恒載+活載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 恒載+活載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)各項(xiàng)數(shù)據(jù)

在恒載+活載狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化較大,這主要是由于活載加載位置及加載范圍的變化引起的。在施工上游側(cè)橋面時(shí),下游側(cè)中11～中16位置(約6 m寬)作用兩車道小汽車荷載,非機(jī)動(dòng)車道(3 m寬)和人行道(1.25 m寬)作用人群荷載；而施工下游側(cè)橋面時(shí),中1～中3位置(約3 m寬)作用一車道小汽車荷載,非機(jī)動(dòng)車道(3 m寬)作用一車道小汽車荷載,人行道(1.25 m寬)作用人群荷載。非施工側(cè)系桿內(nèi)力和拱腳位移較上游側(cè)施工時(shí)變化很大,則是工況不同引起的,這兩項(xiàng)數(shù)值在上游側(cè)施工時(shí)在第4階段達(dá)到最大變化值,這時(shí)施工位置靠近拱腳,恒載減少對(duì)拱的影響有限,活載作用更加明顯。

5 結(jié)論

主橋整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析結(jié)果表明,無(wú)論橋面混凝土分3次灌注還是2次灌注,主橋結(jié)構(gòu)受力安全,施工方案可行。但是分2次灌注時(shí)橋面板長(zhǎng)度較長(zhǎng),混凝土收縮可能對(duì)橋面板受力產(chǎn)生不利影響,因而采取了增強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、增加混凝土鋼纖維用量等措施。對(duì)于最后施工的中7～中10縱梁,處于橋梁中心位置,橋梁不存在偏載問(wèn)題,且橋面恒載減小少,不再計(jì)算。

由于施工時(shí)橋上荷載變化較大,不易確定,所以采用的均是最不利加載方式,即施工側(cè)僅考慮了吊車荷載,其他施工機(jī)具及荷載均未考慮,而非施工側(cè)活載則是將汽車荷載和行人荷載同時(shí)滿布,這種工況在實(shí)際中發(fā)生的可能性極小,因而橋梁實(shí)際變形及應(yīng)力均應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果?，F(xiàn)在彩虹橋施工已經(jīng)完成,從檢測(cè)單位反饋的檢測(cè)結(jié)果看,各項(xiàng)數(shù)據(jù)均小于計(jì)算結(jié)果,與假設(shè)情況相同,結(jié)構(gòu)受力安全可靠。

[1] 周四思.天津開(kāi)發(fā)區(qū)彩虹大橋設(shè)計(jì)[C]∥中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)橋梁委員會(huì)論文集.1997：176-185.

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