鋼拱橋拱肋加固設(shè)計(jì)

袁　帥　徐　俊　楊建喜

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系, 上海 200092)

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鋼拱橋拱肋加固設(shè)計(jì)

袁帥*徐俊楊建喜

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系, 上海 200092)

摘要浙江省寧波市靈橋是一座省級(jí)文物保護(hù)橋梁,自1936年建成至今已運(yùn)行70余年,已達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限并超期服役,近些年來(lái)經(jīng)歷多次船撞事故,通過(guò)對(duì)靈橋的檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)其很多構(gòu)件出現(xiàn)嚴(yán)重的開(kāi)裂、銹蝕等病害,拱肋偏斜程度也在逐年增加,為保護(hù)橋梁的文物價(jià)值和滿(mǎn)足交通需求,確定對(duì)靈橋進(jìn)行加固維修。通過(guò)對(duì)靈橋主要病害情況進(jìn)行分析,采用最大限度的保護(hù)橋梁文物價(jià)值并結(jié)合現(xiàn)行城市橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的設(shè)計(jì)原則,主要介紹靈橋拱肋部分的加固設(shè)計(jì),該橋拱肋構(gòu)造復(fù)雜,加固設(shè)計(jì)中主要采取拱肋箱體內(nèi)側(cè)貼板加固的方式,對(duì)類(lèi)似橋梁拱肋的加固設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞鋼結(jié)構(gòu)拱橋, 三鉸拱橋, 拱肋, 加固設(shè)計(jì)

Arch Rib Reinforcement Design of Steel Arch Bridges

YUAN Shuai*XU JunYANG Jianxi

(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

AbstractNingbo Ling Bridge, located in Ningbo City of Zhejiang province, is a provincial cultural relic conservation bridge. It has reached the design life after more than 70 years′ operation since 1936. In recent years, there were several vessel collision accidents occurring on the Ling Bridge. Through the detection of Ling Bridge, it was found that many of its components had serious diseases such as cracking, corrosion, and the arch rib deflection degree increased year by year as well. The Ling Bridge needed thorough reinforcement and repair. Based on the analysis of main disease, combining with the design principle of the current design load level of city bridges and protecting maximum cultural relic value, this paper mainly introduces the reinforcement design of arch ribs of the Ling Bridge. The main arch rib reinforcement adopts the reinforcement design of pasting board inside of the rib, which has some reference value to the similar bridge.

Keywordssteel arch bridge, three-hinged arch bridge, arch rib, reinforcement design

1總體概況

寧波市靈橋建于1936年,原名靈現(xiàn)橋、老江橋。該橋位于寧波市海曙區(qū)三江口上游的繁華地段,是寧波的城市象征之一,2005年被列為浙江省級(jí)文物保護(hù)建筑。

它是一座單跨中承式三鉸拱結(jié)構(gòu)鋼橋,靈橋現(xiàn)狀如圖1所示,跨長(zhǎng)為97.552 m,橋?qū)?5 m,主拱矢跨比為1/6.6,拱軸線(xiàn)為半徑86.349 m的圓弧線(xiàn)。拱肋截面采用箱形斷面,由頂板、腹板、中隔板和底板及相互間連接角鋼構(gòu)成。全橋共設(shè)12對(duì)吊桿,吊桿截面采用腹板兩側(cè)鉚接四塊角鋼成形的H形截面,兩端分別與拱肋和橫梁通過(guò)鉚釘連接。橋面板為正交異性鋼橋面板,縱橫梁均為倒T形截面,與鋼橋面板焊接共同承受橋面荷載。下部結(jié)構(gòu)采用空箱式橋臺(tái)和松木斜樁。

圖1　靈橋現(xiàn)狀外觀圖Fig.1　The outside view photo of Ling Bridge

靈橋在建成后不久即逢戰(zhàn)亂,在戰(zhàn)爭(zhēng)期間遭受多次轟炸,導(dǎo)致拱肋發(fā)生偏斜、橋頭空箱基礎(chǔ)被炸毀,在拱肋、吊桿和門(mén)架、風(fēng)撐以及縱橫梁上的彈痕隨處可見(jiàn)。新中國(guó)成立后,于1951年對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)中毀壞的構(gòu)件如拱肋腹板、吊桿、縱橫梁以及混凝土橋面和空箱橋臺(tái)進(jìn)行了修復(fù)。1986年,靈橋管理單位委托同濟(jì)大學(xué)對(duì)靈橋進(jìn)行了病害檢測(cè)及荷載試驗(yàn),檢測(cè)發(fā)現(xiàn)拱肋偏斜、基礎(chǔ)不均勻沉降等問(wèn)題。1994年,為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的交通量需求,將橋面新增托架拓寬以方便行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)輛的通行,將原混凝土橋面改為縱橫梁組成的正交異性鋼橋面板;拱腳處外包混凝土,保護(hù)拱腳處拱鉸不受江水侵蝕,并使其與拱肋共同受力。隨后在2000年、2006年和2008年對(duì)靈橋的檢測(cè)[1]發(fā)現(xiàn),近年來(lái)河流通航等級(jí)提升、橋下凈空不足、潮位變化頻繁等因素造成船撞事故頻繁發(fā)生,導(dǎo)致托架懸臂部分結(jié)構(gòu)損壞、1994年的正交異性鋼橋面板普遍開(kāi)裂,拱肋整體偏斜程度逐年增加。

2靈橋主要病害分析

2011年底,靈橋再次遭受船撞。隨后,寧波市有關(guān)單位委托同濟(jì)大學(xué)專(zhuān)家主要對(duì)靈橋的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)[2],包括上部結(jié)構(gòu)各種病害檢測(cè)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和桿件的超聲波探傷、拱肋空間形位測(cè)量、交通狀況調(diào)查等,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)靈橋的主要病害如下:

(1) 拱肋的病害主要為很多部位的涂裝也已失效,如圖2所示,主要表現(xiàn)為涂膜麻點(diǎn)、拱肋內(nèi)壁銹蝕以及縫隙腐蝕等。由于拱肋與橋面相接處密封措施失效,拱腳拱肋箱體中大量積水,導(dǎo)致拱肋箱壁嚴(yán)重銹蝕,根據(jù)超聲波測(cè)厚,拱腳拱肋的部分腹板壁厚已被銹蝕削弱1 mm。拱肋彈痕較多,且因?yàn)楸▽?dǎo)致拱肋出現(xiàn)目視可見(jiàn)的變形。此外,拱肋還存在鉚釘缺失與爛頭等病害。

圖2　拱肋內(nèi)部銹蝕圖Fig.2　Arch rib internal corrosion

(2) 吊桿的病害主要表現(xiàn)為構(gòu)件表面銹蝕以及在對(duì)吊桿進(jìn)行焊接施工時(shí)形成的焊縫病害。

(3) 縱橫梁的病害除原結(jié)構(gòu)的彈孔痕跡外,由于降低了橋下通航凈空,橫梁多次遭受船撞,進(jìn)而發(fā)生變形甚至撕裂。此外在橫梁與吊桿連接處發(fā)現(xiàn)了許多裂紋。

(4) 靈橋的橋面板最主要的病害是加勁肋開(kāi)裂以及橋面頂板開(kāi)裂。其中加勁肋開(kāi)裂表現(xiàn)為加勁肋與頂板焊縫開(kāi)裂、加勁肋由于焊縫缺陷而斷裂等,部分縱肋斷裂對(duì)橋面受力有較大影響,當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)可聽(tīng)見(jiàn)裂縫兩側(cè)鋼板撞擊聲。

根據(jù)以上病害情況確定該橋已不能滿(mǎn)足安全使用要求,需要對(duì)靈橋的拱肋、吊桿、橋面系縱橫梁等構(gòu)件進(jìn)行維修與加固。由于篇幅有限,本文主要對(duì)拱肋的維修加固設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

3拱肋概況

靈橋全橋共4片拱肋,每片拱肋由6個(gè)節(jié)段組成,如圖3所示,各節(jié)段在圖中節(jié)點(diǎn)處拼接而成。除拱腳節(jié)段1外,每個(gè)節(jié)段都與吊桿相連,見(jiàn)圖3中A8′~A13′,并在吊桿頂端設(shè)置一道橫隔板,具體見(jiàn)5.2節(jié)。除此之外,每節(jié)段內(nèi)G8′~G13′處還各設(shè)有一道橫隔板,以抵抗拱肋扭矩。

圖3　拱肋節(jié)段構(gòu)造圖Fig.3　Arch rib segment structure drawing

在橋面板縱橫梁以及加勁肋的加固改造設(shè)計(jì)中,將原來(lái)的開(kāi)口縱向加勁肋改為閉口的U形縱向加勁肋、加厚中間橋面板以及增設(shè)副橫梁等使橋面板的整體重量增加了近60%。對(duì)靈橋建立精確的力學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算(計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,其中老結(jié)構(gòu)與A3鋼材性能相似,容許應(yīng)力根據(jù)規(guī)范JTJ025-86[3]第1.2.15條算出1.25[σw]=1.25×145=181 MPa),得出在現(xiàn)行車(chē)道布置以及城-B級(jí)設(shè)計(jì)荷載作用下,靈橋拱肋的承載能力確實(shí)已經(jīng)不能滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力要求,必須予以加強(qiáng)。

表1城-B級(jí)設(shè)計(jì)荷載下未加固拱肋應(yīng)力

Table 1　The stress of old arch rib undercity level-B design load　MPa

基于城-B荷載[4]的設(shè)計(jì),兼顧保護(hù)橋梁文物價(jià)值,確定對(duì)拱肋采取內(nèi)部加貼鋼板和更換受損結(jié)構(gòu)的加固方式,新加固構(gòu)件的材料均為Q345qd鋼材。而因老結(jié)構(gòu)的材料是1936年的老鋼材,其硫、磷等元素的含量較高,倘若焊接會(huì)出現(xiàn)熱脆現(xiàn)象[5],所以老結(jié)構(gòu)與老結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)沿用鉚接,且新加固結(jié)構(gòu)與老結(jié)構(gòu)之間也必須用鉚接,新加固結(jié)構(gòu)之間則采用焊接以方便施工。

4拱肋第1節(jié)段加固設(shè)計(jì)

4.1　拱腳變截面部分

1994年加固的外包混凝土不僅由于自身開(kāi)裂而不能發(fā)揮其本來(lái)的性能,還阻礙積水流出,加劇拱肋銹蝕,必須將混凝土全部拆除。除此之外,拱肋第1節(jié)段為變截面結(jié)構(gòu),并且與下縱聯(lián)交叉相接。橋面系的下縱聯(lián)如圖3所示,是在主縱梁下方,連接端橫梁與鄰近兩橫梁的縱梁,為雙槽鋼截面,在拱腳變截面處將槽鋼腹板與拱肋腹板直接用鉚釘相接。老結(jié)構(gòu)拱肋第1節(jié)段立面圖如圖4所示,可以看出,原變截面段與下縱聯(lián)交接處下方的拱肋腹板內(nèi)外側(cè)各有一層加固鋼板,僅覆蓋拱腳末端,與端橫梁伸出的角鋼相連。

圖4　拱肋第1節(jié)段老結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Sketch of the first segment of the old arch rib

設(shè)計(jì)中,為了增大截面,更換原內(nèi)外貼板,保持外貼板16 mm、內(nèi)貼板14 mm厚度不變,將內(nèi)外貼板覆蓋整個(gè)第1節(jié)段。下縱聯(lián)的槽鋼腹板與內(nèi)貼板相鉚接,并將二者連接部分延伸至端橫梁處,如圖5所示,圖中陰影部分為新的貼板。

圖5　拱肋第1節(jié)段新加固結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Sketch of the first segment of the reinforcement arch rib

4.2　拱腳普通截面部分

拱肋第1節(jié)段普通截面部分原為頂板、底板及腹板只有一層鋼板的結(jié)構(gòu)如圖6所示,為增大截面尺寸,將內(nèi)外貼板均覆蓋整個(gè)節(jié)段,新貼板與原結(jié)構(gòu)之間的鉚接應(yīng)盡可能利用原有鉚釘孔。另外,普通段的拱肋內(nèi)部中隔板和底板及其貼板都銹蝕嚴(yán)重,均采用新鋼材替換,底板及其貼板尺寸不變,中隔板厚度不變僅因內(nèi)貼板存在而縮短。拱腳普通截面部分加固示意圖如圖7所示,深色區(qū)域?yàn)橘N板及加固鋼板件。

圖6　拱腳普通截面老結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　General section of the old first arch rib segment

圖7　拱腳普通截面新加固結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7　General section of the new first arch rib segment

4.3　節(jié)段拼接處

老結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)6的節(jié)段拼接處截面如圖7所示,在節(jié)段拼接處相較普通截面,在頂板內(nèi)外、腹板內(nèi)外和底板兩側(cè)各多加了一層鋼板,并布置一道橫隔板,與腹板內(nèi)貼鋼板、中隔板和底板分別通過(guò)角鋼鉚接。

圖8　節(jié)點(diǎn)6處截面老結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8　Old sketch of the section through Node 6

根據(jù)該部分受損情況,同時(shí)為了增大截面強(qiáng)度,將老結(jié)構(gòu)貼板全部更換。頂板上部加貼兩層16 mm鋼板,下部貼一層13 mm鋼板,腹板內(nèi)部和外部貼板采用覆蓋整個(gè)第1節(jié)段的內(nèi)部14 mm、外部16 mm厚度的鋼板。更換底板及底板下貼板,尺寸不變。由于橫隔板受損嚴(yán)重,更換所有橫隔板及連接角鋼,節(jié)段拼接處加固結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示,深色部分為新貼板及加固鋼板件。

圖9　節(jié)點(diǎn)6處截面新結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9　New sketch the section through Node 6

5拱肋其他節(jié)段加固設(shè)計(jì)

5.1　普通截面部分

老結(jié)構(gòu)拱肋其他節(jié)段的普通截面與拱肋第1節(jié)段的普通截面除底板下貼板的數(shù)量外均相同。由于三鉸拱橋兩個(gè)鉸之間拱肋應(yīng)力先增大后減小,拱肋第1節(jié)段普通截面的底板下只有一層貼板,而第3、第4節(jié)段為三層貼板,第2、第5節(jié)段兩層貼板,第6節(jié)段沒(méi)有貼板。因此取第3、第4節(jié)段為例,其老結(jié)構(gòu)截面如圖10所示。

圖10　拱肋普通段老結(jié)構(gòu)截面示意圖Fig.10　Old sketch of the general section of arch rib

設(shè)計(jì)中,為了盡量不改變拱肋老結(jié)構(gòu)的外觀,在拱肋上部加一道隔板,并用角鋼鉚接于腹板上,這樣只需在腹板處加少量鉚釘。更換老結(jié)構(gòu)中隔板,并且在其兩側(cè)腹板上各貼一層新鋼板,用角鋼鉚接在新中隔板上,以此來(lái)加固腹板中部。腹板底部各貼一塊新鋼板以補(bǔ)強(qiáng)加固,并將原底板及底板貼板全部更換為新結(jié)構(gòu),尺寸及各節(jié)段貼板數(shù)量不變。根據(jù)拱肋受力計(jì)算分析及鋼板的構(gòu)造設(shè)計(jì)[6],腹板上每塊貼板厚度均取為20 mm,其中腹板中部的貼板長(zhǎng)為300 mm。頂部隔板厚度取為30 mm,兩側(cè)角鋼為160 mm×160 mm×14 mm。中隔板保持原厚度10 mm,連接角鋼也保持原尺寸70 mm×70 mm×10 mm。新加固截面如圖11所示,其中深色區(qū)域?yàn)樗行录庸啼摪寮?/p>

圖11　拱肋普通段新加固截面示意圖Fig.11　New sketch of the general section of arch rib

5.2　拱肋與吊桿連接部分

拱肋與吊桿連接部分的構(gòu)造,在所有吊桿處基本相同,取第4節(jié)段拱肋與吊桿的交界處進(jìn)行分析,其老截面如圖12所示。老結(jié)構(gòu)的吊桿是在拱肋中隔板之下,用鉚釘將吊桿的翼緣鉚接在拱肋腹板上,拱肋在此處的中隔板上側(cè)有一層橫隔板,以避免此處因吊桿存在而造成的局部應(yīng)力過(guò)大[7]。拱肋頂板和腹板通過(guò)角鋼與橫隔板鉚接,橫隔板上預(yù)留人孔以方便施工。底板在吊桿處開(kāi)方形孔,其余尺寸均與普通截面相同。

圖12　拱肋與吊桿連接部分老結(jié)構(gòu)截面示意圖Fig.12　Old sketch of the section of arch riband hanger connection

為了進(jìn)一步增大截面,采用如圖13所示的加固方案,圖中深色部分為新加固或更換構(gòu)件。在腹板內(nèi)側(cè)加一層20 mm厚的內(nèi)貼板,延伸至吊桿頂端,因空間狹小,與吊桿翼緣及其內(nèi)側(cè)新加貼板一起熔透焊接[8]。更換中隔板及其下側(cè)角鋼、底板和底板下貼板,尺寸不變,在腹板與底板連接角鋼之上再貼一層角鋼以加強(qiáng)此吊桿孔處的底板連接強(qiáng)度。由于普通截面上部新加了一道隔板,將原中隔板上的橫隔板在此處截?cái)酁轫敯迮c上部隔板之間和上部隔板與中隔板之間兩部分,分別用角鋼鉚接在各個(gè)板件上。

圖13　拱肋與吊桿連接部分新加固截面示意圖Fig.13　New sketch of the section of arch riband hanger connection

5.3　拱肋節(jié)段內(nèi)橫隔板處

除節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6兩節(jié)段拼接處以及拱肋與吊桿連接的中隔板上部設(shè)有橫隔板外,拱肋的每一節(jié)段內(nèi)還各設(shè)有一道橫隔板,如圖3中的G8′~G13′位置。同樣各節(jié)段此處的截面除下貼板外均相同,下貼板也與普通截面的貼板分布相同。取節(jié)段4的G10′位置進(jìn)行研究,如圖14所示,老結(jié)構(gòu)普通截面部分的頂板、腹板、中隔板和底板通過(guò)角鋼與橫隔板鉚接在一起,角鋼規(guī)格為70 mm×70 mm×8 mm。

圖14　節(jié)段內(nèi)橫隔板處老結(jié)構(gòu)截面示意圖Fig.14　Sketch of the diaphragm section

對(duì)該處的加固如圖15所示,深色部分為新加固結(jié)構(gòu)。在腹板內(nèi)部新加一層20 mm貼板,更換橫隔板并去除上部隔板與頂板之間部分,通過(guò)角鋼鉚接在腹板內(nèi)貼板、上部隔板和底板上。更換中隔板并將中隔板在此橫隔板處截?cái)?用角鋼與橫隔板鉚接。此外,在新橫隔板上預(yù)留直徑190 mm的人孔以方便施工。

6驗(yàn)算結(jié)果

如表2所示,對(duì)加固后的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,得出在現(xiàn)行城-B級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下,拱肋最大工況下的應(yīng)力水平在規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力范圍之內(nèi)。

表2城-B級(jí)設(shè)計(jì)荷載下加固拱肋應(yīng)力

Table 2　The stress of new reinforcement arch ribunder city level-B design load　MPa

7結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)靈橋拱肋受損構(gòu)件的更換和貼板加固,增大了拱肋截面的尺寸和強(qiáng)度,使其能夠滿(mǎn)足規(guī)范的要求,達(dá)到了加固設(shè)計(jì)預(yù)期的目的。此外,本次對(duì)拱肋的加固設(shè)計(jì)秉承“修舊如舊”的理念,盡力不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的外觀,保存了靈橋的文物價(jià)值,使其能夠保持原有風(fēng)貌,繼續(xù)發(fā)揮其歷史文化功能。

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收稿日期：2015-04-23

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