某雙層橋面連續(xù)剛桁橋維修加固關(guān)鍵技術(shù)研究

黃敏新 張其忠

摘要：文章對(duì)某雙層橋面連續(xù)剛桁橋維修加固中的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了研究，建立全橋有限元模型并利用橋梁檢測(cè)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了修正，根據(jù)整體分析結(jié)果，針對(duì)損傷較嚴(yán)重部分承載能力不足的問(wèn)題，提出了采用臨時(shí)斜拉體系對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載的方案;將整體分析的內(nèi)力作為細(xì)部分析的邊界條件，對(duì)受力復(fù)雜的三角區(qū)進(jìn)行了分析;根據(jù)整體和細(xì)部分析結(jié)果提出了相應(yīng)的加固方案，并通過(guò)實(shí)際工程加固監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了理論方法和加固方案的正確性。

關(guān)鍵詞：舊橋加固;斜拉體系;細(xì)部分析

This article studies the key technologies in the repair and reinforcement of a doubledeck continuous rigid truss bridge：establishes the finite element model of the full bridge and uses the bridge test results to correct the model.According to the overall analysis results，regarding the problem of insufficient bearing capacity at seriously damaged parts，and proposes the structure unloading plan by temporary cablestayed system;it uses the internal force of overall analysis as the boundary condition of detailed analysis to analyze the triangular area with complex forces;according to the overall and detailed analysis results，it proposes the corresponding reinforcement scheme and verifies the correctness of theoretical method and reinforcement scheme through actual engineering reinforcement monitoring results

Old bridge reinforcement;Cablestayed system;Detail analysis

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，橋梁建設(shè)在過(guò)去20年達(dá)到了高峰。隨著服役期的延長(zhǎng)以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境的影響（超載、缺少及時(shí)維護(hù)等），越來(lái)越多的橋梁出現(xiàn)了承載能力不足的問(wèn)題，有的甚至出現(xiàn)垮塌事故[1]。將這些舊橋拆除重建顯然是不明智的選擇，因?yàn)樾陆ú坏韬馁M(fèi)更大的資金，而且周期更長(zhǎng)，往往需要長(zhǎng)時(shí)間中斷交通。因此，通過(guò)對(duì)舊橋進(jìn)行適當(dāng)加固，充分利用已有的承載力，是各國(guó)普遍采用的方式[2]。舊橋加固技術(shù)始于20世紀(jì)70年代的歐美各國(guó)，后來(lái)在日本逐漸得到興起。隨著我國(guó)的橋梁事業(yè)的發(fā)展，舊橋加固技術(shù)得到了越來(lái)越多的重視，已逐漸成為研究的熱點(diǎn)[3-5]。由于我國(guó)舊橋加固技術(shù)起步較晚，很多橋型缺少加固經(jīng)驗(yàn)[6]，特別是雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋加固技術(shù)更為缺乏。

本文依托背景工程，對(duì)某雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋加固中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，以期為該類(lèi)橋型加固技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)我國(guó)舊橋加固技術(shù)的提高。

1 理論分析

1.1 工程概況

巒城大橋位于廣西壯族自治區(qū)南寧市橫縣巒城鎮(zhèn)，跨越郁江，大橋建成于1995年7月。主橋上部結(jié)構(gòu)為雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁結(jié)構(gòu)，中跨跨中設(shè)置擺柱鉸，跨徑為60 m+3×100 m+60 m。橋面橫向全寬采用兩縱向桁片支承聯(lián)接，其高度為6.35 m。兩縱向桁片通過(guò)橫向安裝行車(chē)道、人行道板、橫向橋面鋼筋網(wǎng)，與施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋連成整體。上弦桿為U形斷面，下弦桿為帶缺口的矩形斷面。該橋結(jié)構(gòu)輕巧獨(dú)特，具有雙層橋面、大跨徑、桁式預(yù)應(yīng)力混凝土等特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)其在此類(lèi)橋型中被譽(yù)為“亞洲第一長(zhǎng)橋”。

該橋已經(jīng)安全運(yùn)行了20多年，由于超載大車(chē)頻繁通過(guò)，使得該橋長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)行中，造成該橋梁病害發(fā)展迅速。加固前橋梁上部結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫，部分豎桿出現(xiàn)了承載能力不足的現(xiàn)象。在3#墩南寧側(cè)病害尤其集中（如圖1所示）：三角區(qū)開(kāi)裂嚴(yán)重;下弦桿與拱下弦桿交接面開(kāi)裂貫通，裂縫寬度達(dá)50 mm;交接處短柱出現(xiàn)全截面開(kāi)裂，裂縫寬度達(dá)15 mm，結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞;交接處附近短柱底發(fā)生破壞，出現(xiàn)桿件失穩(wěn)傾向。裂縫集中于該處的主要原因是施工質(zhì)量的影響，使得原本設(shè)計(jì)連續(xù)的3#跨跨中不得不設(shè)置剪力擺柱，以此來(lái)平衡跨中兩側(cè)的剪力差。

該橋于2015年和2016年分別被評(píng)為3類(lèi)和4類(lèi)橋梁，在維修加固前的最后一次檢測(cè)中技術(shù)狀況等級(jí)為5類(lèi)，已經(jīng)不能正常使用。相比較于新建，加固該橋具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不但能充分利用原有結(jié)構(gòu)，大大減少資金投入，還能大幅縮短工期，使橋梁更快地投入使用。

1.2 結(jié)構(gòu)整體分析

為了解結(jié)構(gòu)加固前的受力狀況，建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型（如圖2所示）。模型采用梁?jiǎn)卧傆?jì)1 109個(gè)單元，780個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果，采用剛度折減的方式對(duì)結(jié)構(gòu)損傷部位進(jìn)行模型修正，具體修正如下：

（1）將1#位置處拱下弦桿與下弦桿的縱橋向連接剛度修正為300 kN/mm。

（2）2#位置處拱上豎桿的頂部、底部均修正為鉸接。

（3）3#位置處拱上豎桿底部修正為鉸接。

3#墩拱上豎桿在不同工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出在自重作用下，3#墩拱上豎桿的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均超過(guò)應(yīng)力限值，在拆除上下層橋面鋪裝、行車(chē)道板、人行道板等結(jié)構(gòu)自重后，應(yīng)力值有一定減小，但是最大拉應(yīng)力還是超過(guò)了限值。同時(shí)，在更換第3跨跨中擺柱時(shí)，由于結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，該處的應(yīng)力值將會(huì)更大。因此，加固時(shí)需要對(duì)該處承重結(jié)構(gòu)采取特殊處理才能確保施工安全和達(dá)到預(yù)期的加固效果，具體的處理措施將在第二部分中詳細(xì)闡述。

1.3 三角區(qū)細(xì)部分析

由于三角區(qū)位于拱下弦桿與下弦桿交接面處，該處為楔形實(shí)體區(qū)域，受力較復(fù)雜。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域普遍存在裂縫，最大縫寬達(dá)5.6 cm。因此，對(duì)該處進(jìn)行細(xì)部分析很有必要。本次三角區(qū)擬采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板法進(jìn)行加固，基于Ansys軟件建立該區(qū)域的實(shí)體有限元模型（如圖3所示）。外包混凝土澆筑前用裂縫補(bǔ)強(qiáng)材料進(jìn)行灌縫補(bǔ)強(qiáng)，交接面5 cm厚材料的彈性模量偏于安全僅考慮0.01。

模型中采用單元如下：原混凝土結(jié)構(gòu)采用Solid45單元;預(yù)應(yīng)力鋼束和精軋螺紋鋼采用Link10單元;外包混凝土采用Solid65單元;豎桿、斜桿外包鋼板和三角區(qū)外包鋼板采用Shell63單元。共16 728個(gè)Solid45單元，830個(gè)Link10單元，4 056個(gè)Shell63單元，8 716個(gè)Solid65單元，29 729個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在邊界上施加整體分析時(shí)的內(nèi)力，就可以得到三角區(qū)的應(yīng)力。恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下外包混凝土和鋼板應(yīng)力分別如圖4～6所示。由圖4～6可知：（1）外包混凝土主拉應(yīng)力最大值為4.10 MPa，發(fā)生在三角區(qū)尾部外包混凝土與豎桿相接處;（2）外包混凝土主壓應(yīng)力最大值為-12.6 MPa，發(fā)生在三角區(qū)后端外包混凝土與拱下弦桿相接處，主壓應(yīng)力最大值小于C50軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值-32.4 MPa;（3）加固鋼板von mises應(yīng)力最大值為111 MPa，小于Q345B設(shè)計(jì)強(qiáng)度310 MPa。

通過(guò)三角區(qū)細(xì)部分析結(jié)果可以看出外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板加固方法可以有效地減小三角區(qū)的應(yīng)力，滿(mǎn)足加固要求。

2 加固方案和步驟

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體分析和細(xì)部分析結(jié)果，并結(jié)合檢測(cè)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，確定維修加固內(nèi)容主要包括豎桿斜桿加固、三角區(qū)加固、上層行車(chē)道預(yù)制空心板更換、下層人行道預(yù)制槽板更換等。加固前需將原桁架桿件內(nèi)力及變形調(diào)整至一個(gè)相對(duì)較小的狀態(tài)，以使加固后的結(jié)構(gòu)能夠充分參與受力，達(dá)到較好的維修加固效果。本次加固采用拆除所有行車(chē)道板和人行道板減小結(jié)構(gòu)自重，使主要承重構(gòu)件變形達(dá)到釋放的辦法。

由于3#墩南寧側(cè)三角區(qū)損傷嚴(yán)重，拱下弦桿與下弦桿的連接受到嚴(yán)重削弱，為避免解除3#跨中擺柱后剛桁懸臂端嚴(yán)重下?lián)系膯?wèn)題，本次加固提出在3#墩處設(shè)置臨時(shí)斜拉體系（如圖7所示），采用斜拉索對(duì)3#墩兩側(cè)桁架施加拉力，使該處三角區(qū)應(yīng)力及拱下弦桿變形得到一定程度的釋放。加固完畢后拆除斜拉索和斜拉塔，將力重新轉(zhuǎn)化到結(jié)構(gòu)上。

具體加固步驟如下：

步驟一：

（1）鑿除主橋上、下層橋面鋪裝。

（2）拆除上層行車(chē)道預(yù)制空心板，拆除下層行車(chē)道預(yù)制槽板。

步驟二：

（1）主橋裂縫及缺陷病害修補(bǔ)。

（2）粘貼鋼板加固1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)跨斜桿。

（3）采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板加固1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)跨下弦桿與拱下弦桿交接處三角區(qū)。

（4）安裝上層行車(chē)道預(yù)制空心板和下層人行道槽板。

步驟三：

（1）在3號(hào)墩頂安裝臨時(shí)索塔，在下弦桿上安裝斜拉索下錨點(diǎn)。

（2）安裝斜拉索S1，第一次同步、對(duì)稱(chēng)張拉斜拉索S1，斜拉索S1張拉至250 kN。

（3）安裝斜拉索S2，第一次同步、對(duì)稱(chēng)張拉斜拉索S2，斜拉索S2張拉至100 kN。

（4）解除3號(hào)跨中擺柱。

（5）第二次同步、對(duì)稱(chēng)張拉斜拉索S2，每根斜拉索S2索力張拉至248 kN。

（6）第二次同步、對(duì)稱(chēng)張拉斜拉索S1，每根斜拉索S1索力張拉至440 kN。

（7）第三次同步、對(duì)稱(chēng)張拉斜拉索S2，每根斜拉索S2索力張拉至492 kN。

步驟四：

（1）采用粘貼鋼板法加固主橋桁片需要加固的斜桿和豎桿。

[KG2]

（2）采用增大截面法結(jié)合粘貼鋼板法加固各跨下弦桿與拱下弦桿交接處三角區(qū)。

（3）采用增大截面法結(jié)合粘貼鋼板法加固3號(hào)跨南寧側(cè)拱上豎桿。

步驟五：

（1）各三角區(qū)和3號(hào)跨南寧側(cè)拱上豎桿加固混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分級(jí)放松斜拉索：

①第一次同步、對(duì)稱(chēng)放松斜拉索S2，每根斜拉索S2索力放松至242 kN;

②第一次同步、對(duì)稱(chēng)放松斜拉索S1，每根斜拉索S1索力放松至240 kN;

③第二次同步、對(duì)稱(chēng)放松4根斜拉索S2，每根斜拉索S2索力放松至0;

④第二次同步、對(duì)稱(chēng)放松4根斜拉索S1，每根斜拉索S1索力放松至0。

（2）拆除臨時(shí)索塔、斜拉索、下錨點(diǎn)。

（3）安裝3號(hào)跨中擺柱：

①測(cè)量3號(hào)跨跨中擺柱位置的擺柱長(zhǎng)度、方向、尺寸，測(cè)量時(shí)間≥10 d，每天0時(shí)、2時(shí)、4時(shí)各測(cè)量1次。并記錄每次測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度和天氣情況。

②根據(jù)環(huán)境溫度實(shí)測(cè)值，選擇適中的溫度作為擺柱安裝溫度。

③擺柱就位后，張拉擺柱鋼束，做好鋼束及其他鋼材料的防腐處理，完成擺柱安裝。

步驟六：

（1）上層行車(chē)道防撞墻迎撞面改造、下層人行道欄桿施工。

（2）上層行車(chē)道橋面鋪裝、下層人行道橋面鋪裝施工。

（3）成橋質(zhì)量驗(yàn)收檢測(cè)合格后開(kāi)放交通。

3 工程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文理論方法的正確性和加固方案的可行性，將本文提出的加固方案運(yùn)用于巒城大橋加固中，并對(duì)加固過(guò)程中不同施工階段下結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于監(jiān)控工況和數(shù)量較多，本文僅對(duì)部分重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行列舉。

3.1 變形對(duì)比

在加固施工中，3#墩南寧側(cè)變形在合理范圍內(nèi)是加固成功的關(guān)鍵之一。擺柱測(cè)點(diǎn)在各加固步驟下的豎向變形如下頁(yè)表2和圖8所示。

通過(guò)表2和圖8可以看出：擺柱測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)變形值與理論變形值變化趨勢(shì)基本一致，表明在各加固步驟下結(jié)構(gòu)的變形正常，滿(mǎn)足加固要求;實(shí)測(cè)變形小于理論變形，表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于理論計(jì)算的剛度;步驟三中由于斜拉索對(duì)結(jié)構(gòu)有卸載作用，使得測(cè)點(diǎn)變形向上，而在步驟五中斜拉索卸力后變形恢復(fù)，說(shuō)明采用臨時(shí)斜拉體系對(duì)結(jié)構(gòu)加固過(guò)程中的變形控制效果較好。

3.2 應(yīng)變結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選擇受力較大構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的條件，全橋共布置15個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面，共88個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中3#墩南寧側(cè)三角區(qū)和拱上豎桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在不同工況下的應(yīng)變值如圖9和圖10所示。

通過(guò)圖9和圖10可以看出：（1）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果均十分接近，且各應(yīng)力值均在安全范圍內(nèi)，表明整個(gè)加固過(guò)程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)與加固預(yù)期一致，加固方案是安全可行的;（2）步驟一和步驟三應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明臨時(shí)斜拉體系與減小結(jié)構(gòu)自重對(duì)結(jié)構(gòu)有類(lèi)似的卸載作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)巒城大橋維修加固中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究，利用橋梁檢測(cè)結(jié)果對(duì)整體有限元模型進(jìn)行了修正，對(duì)整體分析中損傷較嚴(yán)重部分承載能力不足的問(wèn)題，提出了采用臨時(shí)斜拉體系對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載的方法。同時(shí)，將整體分析的內(nèi)力作為邊界條件，對(duì)受力復(fù)雜的三角區(qū)進(jìn)行了細(xì)部分析。根據(jù)整體和細(xì)部分析結(jié)果提出了相應(yīng)的加固方案，并通過(guò)實(shí)際工程加固監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了理論方法和加固方案的正確性。通過(guò)本文的研究得到了以下結(jié)論：

（1）在該類(lèi)型橋梁的加固中，單純通過(guò)減小自重對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載往往對(duì)損傷較大區(qū)域效果并不好。本文提出的臨時(shí)斜拉體系則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，可以為類(lèi)似的工程提供借鑒。

（2）該類(lèi)型橋梁三角區(qū)受力復(fù)雜，病害較多，需要通過(guò)細(xì)部分析才能得到較為精確的結(jié)果。本文采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了加固，加固效果好，值得推薦應(yīng)用。

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