吊桿拱橋新增加勁縱梁結(jié)構(gòu)形式比選及優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣超越，李章瑜，陳 浩

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司，重慶 400072)

自國內(nèi)首座鋼管混凝土拱橋旺蒼東河橋1990年建成通車以來，中國已修建各式鋼管混凝土拱橋超過500座。該橋型在國內(nèi)經(jīng)過30多年的發(fā)展，早期建成的鋼管混凝土吊桿拱橋在設(shè)計(jì)上的缺陷逐漸顯露，相關(guān)設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范也在不斷修編完善中[1]。

早期中、下承式鋼管混凝土拱橋橋面，簡支在懸吊橫梁上，由于缺乏橫梁間的縱向聯(lián)系，使得橋面整體性較差，在風(fēng)荷載或汽車荷載作用下均有明顯的振動(dòng)和變形[2-4]。此類橋面體系不僅在動(dòng)力特性上表現(xiàn)較差，還存在斷索落梁的風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。2001年，宜賓小南門金沙江大橋下游側(cè)1號(hào)吊桿因耐久性問題出現(xiàn)破斷，導(dǎo)致橫梁墜落、橋面垮塌，上游側(cè)1號(hào)吊桿隨即破斷，橋面上2輛客車墜江，造成了嚴(yán)重的安全事故。2011年，庫爾勒孔雀河大橋發(fā)生類似事故，拱肋兩側(cè)2號(hào)吊桿破斷，橫梁墜落、橋面垮塌。2011年，武夷山公館大橋北側(cè)拱橋1對短吊桿破斷、橫梁墜落，其余7對吊桿相繼破斷、橋面整體垮塌[8]。

上述斷索落梁事故中的橋梁均為中承式鋼管混凝土拱橋。交通部于2020年12月25日頒布的《公路危舊橋梁改造行動(dòng)方案的通知》文件中明確指出，無加勁縱梁吊桿拱橋存在結(jié)構(gòu)冗余度不足的缺陷。橋面是保護(hù)車輛和行人的最后一道防線，因此，對于早期的中、下承式鋼管混凝土拱橋，在斷索后如何保證橋面體系不垮塌，是亟需解決的橋梁安全問題。

1 新增加勁縱梁方案對比

目前，提高橋面體系結(jié)構(gòu)冗余度的主要加固方式為新增加勁縱梁，以達(dá)到斷索時(shí)橫梁不落梁的目的[9-13]。近年來，國內(nèi)關(guān)于中、下承式鋼管混凝土拱橋新增縱梁的加固設(shè)計(jì)隨著工程經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，設(shè)計(jì)方案得到不斷優(yōu)化和完善?，F(xiàn)以2座中承式鋼管混凝土拱橋的橋面體系加固工程為例，對不同的新增加勁縱梁方案進(jìn)行對比分析。

1.1 沈陽某橋新增加勁縱梁實(shí)例

沈陽某橋?yàn)閮艨鐝?20 m+140 m+120 m的中承式鋼管混凝土拱橋，吊桿采用199根Φ5.1 mm高強(qiáng)鍍鋅鋼絲，于2011年進(jìn)行了增設(shè)縱梁的橋面體系加固設(shè)計(jì)。在兩側(cè)吊桿橫梁上方，鋼縱梁、加勁耳板和托板通過錨栓連接的方式與橫梁固結(jié)為一體，并現(xiàn)澆混凝土連續(xù)縱梁；在橫梁中心線上方現(xiàn)澆混凝土縱梁。該橋每跨橫梁間合計(jì)新增2處鋼縱梁、5處混凝土縱梁，新增縱梁構(gòu)造示意如圖1所示。

(a)新增縱梁橫斷面

該橋新增縱梁后，在原設(shè)計(jì)荷載組合下鋼縱梁各個(gè)構(gòu)件的工作應(yīng)力均在容許值以內(nèi)；中跨橋面體系的平面外剛度提高了約16%，邊跨橋面體系的平面外剛度提高了約32%，橋面動(dòng)力特性得到明顯的改善[14]。

本橋新增加勁縱梁解決了橋面體系結(jié)構(gòu)冗余度不足的問題，達(dá)到了預(yù)期的加固目標(biāo)。在斷索工況下，橫梁的支撐力首先由錨栓提供，然后再傳遞至U型兜吊，通過加勁耳板增強(qiáng)兜吊與縱梁之間的連接，實(shí)現(xiàn)對斷索橫梁的保護(hù)。該新增縱梁設(shè)計(jì)在沈陽某橋上的應(yīng)用如圖2所示。

(a)新增縱梁前的橫梁局部

但同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案尚存在以下值得研究的問題：橫梁、U型兜吊與鋼縱梁構(gòu)成的傳力系統(tǒng)較為復(fù)雜，橫梁為空心截面，錨栓的植入深度受限，錨栓抗剪和混凝土抗剪撬承載能力弱。作為重要的傳力構(gòu)件，錨栓的安全冗余度值得商榷。

另一方面，鋼縱梁在橫梁處的彎拉應(yīng)力大，對加勁耳板的傳力性能要求較高。U型兜吊與鋼縱梁分布在橋面的上下兩側(cè)，不便于施工安裝和后期檢修維護(hù)，且影響橋梁景觀。

1.2 樂山某橋新增加勁縱梁實(shí)例

四川樂山某橋?yàn)閮艨鐝?75 m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋，吊桿采用12Φ15.24 mm高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，于2016年進(jìn)行了增設(shè)縱梁的橋面體系加固設(shè)計(jì)。在兩側(cè)吊桿橫梁上方新增鋼縱梁，通過U型兜吊、高強(qiáng)螺栓與橫梁固結(jié)，橫梁上下表面與鋼結(jié)構(gòu)之間放置滑板支座，新增縱梁構(gòu)造示意如圖3所示。

(a)新增縱梁縱斷面

在斷索工況下，橫梁支撐力的傳力系統(tǒng)簡單明了，U型兜吊與加勁縱梁采取螺栓連接，避免了在橫梁上植入錨栓對混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷。橫梁上下表面設(shè)置滑板支座，使得鋼縱梁在受力體系上與橋面主要承重結(jié)構(gòu)分離。

新增鋼縱梁僅在斷索時(shí)發(fā)揮保護(hù)橫梁不掉落的作用，正常使用期間鋼縱梁并不參與橋面體系的受力，所以有利于減小新增鋼縱梁的疲勞效應(yīng)[15]。該新增縱梁設(shè)計(jì)在樂山某橋上的應(yīng)用如圖4所示。

(a)新增縱梁施工現(xiàn)場

但是，由于該新增鋼縱梁未與橫梁直接固結(jié)，橋面的動(dòng)力特性并不會(huì)得到明顯改善。加勁縱梁與U型兜吊分別位于橋面的上下兩側(cè)，同樣也存在著施工困難、后期檢修維護(hù)不便和影響橋梁景觀的問題。

2 優(yōu)化后的新增加勁縱梁設(shè)計(jì)

分析了上述2座中承式拱橋的新增加勁縱梁設(shè)計(jì)方案后，現(xiàn)對橋面體系結(jié)構(gòu)冗余度不足的問題提出以下設(shè)計(jì)目標(biāo):1)改善橋面體系的動(dòng)力特性；2)斷索時(shí)橋面體系不垮塌；3)盡量減少新增縱梁對橋梁原結(jié)構(gòu)造成的損傷；4)安裝和檢修維護(hù)的實(shí)施便捷；5)減少對橋梁景觀的影響。根據(jù)上述加固目標(biāo)，對已有新增縱梁方案進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)以重慶市合川區(qū)合陽嘉陵江大橋?yàn)槔榻B優(yōu)化后的新增縱梁設(shè)計(jì)方案。

合陽嘉陵江大橋兩側(cè)引拱為跨徑58 m的上承式鋼筋混凝土拱橋，主橋跨徑為130 m+200 m+130 m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋，吊桿采用19Φ15.2 mm高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，破斷力設(shè)計(jì)值為2 579 kN。2020年，主橋橋面體系進(jìn)行了增設(shè)加勁縱梁設(shè)計(jì)與施工。在兩側(cè)吊桿橫梁之間增設(shè)鋼縱梁，通過對拉錨栓與橫梁固結(jié)，新增鋼縱梁構(gòu)造如圖5所示。

(a)新增鋼縱梁橫斷面

新增鋼縱梁的所有構(gòu)件均設(shè)在橋面下方，不會(huì)對橋梁景觀造成影響，同時(shí)便于施工和后期檢修維護(hù)，加勁縱梁在合陽嘉陵江大橋維修改造工程中的應(yīng)用如圖6所示。

(a)加勁縱梁與橫梁連接局部

此外，新的加勁縱梁設(shè)計(jì)方案增強(qiáng)了橋面縱向剛度，錨栓的連接形式得以優(yōu)化，滿足“索斷橋不垮”的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了提高結(jié)構(gòu)安全冗余度的加固目標(biāo)。

2.1 橋面體系的縱向剛度提升

新增加勁縱梁后的計(jì)算模型，鋼縱梁單元與橫梁單元通過共節(jié)點(diǎn)固結(jié)。為了簡明圖示，僅對合陽嘉陵江大橋主跨的動(dòng)力特性進(jìn)行說明。主跨原設(shè)計(jì)的前2階振型如圖7所示。第1階振型表現(xiàn)為拱肋側(cè)向撓曲，振動(dòng)頻率為0.216 Hz；第2階振型表現(xiàn)為橋面縱橋向振動(dòng)，振動(dòng)頻率為0.358 Hz。

(a)原設(shè)計(jì)主跨第1階振型

由于橫梁間縱橋向沒有連接構(gòu)件，橋面體系的縱向剛度僅次于拱肋的側(cè)向剛度，第2階振型表現(xiàn)為吊桿橫梁沿縱橋向擺動(dòng)。橫梁縱橋向擺動(dòng)時(shí)支座變形較大，帶動(dòng)整個(gè)橋面體系同步振動(dòng)，導(dǎo)致橋面的動(dòng)力特性較差。

通過新增鋼縱梁的方式，加強(qiáng)了吊桿橫梁間的縱向聯(lián)系，加固后主跨的前2階頻率如圖8所示。第1階振型和原設(shè)計(jì)相同，振動(dòng)頻率提高了約0.06%，即增設(shè)加勁縱梁不會(huì)對主跨拱肋的側(cè)向剛度產(chǎn)生影響。在第2階振型中，拱圈和橋面體系出現(xiàn)側(cè)向撓曲，振動(dòng)頻率提高了約5.9%(現(xiàn)為0.378 Hz)，此時(shí)橋面體系的振型為橫橋向彎曲振動(dòng)，表明橋面的縱向剛度大于橫向剛度，其動(dòng)力特性得到改善。

(a)加固后主跨第1階振型

2.2 縱橫梁的連接

調(diào)研以往的橋面體系加固工程實(shí)例，鋼縱梁與橫梁的固結(jié)都是采用錨栓連接。一旦吊桿斷裂，錨栓剪力增大，會(huì)對混凝土造成剪撬破壞，失去錨固效果，進(jìn)而造成更嚴(yán)重的后果。

以本橋加固工程為例，若鋼縱梁采用錨栓的形式，錨固深度180 mm，則混凝土發(fā)生剪撬破壞時(shí)的受剪承載力設(shè)計(jì)值VRd,cp為83.2 kN。斷索時(shí)，鋼縱梁的最大剪力為894.0 kN，平均每只錨栓受剪99.3 kN，混凝土抗剪撬承載力安全系數(shù)為0.84，鋼縱梁錨固能力嚴(yán)重不足。

由于混凝土和錨栓的強(qiáng)度差異，發(fā)生剪撬破壞時(shí)，錨栓端部沿著剪力反方向撬壞混凝土。本次設(shè)計(jì)鋼縱梁的連接方式為對拉錨栓，即錨栓孔貫穿橫梁截面，并控制錨栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為280 kN。該設(shè)計(jì)使得錨栓的拉力由兩端鋼縱梁平衡，提高了錨栓的抗拉承載能力。另外，體內(nèi)通長錨栓不會(huì)形成端部受剪，從而避免了混凝土剪撬破壞的發(fā)生。在斷索工況下，對拉錨栓受拉剪應(yīng)力較大，經(jīng)計(jì)算，單只錨栓的安全系數(shù)由0.84提高至1.25。

2.3 斷索工況下整體結(jié)構(gòu)計(jì)算

本橋加固后的荷載標(biāo)準(zhǔn)為城-B級(jí)，人群荷載3.1 kN/m2，管線荷載為4.0 kN/m。加勁縱梁在施工階段中新增到原橋結(jié)構(gòu)，以考慮原拱橋結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力。經(jīng)計(jì)算，其結(jié)果見表1。由表1可知，主跨3號(hào)吊桿的內(nèi)力1 599.3 kN為最大值，3號(hào)吊桿的內(nèi)力通過縱梁分?jǐn)偟较噜彊M梁上，最終由相鄰吊桿承擔(dān)。因此，對于整體結(jié)構(gòu)，主要關(guān)注鋼縱梁和相鄰吊桿在斷索工況下的應(yīng)力狀態(tài)。

表1 不同吊桿在斷索前后的內(nèi)力

3號(hào)吊桿斷索時(shí)兩側(cè)鋼縱梁的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示。在斷索橫梁處，鋼縱梁上邊緣壓應(yīng)力為49.86 MPa；下邊緣拉應(yīng)力為219.78 MPa。在相鄰橫梁處，鋼縱梁上邊緣受126.54 MPa拉應(yīng)力，下邊緣受3.13 MPa壓應(yīng)力。鋼縱梁材質(zhì)均采用Q355C鋼，抗彎、拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為285 MPa，斷索時(shí)鋼縱梁的工作應(yīng)力均在容許值之內(nèi)。

(a)截面上邊緣應(yīng)力

本橋吊桿采用19Φ15.2 mm鋼絞線，破斷力標(biāo)準(zhǔn)值為6 413 kN，斷索后吊桿2的安全系數(shù)為2.79，滿足JTG/T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.8.1節(jié)吊索在持久狀況下安全系數(shù)2.5的設(shè)計(jì)要求。

綜上分析，在斷索工況下新增鋼縱梁和吊桿承載力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，該方案滿足本橋加固設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)論

1)2座中承式鋼管混凝土拱橋新增加勁縱梁表明，吊桿拱橋在斷索工況下，新增加勁縱梁和橫梁形成框架體系并共同受力，能有效避免橫梁掉落及橋面垮塌。

2)通過取消U型兜吊，橫梁與縱梁采用錨栓連接，并將新增縱梁所有構(gòu)件布置于橋面以下，對新增加勁縱梁的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)將連接錨栓設(shè)計(jì)為對拉錨栓的形式，能提高錨栓的抗拉承載能力，避免混凝土受剪撬破壞，加強(qiáng)了橋面結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，優(yōu)化后的加勁縱梁設(shè)計(jì)方案成功運(yùn)用于合陽嘉陵江大橋維修改造工程，對吊桿拱橋新增加勁縱梁有一定指導(dǎo)作用。