某跨鐵路尼爾森拱橋體系轉(zhuǎn)換加固改造設(shè)計(jì)

羅松　鄭恒　劉昂

摘要 以某跨鐵路中承式混凝土尼爾森拱橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)該橋病害進(jìn)行分析與加固設(shè)計(jì)。為改善該橋整體性能，對(duì)其開(kāi)展增設(shè)鋼桁縱梁體系轉(zhuǎn)換加固改造設(shè)計(jì)，將原拱橋體系轉(zhuǎn)換為5跨連續(xù)梁體系。結(jié)果表明：加固后各構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)及疲勞性能均滿足規(guī)范要求，該體系轉(zhuǎn)換加固設(shè)計(jì)方法可靠有效，可供同類橋梁加固改造參考借鑒。

關(guān)鍵詞 橋梁工程;尼爾森拱橋;體系轉(zhuǎn)換;加固設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0184-03

0 概述

尼爾森拱橋具有承載力高、抗震性能好、結(jié)構(gòu)輕盈優(yōu)美等諸多優(yōu)勢(shì)，在20世紀(jì)90年代后的國(guó)內(nèi)山區(qū)公路、市政道路以及后期鐵路橋梁建設(shè)中得到了一定范圍的應(yīng)用與推廣[1-2]。由于早期該類橋梁材料性能劣化、交通量日益遞增、養(yǎng)護(hù)管理不到位及近年來(lái)自然環(huán)境惡化等因素的影響，既有該類橋梁?jiǎn)栴}頻發(fā)，結(jié)構(gòu)性病害逐年增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和交通安全受到嚴(yán)重威脅。且尼爾森體系非系桿拱橋（即漂浮體系橋面系）在尼爾森構(gòu)造體系自身問(wèn)題和漂浮體系橋面系受力特征的共同影響下，吊桿較其他體系及尼爾森體系的系桿拱橋更易產(chǎn)生吊桿病害[3]。因此加強(qiáng)對(duì)尼爾森拱橋健康監(jiān)測(cè)，高度重視對(duì)危、舊尼爾森體系拱橋的檢測(cè)以及加固十分必要[4-5]。該文以某跨鐵路尼爾森拱橋?yàn)轫?xiàng)目背景，結(jié)合調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的病害，提出改變體系加固改造技術(shù)及方案設(shè)計(jì)，供該類橋梁的加固改造參考借鑒。

1 工程概況及主要病害狀況

某中承式混凝土提籃拱橋全長(zhǎng)178.40 m，主跨117.80 m，該橋上跨鐵路，于1994年6月建成通車，橋梁多處構(gòu)件已出現(xiàn)較嚴(yán)重的病害。

據(jù)橋梁外觀檢查結(jié)果，該橋在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，逐漸產(chǎn)生了一些影響結(jié)構(gòu)耐久性和安全的缺損，主要包括混凝土構(gòu)件的鋼筋銹脹、露筋、保護(hù)層剝落、破損和裂縫。該類病害對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響較為顯著，但部分構(gòu)件的缺損可能影響結(jié)構(gòu)安全性，主要分布如下：

（1）主橋縱梁與橫梁接頭處，牛腿破損嚴(yán)重，嚴(yán)重削弱了對(duì)縱梁端部的支承能力。經(jīng)查閱竣工文件，該部位原設(shè)計(jì)為：兩孔相鄰的縱梁主體預(yù)制RC構(gòu)件，在兩縱梁接頭端上緣采用預(yù)留鋼筋連接并澆筑現(xiàn)澆接頭，支承于橫梁頂部，縱梁端部下緣支承于橫梁端側(cè)面的牛腿之上。經(jīng)2007年加固后，縱梁一端改為與橫梁固結(jié)，另一端為鉸支，這兩處破損的牛腿處于鉸支端。故該部位的缺損對(duì)縱梁的穩(wěn)定性有較大的影響。

（2）該橋面體系由吊桿為橫梁提供豎向支撐，橋面板再支承在橫梁上，內(nèi)、外部均無(wú)多余約束。該類體系的約束冗余度不足，傳力路徑明確但單一，一旦斷索，極易導(dǎo)致橫梁及橋面系垮塌。

該橋梁從建成通車之后缺少對(duì)吊桿的檢查與養(yǎng)護(hù)，致使全橋吊桿下錨頭銹蝕嚴(yán)重，套筒內(nèi)積水，錨頭防水黃油老化，流失嚴(yán)重。

2 病害分析及加固設(shè)計(jì)

橋梁病害的影響及吊桿結(jié)構(gòu)受力不均勻等使得實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的吊桿力與理論值偏差大，部分吊桿的安全儲(chǔ)備較差。吊桿錨頭銹蝕嚴(yán)重，橫梁上牛腿開(kāi)裂破損情況嚴(yán)重且裂縫有明顯的發(fā)展，部分濕接頭有裂縫。以目前橋梁現(xiàn)狀中吊桿材料的抗老化疲勞能力、施工工藝水平等都難以從根本上解決錨頭防護(hù)罩內(nèi)積水問(wèn)題，錨頭銹蝕及吊桿索力損失問(wèn)題將一直存在[8-10]。且該橋上跨鐵路，確保該橋安全狀態(tài)對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)意義重大。為徹底解決吊桿及拱圈的病害問(wèn)題，保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和耐久性，加固方案設(shè)計(jì)采用增設(shè)鋼桁縱梁體系轉(zhuǎn)換方案。

該方案將提籃拱橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成梁式橋結(jié)構(gòu)形式。原有提籃拱部分作為橋梁裝飾，不予拆除。體系改變后斷面布置圖見(jiàn)圖1。

新增的鋼桁式縱梁共2片，布置在橫梁兩端，采用鋼板拼接與現(xiàn)場(chǎng)焊接。頂?shù)紫覘U為箱型截面，其余為鋼板焊接式“工”型截面。鋼材為Q345qD型鋼。

鋼桁式縱梁分段吊裝后現(xiàn)場(chǎng)焊接為整體，再整體同步頂升完成拱-梁不同受力體系的轉(zhuǎn)換。整體頂升力控制值取原橋面系和鋼桁式縱梁總重的30%，合計(jì)1 510 t。實(shí)施時(shí)采用并聯(lián)單動(dòng)式千斤頂，其布置為：在6#和10#墩頂各布設(shè)1臺(tái)，7#～9#墩頂各布設(shè)3臺(tái)。鋼桁式縱梁頂升時(shí)，各頂升點(diǎn)由同1臺(tái)油泵提供動(dòng)力，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成每臺(tái)千斤頂?shù)捻斏灰瓶刂疲瑢?shí)現(xiàn)整體同步頂升。頂升控制力分為10%、15%、20%、25%和30%共五級(jí)，每級(jí)頂升過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量各參數(shù)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整。由數(shù)值計(jì)算獲取原橫梁的各頂升位移控制值為：6#和10#墩處對(duì)應(yīng)橫梁上移約3 mm，7#和9#墩處對(duì)應(yīng)的橫梁上移約9 mm，

8#墩處對(duì)應(yīng)的橫梁上移約11 mm。

3 結(jié)構(gòu)加固改造后的計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)有限元模型

采用MIDAS Civil建模對(duì)該橋進(jìn)行數(shù)值分析，原混凝土橫梁、原分段式混凝土縱梁和新增鋼桁式縱梁采用梁?jiǎn)卧瑯蛎嫦挡捎冒鍐卧?，不?jì)橋面板對(duì)橫梁的剛度貢獻(xiàn)[11]，全橋共劃分550個(gè)節(jié)點(diǎn)，542個(gè)梁?jiǎn)卧?20個(gè)板單元，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 強(qiáng)度計(jì)算

在最不利荷載組合作用下的鋼桁式縱梁各桿件最大正應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。各桿件最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為257.5 MPa和255.5 MPa，均未超過(guò)270 MPa，滿足規(guī)范要求。

采用MIDAS Civil建模時(shí)，無(wú)法考慮鋼梁局部承壓節(jié)段設(shè)置的橫向加勁肋，故在集中荷載作用處的剪應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)失真，集中荷載作用處的受力分析不作分析。其余構(gòu)件在最不利荷載組合作用下的最大剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。各桿件最大剪應(yīng)力為54.6 MPa，小于155 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 剛度計(jì)算

在正常使用階段最不利荷載組合作用下，鋼桁梁各桿件最大豎向位移如圖5所示。鋼梁最大豎向位移滿足規(guī)范要求。

3.2.3 疲勞計(jì)算

參照公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D64—2015），采用疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ對(duì)鋼桁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，用等效車道荷載進(jìn)行加載，集中荷載為0.7p，均布荷載為0.3q，pk與按公路-Ⅰ級(jí)車道荷載標(biāo)準(zhǔn)取值，并考慮多車道折減。

疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ最小正應(yīng)力、最大正應(yīng)力如圖6所示。疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ的最大正應(yīng)力幅為40.3 MPa，小于54.6 MPa，滿足要求。

采用MIDAS Civil建模時(shí)，未能考慮局部承壓效應(yīng)，故在集中荷載作用處的剪應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)失真，其余各單元疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ最小剪應(yīng)力、最大剪應(yīng)力如圖7所示。疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ的最大剪應(yīng)力幅為9.82 MPa，小于33.9MPa，滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在病害調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)尼爾森體系拱橋的無(wú)縱梁懸吊橋面系存在的整體性和安全性均較差的問(wèn)題，提出增設(shè)通長(zhǎng)鋼梁的加固改造技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了將原橋由提籃拱橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成梁橋形式的改造施工，通過(guò)對(duì)加固改造后橋梁的典型不利工況的數(shù)值計(jì)算可知，體系改造后的各構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)及疲勞受力性能均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，該技術(shù)的實(shí)施消除了該橋的安全隱患，豐富了該類橋梁的改造加固技術(shù)體系。

參考文獻(xiàn)

[1]李翠竹. 鐵路系桿拱橋靜動(dòng)力作用下不同吊桿布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué)， 2018.

[2]宋建. 基于穩(wěn)定性的尼爾森體系鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D]. 鄭州：華北水利水電大學(xué)， 2019.

[3]陳亞亮， 許華聰， 余印根. 中下承式吊桿拱橋事故分析及對(duì)橋梁檢測(cè)啟示[J]. 福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2013（3）： 213-217.

[4]閆子才， 施一春， 胡成. 128 m尼爾森體系提籃拱橋的施工控制[J]. 橋梁建設(shè)， 2012（4）： 118-123.

[5]高欣， 歐進(jìn)萍. 鋼管混凝土拱橋索類構(gòu)件的常見(jiàn)病害與檢測(cè)方法[J]. 公路， 2012（3）： 10-16

[6]吳昊. 某中承式鋼管混凝土拱橋病害分析及加固設(shè)計(jì)[J]. 公路工程， 2017（3）： 154-158.

[7]張武， 吳運(yùn)宏. 鋼管混凝土拱橋動(dòng)態(tài)懸吊式主梁結(jié)構(gòu)改造技術(shù)[J]. 橋梁建設(shè)， 2016（2）： 103-108

[8]陳紅. 丫髻沙大橋橋面系加固設(shè)計(jì)[J]. 橋梁建設(shè)， 2013（2）： 93-98

[9]呂宏奎， 周彥. 某全焊鋼桁架連續(xù)梁橋加固方案研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2014（5）： 63-67.

[10]陳建兵， 熊秉賢， 李夏元， 等. 鋼管混凝土拱橋新增吊桿加固設(shè)計(jì)[J]. 世界橋梁， 2016（5）： 83-88.

[11]彭文韜， 劉峰. 基于非線性穩(wěn)定理論的大跨鋼箱形提籃拱橋結(jié)構(gòu)分析研究[J]. 中外公路， 2019（2）： 94-97.

[12]陳卓異， 李傳習(xí)， 柯璐， 等. 某懸索橋鋼箱梁疲勞病害及處治方法研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2017（3）： 91-100.