未設(shè)置加勁縱梁吊桿拱橋整治技術(shù)研究

劉曉晨，曹躍

(1.北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100067；2.北京建筑大學(xué)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.北京古橋研究院，北京 100044)

1 引言

國(guó)內(nèi)早期設(shè)計(jì)的吊桿拱橋橋面板采用橫梁懸吊的漂浮體系，這類橋面板就像簡(jiǎn)易積木，冗余度低，整體聯(lián)系弱。受環(huán)境影響，吊桿出現(xiàn)銹蝕、破損等病害，安全隱患突出。隨著使用年限的加長(zhǎng)，在重載交通及高頻度往復(fù)荷載作用下，吊桿的疲勞和斷裂時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而發(fā)生外部約束失效導(dǎo)致的橫梁和橋面板塌陷事件。例如，2011年7月14日，福建武夷山公館大橋北端垮塌事故以及2012年12月10日四川攀枝花金沙江大橋吊桿脫落，橋面陷落事故。

為了減少此類事故的發(fā)生，交通運(yùn)輸部頒布了《公路危舊橋梁排查和改造要求》[1]，文件中明確指出，對(duì)于中、下承式拱橋宜加設(shè)縱梁進(jìn)行加固。迄今為止，許多國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中、下承式吊桿拱橋加固開(kāi)展了大量的研究：毛閩留等[2]經(jīng)研究可知，對(duì)吊桿拱橋增加縱梁后，拱肋應(yīng)力分布更為均勻，吊桿安全性大幅提高，施工過(guò)程中橋面及拱肋線性整體變化非常小，橋梁結(jié)構(gòu)整體性明顯增強(qiáng)；蔣超越等[3]對(duì)新增加勁縱梁受力性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，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。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于加固后吊桿拱橋的受力分析僅停留在無(wú)吊桿失效時(shí)或原橋吊桿失效時(shí)的研究[4]，而未針對(duì)加固橋不同吊桿失效時(shí)各部件受力情況的變化進(jìn)行系統(tǒng)分析。

筆者以實(shí)際工程為背景，對(duì)縱梁加固后的吊桿拱橋結(jié)構(gòu)體系、重要構(gòu)件的受力特征進(jìn)行了研究分析，對(duì)加設(shè)縱梁后各部件應(yīng)力、變形特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，對(duì)吊桿失效后各部件內(nèi)力與變形特點(diǎn)進(jìn)行比較，為今后的工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

彭水高谷烏江大橋于1997年建成，橋梁全長(zhǎng)195.82 m。主孔為1×150 m 鋼管混凝土中承式桁架拱橋(見(jiàn)圖1），采用等截面懸鏈線，矢跨比：1/5，拱軸系數(shù)m＝1.347，上弦桿、下弦桿采用φ600 mm×10 mm 鋼管，內(nèi)灌C50 混凝土，橋面寬：凈9 m+2×1.50 m，橋面板為跨徑5 m、6 m 鋼筋混凝土π 形板，吊桿橫梁及蓋梁為鋼筋混凝土T 形梁。吊桿采用OVM.GJ15-12 的高強(qiáng)鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。橋臺(tái)為混凝土砌石圬工結(jié)構(gòu)，臺(tái)上橫墻為混凝土砌塊石，基礎(chǔ)為片石混凝土，明挖施工。

經(jīng)檢測(cè)，該橋多處吊桿錨具防護(hù)油脂失效，吊桿出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，且吊桿索力值與竣工時(shí)差距較大。為增加結(jié)構(gòu)冗余度，確定采用在相鄰橫梁之間增設(shè)6 道縱梁的形式對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修及加固，新增縱梁與橫縱梁之間的連接板采用高強(qiáng)螺栓拼接。加固縱梁采用鋼縱梁形式，截面為工字形截面，鋼材選用Q235。頂?shù)装彘L(zhǎng)80 cm，厚2 cm；腹板高54 cm，厚2 cm。具體如圖2所示。

現(xiàn)有的加固方案會(huì)為原本相互獨(dú)立的吊桿橫梁增加了多余約束，使得結(jié)構(gòu)體系總體剛度增加，并為橫梁上內(nèi)力提供新的傳力路徑，改變橋梁各部件的受力狀況。另外，加固后拱橋的吊桿斷裂時(shí)，縱梁能為即將掉落的橫梁提供約束支撐，而對(duì)于結(jié)構(gòu)體系改變后的拱橋各部件在吊桿失效時(shí)的受力安全性仍缺乏相關(guān)研究，因此，擬開(kāi)展此類研究工作。

3 計(jì)算模型

采用Midas/Civil2020 有限元軟件進(jìn)行建模分析。拱肋、橫撐、斜撐采用梁?jiǎn)卧M，腹桿、平聯(lián)采用梁?jiǎn)卧M，橋面系π 梁采用梁?jiǎn)卧M。桿采用桁架單元模擬。全橋模型共有單元2 900 個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 630 個(gè)，高谷烏江大橋整體模型如圖3所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

為探究增加縱梁對(duì)原橋的受力影響和不同位置的吊桿失效對(duì)拱橋各部件的影響，判斷其結(jié)構(gòu)安全性并得出相應(yīng)規(guī)律，擬開(kāi)展以下分析：(1）通過(guò)對(duì)原橋與加固橋在工況1 與工況3作用下各部件受力情況的比較，得出運(yùn)營(yíng)過(guò)程中加固縱梁對(duì)吊桿拱橋各部件受力的影響；(2）在工況2 作用下，通過(guò)對(duì)比原橋與加固橋在不同吊桿失效時(shí)各部件的受力情況，得出吊桿失效時(shí)新增縱梁對(duì)各部件受力的影響。

表1 計(jì)算工況

4.1 增加縱梁前后各部件應(yīng)力計(jì)算

加固后全橋各部件安全性，需對(duì)比加固前后各部件在不同工況下的受力情況，如圖4所示。

結(jié)果表明在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，增加縱梁后拱橋的吊桿應(yīng)力分布更加均勻，拱肋安全性明顯提高，但同時(shí)橫梁正截面彎矩、吊桿應(yīng)力最大值與整體支反力也會(huì)由于縱梁的增加而增大。

原橋與加固橋在工況2 與工況3 作用下各部件受力最大值如表2所示。

表2 原橋與加固橋各部件受力(工況2 和工況3）

由計(jì)算結(jié)果可知，在橋梁正常運(yùn)營(yíng)期間，縱梁的增加導(dǎo)致全橋自重的增大，使得吊桿、橫梁與拱肋的受力增大，但仍能滿足承載能力要求，縱梁也能使橋梁各部件受力更加均勻。

4.2 吊桿失效后各部件驗(yàn)算分析

為考慮吊桿失效后拱橋結(jié)構(gòu)體系受力變化規(guī)律，特假定如下：增加縱梁后，設(shè)立吊桿失效的施工階段，并在該施工階段內(nèi)將失效吊桿鈍化，根據(jù)橋梁實(shí)際使用情況，選擇對(duì)應(yīng)的工況，運(yùn)算分析得到吊桿失效后各部件受力狀況，并對(duì)比加固前后吊桿失效后各部件受力狀況的變化。本文分析了1#吊桿、2#吊桿、6#吊桿、12#吊桿(單側(cè)與兩側(cè)均驗(yàn)算）失效時(shí)各部件受力情況，并選擇對(duì)不同構(gòu)件受力影響最大的情況進(jìn)行如下分析驗(yàn)算。

4.2.1 單側(cè)吊桿失效

當(dāng)單側(cè)吊桿失效時(shí)，對(duì)原橋與加固橋各部件受力驗(yàn)算比較如下。

1）橋面板驗(yàn)算

吊桿失效后橫梁直接從原位置掉落，相應(yīng)位置處的橋面板失去支撐，使相鄰橫梁與橋面板受到?jīng)_擊導(dǎo)致下?lián)?，正截面彎矩增大?新增加縱梁的體系在吊桿失效時(shí)能為橫梁提供一定的約束支撐，使橫梁與橋面板不至墜落。因此，根據(jù)橋梁實(shí)際使用狀況，對(duì)橋面板在工況2 下的正截面抗彎承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

原橋梁體系在單側(cè)12#吊桿失效后，橋面板單個(gè)π 形板正截面彎矩達(dá)到最大值24.42 kN·m，加縱梁后正截面彎矩減小至23.62 kN·m，橋面板上彎矩分布十分均勻，且橋面板撓度有非常顯著的減小。

分析得知，經(jīng)過(guò)鋼縱梁加固的體系在工況2 作用下，橋面板正截面彎矩分布更加均勻，且彎矩最大值也在一定程度上減小。

2）鋼縱梁驗(yàn)算

為探究鋼縱梁在吊桿失效突發(fā)狀況下的受力狀態(tài)，根據(jù)橋梁實(shí)際情況，對(duì)鋼縱梁在工況2 下的應(yīng)力分布與撓度進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)單側(cè)1#吊桿失效后，鋼縱梁應(yīng)力達(dá)到最大值82.52 MPa，此時(shí)應(yīng)力小于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，滿足承載力要求；當(dāng)單側(cè)12#吊桿失效后，鋼縱梁的撓度絕對(duì)值達(dá)到最大22.18 mm，滿足撓度小于L/600(L 為跨徑）的要求。因此，鋼縱梁仍能夠在吊桿失效后保證結(jié)構(gòu)體系不會(huì)發(fā)生橫梁掉落、橋面板垮塌等繼發(fā)性病害。

3）橫梁驗(yàn)算

在原橋吊桿失效時(shí)，由于吊桿相應(yīng)位置處橫梁掉落，會(huì)導(dǎo)致相鄰橫梁的內(nèi)力與撓度產(chǎn)生較大變化； 而縱梁的增加也使全橋自重顯著增大，與縱梁連接的橫梁內(nèi)力會(huì)受到直接影響。根據(jù)橋梁實(shí)際使用狀況，對(duì)加固橋橫梁的正截面抗彎承載力與撓度變化進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明，原橋與加固橋相比，當(dāng)單側(cè)12#吊桿失效時(shí)，在工況2 作用下橫梁彎矩的最大值由1 231.26 kN·m 增大為1 331.21 kN·m，滿足承載能力要求。此外，在單側(cè)吊桿2#吊桿失效后，相鄰橫梁的最大撓度由18.65 mm 增大至26.69 mm。

由此推斷，在吊桿失效的突發(fā)狀況下縱梁可以與橫梁形成整體，在失效吊桿所在橫梁掉落時(shí)，使相鄰橫梁上撓度隨之增大。

4）未失效吊桿應(yīng)力值驗(yàn)算

吊桿失效會(huì)導(dǎo)致同側(cè)相鄰吊桿發(fā)生應(yīng)力重分布的變化[5]。為保證相鄰吊桿仍能在容許值內(nèi)正常工作，根據(jù)橋梁實(shí)際使用情況，對(duì)各吊桿在工況2 下的應(yīng)力值進(jìn)行驗(yàn)算，比較原橋與加固橋未失效吊桿應(yīng)力最大值。

結(jié)果表明，原橋在單側(cè)2#號(hào)吊桿失效時(shí)相鄰吊桿應(yīng)力達(dá)到最大值442.22 MPa，加固后增大為478.12 MPa，易知吊桿強(qiáng)度滿足使用要求；單側(cè)6#吊桿失效時(shí)，原橋與加固橋未失效吊桿應(yīng)力差值達(dá)到最大值45.48 MPa，增大10.28%。因此，應(yīng)在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中注意加固橋吊桿應(yīng)力冗余度問(wèn)題。

5）拱肋驗(yàn)算分析

縱梁的增加會(huì)在吊桿失效的突發(fā)狀況下提供一條新的傳力路徑，也使得拱肋應(yīng)力發(fā)生明顯變化。根據(jù)橋梁實(shí)際使用情況，對(duì)拱肋應(yīng)力在工況2 下進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明，原橋在單側(cè)2#吊桿失效時(shí)拱肋跨中鋼管壓應(yīng)力值由-119.09 MPa 增大至-121.38 MPa，拱腳鋼管壓應(yīng)力值由-144.61 MPa 增大到-146.72 MPa。

根據(jù)分析結(jié)果及應(yīng)力分布圖可得，在吊桿失效的突發(fā)狀況下，加固縱梁對(duì)在一定程度上增加了拱肋應(yīng)力。

4.2.2 兩側(cè)吊桿失效

當(dāng)兩側(cè)1#吊桿、2#吊桿、6#吊桿、12#吊桿失效時(shí)，對(duì)原橋與加固橋各部件受力驗(yàn)算比較如下。

1）橋面板驗(yàn)算

原橋在兩側(cè)12#吊桿失效后，橋面板單個(gè)π 形板正截面彎矩達(dá)到最大值24.24 kN·m，加縱梁后正截面彎矩減小至23.38 kN·m，且橋面板上彎矩分布十分均勻。

分析得知，經(jīng)過(guò)鋼縱梁加固的體系在工況2 作用下，橋面板正截面彎矩分布更加均勻，且彎矩最大值也有所減小。

2）鋼縱梁驗(yàn)算

在工況2 作用下，當(dāng)兩側(cè)1#號(hào)吊桿失效后，鋼縱梁應(yīng)力達(dá)到最大值73.50 MPa，可得此時(shí)應(yīng)力滿足承載力要求；當(dāng)兩側(cè)12#吊桿失效后，鋼縱梁的撓度絕對(duì)值達(dá)到最大22.43 mm，滿足撓度小于L/600 的要求。

3）橫梁驗(yàn)算

原橋與加固橋在工況2 作用下，當(dāng)兩側(cè)6#吊桿失效時(shí)橫梁彎矩變化率達(dá)到最大；原橋橫梁彎矩最大值為1 323.49 kN·m，加固橋橫梁彎矩最大值為1 456.19 kN·m，增大10.02%。

4）未失效吊桿應(yīng)力值驗(yàn)算

原橋和加固橋在工況2 作用下，當(dāng)兩側(cè)6#吊桿失效相鄰吊桿應(yīng)力最大值變化率達(dá)到最大；其中原橋未失效吊桿最大應(yīng)力值為411.91 kN，加固橋未失效吊桿最大應(yīng)力值為447.18 kN，增大8.56%。

5）拱肋驗(yàn)算分析

原橋與加固橋在工況2 作用下，當(dāng)兩側(cè)2#吊桿失效時(shí)，原橋拱腳最大應(yīng)力值達(dá)到-143.51 MPa，加固橋拱腳最大應(yīng)力值達(dá)到140.55 MPa。

4.3 吊桿失效時(shí)結(jié)構(gòu)受力變化

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同吊桿失效時(shí)拱橋各部件在加縱梁前后的受力變化進(jìn)行匯總?cè)绫?所示。

表3 吊桿失效時(shí)結(jié)構(gòu)受力變化

縱梁加固后的拱橋在吊桿失效時(shí)，由于縱梁起到的支撐作用，橋面板彎矩減小，當(dāng)兩側(cè)6#吊桿失效時(shí)影響最大，減小約31.69%；拱肋應(yīng)力減小，當(dāng)單側(cè)12#吊桿失效時(shí)影響最大，減小約2.11%；原橋與加固橋相比，由于全橋自重的增加及傳力路徑的改變，橫梁正截面彎矩顯著增大，當(dāng)兩側(cè)6#號(hào)吊桿失效時(shí)影響最大，增大約10.02%；未失效吊桿最大應(yīng)力顯著增大，當(dāng)單側(cè)6#吊桿失效時(shí)影響最為明顯，增大11.12%。

5 結(jié)論

1）原橋進(jìn)行縱梁加固后：與原結(jié)構(gòu)相比，在橋梁正常運(yùn)營(yíng)期間，增加縱梁后拱橋的吊桿應(yīng)力分布更加均勻，拱肋應(yīng)力減小，但是由于自重的增加橫梁正截面彎矩、吊桿應(yīng)力值與拱腳支反力增大。

2）縱梁加固后的拱橋在吊桿失效時(shí)，由于縱梁起到的支撐作用，橋面板彎矩減小，當(dāng)兩側(cè)6#吊桿失效時(shí)影響最大；拱肋應(yīng)力減小，當(dāng)單側(cè)12#吊桿失效時(shí)影響最大。

3）原橋與加固橋相比，由于全橋自重的增加及傳力路徑的改變，橫梁正截面彎矩顯著增大，當(dāng)兩側(cè)6#號(hào)吊桿失效時(shí)影響最大；未失效吊桿最大應(yīng)力顯著增大，當(dāng)單側(cè)6#吊桿失效時(shí)影響最為明顯。需要在今后的加固設(shè)計(jì)中注意此類構(gòu)件承載能力能否滿足要求。