負(fù)荷鋼桁橋節(jié)點(diǎn)連接加固設(shè)計(jì)方法研究

陳祖賀

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，部分老橋通行能力逐漸不能滿足需求，通過(guò)對(duì)老橋進(jìn)行拓寬改造，增加通行能力，已經(jīng)成為一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法。對(duì)于鋼桁橋來(lái)講，結(jié)構(gòu)加固主要包括桿身加固、節(jié)點(diǎn)連接加固兩個(gè)方面。由于鋼橋加固尚沒(méi)有專門(mén)的規(guī)范，其加固理論及計(jì)算方法不明確，已有研究[1-3]對(duì)具體的計(jì)算方法多論述不足；在國(guó)內(nèi)幾座鋼桁橋的大修中[4-7]，多為在完全卸載的情況下進(jìn)行的更換加固，采用了“修舊如舊”的理念，以新鉚釘更換原鉚釘，保證連接件的剛度匹配；鐵路鋼桁橋的加固[8-9]多為負(fù)載下的振動(dòng)加固，針對(duì)的是橋梁整體性加固；王元清[10-14]對(duì)工民建鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了較多研究，其中栓、焊混用連接加固研究較為充分，但其使用條件與橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境有較大差別；《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]為工民建鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范，內(nèi)容詳實(shí)，但該標(biāo)準(zhǔn)采用對(duì)鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行折減的方式考慮初始應(yīng)力的影響，無(wú)法掌握加固件、原構(gòu)件的最終受力情況，對(duì)節(jié)點(diǎn)連接的加固，其給出的加固方案與橋梁結(jié)構(gòu)有較大差別，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在鋼橋加固上尚應(yīng)進(jìn)行論證。目前對(duì)負(fù)荷鋼桁橋節(jié)點(diǎn)連接加固設(shè)計(jì)計(jì)算研究相對(duì)較少，工程中容易因設(shè)計(jì)不規(guī)范導(dǎo)致安全事故，本文以松浦大橋大修工程為依托，圍繞節(jié)點(diǎn)連接加固設(shè)計(jì)，以控制既有原構(gòu)件滿足現(xiàn)行規(guī)范要求為原則，在連接構(gòu)造及計(jì)算方法等方面展開(kāi)研究。

松浦大橋位于上海市松江區(qū)，建成于1976 年，是黃浦江上的第一座橋梁。原松浦大橋主橋?yàn)閮陕?lián)96 m+112 m 雙層公鐵兩用連續(xù)鉚接鋼桁橋，上層雙向兩車(chē)道公路橋?qū)?2 m，下層為單線鐵路。隨著附近鐵路金山支線的建成，松浦大橋不再承擔(dān)鐵路營(yíng)運(yùn)職責(zé)。鑒于周邊公路交通需求，對(duì)其進(jìn)行改造、加固?？傮w方案為在維持兩片主桁形式不變的條件下，上層由原雙向2 車(chē)道拓寬為雙向6 車(chē)道，橋面寬度由12 m拓寬為24.5 m，下層鐵路橋改為人行道及非機(jī)動(dòng)車(chē)道，橋面寬13 m，見(jiàn)圖1。改造前后橋梁恒、活載有較大變化，總量增加31.5%，橋梁加固施工需在原位、負(fù)荷、不中斷交通的條件下進(jìn)行。根據(jù)橋梁改造方案，對(duì)原主桁構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的桿件進(jìn)行加固，需要加固的位置見(jiàn)圖2，總體來(lái)講，本橋加固工作量大、在維持交通不中斷的條件下施工，難度較大[1]。

圖1 松浦大橋改造前后橫斷面對(duì)比（單位：m）

圖2 加固位置示意圖

1 節(jié)點(diǎn)連接加固構(gòu)造方案

對(duì)于鉚接或栓接節(jié)點(diǎn)，為保證連接件剛度一致、受力協(xié)調(diào)，增加同類型的連接件數(shù)量為首選；為保證結(jié)構(gòu)安全，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)連接加固時(shí)，不宜過(guò)多拆除既有連接件，新增連接件沒(méi)有理想的連接位置，選擇合適的連接構(gòu)造是確保加固方案合理、有效的前提。針對(duì)松浦大橋節(jié)點(diǎn)連接加固，本文給出四種構(gòu)造方案，見(jiàn)表1。

表1 節(jié)點(diǎn)連接加固構(gòu)造及應(yīng)力云圖

方案1，拆除原鉚釘B，換成雙剪面新鉚釘、保留原鉚釘A，通過(guò)蓋板增加鉚釘數(shù)量；方案2，保留所有原鉚釘，通過(guò)擴(kuò)大蓋板延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)范圍；方案3，結(jié)合了方案一與方案二，拆除原鉚釘B 并通過(guò)擴(kuò)大蓋板延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)范圍；方案4，保留所有原鉚釘，通過(guò)擴(kuò)大桿身加固件端頭及蓋板，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)范圍。前三種方案桿身上的新鉚釘同時(shí)連接著桿身加固件及原構(gòu)件，不能控制加固件及原構(gòu)件的內(nèi)力分配，原鉚釘與桿身原構(gòu)件內(nèi)力存在超過(guò)規(guī)定值的可能，適用于加固要求不高的位置。方案4，擴(kuò)大桿身加固件端頭，通過(guò)蓋板直接連接桿身加固件與節(jié)點(diǎn)板，新鉚釘連接桿身加固件，原鉚釘連接桿身原構(gòu)件，傳力更明確。

通過(guò)有限元模型對(duì)上述4 個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，僅為說(shuō)明問(wèn)題，模型簡(jiǎn)化為平面模型，包括一塊節(jié)點(diǎn)板、桿身翼緣板、填板、蓋板及鉚釘。鋼板均采用板單元模擬，鉚釘采用直徑26 mm 的梁?jiǎn)卧M，抗彎剛度放大105 倍，以保證鉚釘基本不產(chǎn)生彎曲變形；固定節(jié)點(diǎn)板水平及豎向自由邊，鋼板之間僅通過(guò)鉚釘進(jìn)行連接，忽略鋼板之間的摩擦力；按照加固前、后兩個(gè)階段分別在桿端施加500 kN、2000 kN，合計(jì)2500 kN。

從表1 鋼板應(yīng)力云圖可見(jiàn)，方案1 到方案4，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力擴(kuò)散逐步均勻（圖中黃色區(qū)域逐漸減?。?，節(jié)點(diǎn)板受力改善程度逐步提高；從圖3 鉚釘平均剪力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，方案2 原鉚釘與新鉚釘剪力差距最大，可見(jiàn)該構(gòu)造對(duì)原鉚釘加固效果最差、傳力極為不暢；方案1、3、4，原鉚釘剪力逐漸減小，新鉚釘剪力逐漸增大，方案1、3 原鉚釘內(nèi)力均大于方案4，方案1 最大，原因在于拆除部分原鉚釘，導(dǎo)致未拆除鉚釘內(nèi)力增加，因此連接負(fù)荷加固時(shí)應(yīng)盡量減少原鉚釘?shù)牟鸪俊? 個(gè)方案雖然增加了相同數(shù)量的新鉚釘，但受力分配卻相差較大，從節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖及鉚釘平均剪力來(lái)看，方案4 對(duì)改善節(jié)點(diǎn)板及原鉚釘受力，均具有最優(yōu)效果。

圖3 連接加固后原鉚釘及新鉚釘剪力

2 節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方案

在進(jìn)行計(jì)算方案介紹前，先對(duì)負(fù)荷鋼桁橋的受力過(guò)程及內(nèi)力分配情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。鋼桁橋負(fù)荷情況下進(jìn)行加固，節(jié)點(diǎn)及桿身受力存在兩個(gè)狀態(tài)：加固前Ⅰ，加固件未安裝，內(nèi)力全部由原構(gòu)件承擔(dān)，此內(nèi)力稱為第一批內(nèi)力SI；加固后Ⅱ，加固件安裝完成，結(jié)構(gòu)增加的內(nèi)力由加固件、原構(gòu)件承擔(dān)，此內(nèi)力稱為第二批內(nèi)力SII=SIIO+SIIn，加固桿身的內(nèi)力S=SI+SII。原構(gòu)件承擔(dān)的內(nèi)力包括全部第一批內(nèi)力SI和第二批內(nèi)力中分配到原構(gòu)件的部分內(nèi)力SIIO，加固件只承擔(dān)第二批內(nèi)力分配的部分內(nèi)力SIIn，加固件、原構(gòu)件內(nèi)力分別為Sn=SIIn、SO=SI+SIIO。

節(jié)點(diǎn)連接加固與對(duì)應(yīng)桿身加固一般會(huì)同時(shí)發(fā)生，加固計(jì)算應(yīng)結(jié)合所選擇的連接構(gòu)造，并考慮連接對(duì)桿身構(gòu)件的支撐剛度，避免桿身加固件、原構(gòu)件內(nèi)力在桿端發(fā)生重分布，導(dǎo)致對(duì)安全不利的情況出現(xiàn)。松浦大橋主桁節(jié)點(diǎn)連接加固設(shè)計(jì)時(shí)，基于連接加固構(gòu)造方案4，提出了3 種鉚釘連接加固計(jì)算方法，并進(jìn)行了分析比較。

方案1，按照節(jié)點(diǎn)連接內(nèi)力及鉚釘承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方法只考慮鉚釘受力，直接增加鉚釘數(shù)量來(lái)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，因負(fù)荷加固，原鉚釘承擔(dān)了兩個(gè)批次的內(nèi)力，通過(guò)控制原鉚釘?shù)膬?nèi)力，確定所需增加鉚釘?shù)臄?shù)量。詳細(xì)計(jì)算流程見(jiàn)圖4。

圖4 節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方案1

方案2，按桿身的承載力進(jìn)行等強(qiáng)設(shè)計(jì)。松浦大橋前身為公、鐵兩用鋼桁橋，節(jié)點(diǎn)連接多數(shù)與桿身等強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)連接與桿身加固仍可以采用等強(qiáng)原則設(shè)計(jì)，詳細(xì)計(jì)算如下：

式中：n 為節(jié)點(diǎn)連接加固后鉚釘群的鉚釘總量；no為加固節(jié)點(diǎn)原鉚釘群鉚釘總量；nn為加固節(jié)點(diǎn)新增鉚釘總量，nn= Rn/Rm；Rn為桿身加固件承載力；Rm為單個(gè)新鉚釘?shù)某休d力。

上述兩種方法僅考慮了鉚釘受力，但均沒(méi)有考慮加固后節(jié)點(diǎn)連接與桿身構(gòu)件的傳力問(wèn)題，若連接對(duì)桿身加固件支撐剛度不足，桿身加固件、原構(gòu)件內(nèi)力在桿端會(huì)發(fā)生重分布，加固件內(nèi)力向原構(gòu)件轉(zhuǎn)移。從解決上述問(wèn)題出發(fā)，提出方案3。

方案3，按照桿身加固件實(shí)際內(nèi)力及原鉚釘?shù)诙鷥?nèi)力（與新鉚釘內(nèi)力相等）進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案按照原鉚釘僅傳遞桿身原構(gòu)件內(nèi)力、新鉚釘僅傳遞桿身加固件內(nèi)力的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)桿身加固件內(nèi)力及原鉚釘?shù)诙鷥?nèi)力來(lái)確定新鉚釘?shù)臄?shù)量。為避免新鉚釘?shù)膬?nèi)力傳遞到桿身原構(gòu)件上，新鉚釘與原鉚釘對(duì)桿身加固件、原構(gòu)件的支撐剛度比應(yīng)與桿身構(gòu)件之間的剛度比相等。詳細(xì)計(jì)算流程見(jiàn)圖5。

圖5 節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方案3

3 算例分析

按照上述三種計(jì)算方案，選擇典型加固節(jié)點(diǎn)A15（A15E16 側(cè)） 進(jìn)行說(shuō)明。本橋原主桁鋼材為16Mnq，現(xiàn)場(chǎng)取材試驗(yàn)分析評(píng)定其性能滿足Q345qD的要求，A15E16 桿身為焊接工字形斷面，斷面寬720 mm，翼緣680 mm×24 mm，腹板厚16 mm；加固方案為在翼緣板上栓接680 mm×20 mm 的鋼板，對(duì)稱加固，端頭擴(kuò)大為1160 mm×20 mm 以與節(jié)點(diǎn)板連接，鋼材為Q345qD；節(jié)點(diǎn)采用鉚釘加固，鉚釘直徑為25 mm，孔徑26 mm，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》按照II 類孔計(jì)算單個(gè)鉚釘?shù)目辜舫休d力為71.7 kN，構(gòu)造見(jiàn)圖6。各方案計(jì)算過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

表2 節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方案1

圖6 A15 節(jié)點(diǎn)連接加固構(gòu)造示意圖

從表2、表3 及表4 計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，方案3 所需新鉚釘?shù)臄?shù)量最多，其次是方案2，最少的是方案1。

表3 節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方案2

表4 節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方案3

對(duì)于方案2 與方案3，假設(shè)桿身加固件承載力為F，鉚釘承載力為f，桿身加固件內(nèi)力設(shè)計(jì)值為aF，新鉚釘內(nèi)力設(shè)計(jì)值為bf，a、b 代表各自承載力的發(fā)揮水平。那么，方案2 中鉚釘數(shù)量為n2=F / f，方案3 中新增鉚釘數(shù)量為n3=aF / bf=a / b·n2，方案3 與方案2新鉚釘數(shù)量的多少取決于a / b 的值。就松浦大橋大修工程來(lái)講值基本在0.6 左右，b 值基本在0.5 左右，所以方案3 的鉚釘數(shù)量略大于方案2。方案3，桿身加固件與原構(gòu)件剛度比（面積比）約為0.63，新鉚釘與原鉚釘?shù)膭偠缺龋〝?shù)量比）約為0.61，兩者相近，符合設(shè)計(jì)要求。

4 成橋試驗(yàn)校正

松浦大橋大修工程A15 節(jié)點(diǎn)連接加固采用構(gòu)造方案4、計(jì)算采用方案3，施工完成后進(jìn)行了主橋成橋試驗(yàn)，取A15 節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校正。A15 節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變片布設(shè)考慮了4 條傳力路徑，分別測(cè)量記錄節(jié)點(diǎn)及桿身加固件、原構(gòu)件的數(shù)據(jù)，應(yīng)變片布設(shè)及路徑示意見(jiàn)圖7。

圖7 A15 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片布置方案

為方便歸納總結(jié)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將路徑1、4 和路徑2、3 在同一斷面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，統(tǒng)一用斷面位置進(jìn)行表示。從斷面1 到斷面2，新板尺寸由680 mm×20 mm 變?yōu)?160 mm×20 mm，因內(nèi)力向兩側(cè)擴(kuò)散，應(yīng)力從23.9 MPa 減小到13.1 MPa，但斷面2 應(yīng)力非均勻分布，按應(yīng)力平均值計(jì)算斷面軸力近似為257.4 kN，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 成橋試驗(yàn)結(jié)果

從表5 可以得到以下幾條信息：斷面1 新板應(yīng)力為23.9 MPa，老板應(yīng)力為24.1 MPa，二者幾乎相等，說(shuō)明加固后桿身受力協(xié)調(diào)，可以共同受力；斷面1、斷面2 軸力合計(jì)分別為718.4 kN、729.2 kN，兩者幾乎相等，說(shuō)明傳力路徑2、3 有效；斷面2、斷面3基本在蓋板鉚釘群的中間，軸力分別為151.9 kN 及174.5 kN，相差15%左右，考慮測(cè)點(diǎn)位置存在差異，可認(rèn)為兩者軸力相同，路徑1、4 傳力有效；該軸力與新板斷面1 軸力比值分別為47%、54%，理論上蓋板鉚釘群中間位置應(yīng)傳遞新板軸力50%，實(shí)測(cè)值與理論值基本相等，說(shuō)明該連接構(gòu)造可以完全傳遞桿身新板的軸力，與設(shè)計(jì)假定相符；從斷面1 到斷面2，老板軸力從393.3 kN 減小為319.9 kN，主要原因是新板在斷面2 處尺寸增大，加固效果增強(qiáng)，同時(shí)也說(shuō)明新鉚釘對(duì)新板的支撐剛度與設(shè)計(jì)假定相符。

總體來(lái)看，該節(jié)點(diǎn)加固設(shè)計(jì)，兼顧了節(jié)點(diǎn)連接加固與桿身加固，保證桿身加固件內(nèi)力順暢的傳遞到了節(jié)點(diǎn)區(qū)、在桿端沒(méi)有向桿身原構(gòu)件重分布，鉚釘受力符合預(yù)期規(guī)律，較好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖。

5 結(jié) 論

本文首先對(duì)4 種節(jié)點(diǎn)連接加固構(gòu)造方案進(jìn)行了分析，然后基于構(gòu)造方案4，對(duì)三種節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算方法進(jìn)行了比較，并對(duì)計(jì)算方案3 進(jìn)行了重點(diǎn)分析，最后通過(guò)成橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)方案3 進(jìn)行了校正，說(shuō)明了其有效性。通過(guò)上述研究，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）負(fù)荷節(jié)點(diǎn)連接加固應(yīng)盡量不拆除既有連接件，否則會(huì)引起未拆除連接件內(nèi)力的增大，導(dǎo)致加固量的增加。

（2）節(jié)點(diǎn)連接的加固應(yīng)綜合考慮連接及桿身受力，并考慮與桿身的連接構(gòu)造。

（3）節(jié)點(diǎn)連接加固計(jì)算時(shí)，新連接件應(yīng)對(duì)桿身加固件提供足夠的支撐剛度，避免在桿端桿身加固件因支撐剛度不足，內(nèi)力向原構(gòu)件轉(zhuǎn)移。

（4）按照等強(qiáng)原則及考慮支撐剛度的方案3 計(jì)算的新增鉚釘數(shù)量相差不大，可通過(guò)新鉚釘及加固件承載力的發(fā)揮水平，按照本文分析方法進(jìn)行確定。但無(wú)論采用哪一種計(jì)算方法，都應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)連接對(duì)桿身各構(gòu)件具有匹配的支撐剛度。