吊桿拱橋縱梁加固改造技術研究

崔業(yè)祥 余天程

收稿日期：2024-01-30

作者簡介：崔業(yè)祥（1979—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程施工。

摘要 文章項目以某橋為例，上部結構采用中承式鋼管混凝土吊桿拱橋，計算跨徑為60 m，拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土結構。2020年9月檢測報告顯示每片橫梁兩個側面均存在多條豎向裂縫和斜裂縫，最大縫寬0.4 mm，通過建立Midas模型驗算，拱橋吊桿力以及橫梁校驗系數富余度較小。為響應交通運輸部號召，在進行更換吊桿等相應加固措施的基礎上，增設鋼縱梁加固設計，對不同鋼桁架縱梁增設方式及增設前后的拱橋結構進行對比驗算，并對鋼桁架本身受力進行分析。該項目加固設計的一系列創(chuàng)新設計和施工經驗，可為同類橋型加固設計提供參考。

關鍵詞 鋼管混凝土拱橋；鋼縱梁；加固改造

中圖分類號 U448.22文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0047-04

0 引言

20世紀90年代，鋼管混凝土拱橋結構開始引入我國，這種具有輕便、美觀、跨度大、承載能力強等優(yōu)良特性的橋梁結構，在我國獲得了廣泛推廣[1]。由于我國早期鋼管拱橋的設計理念和計算方法等并不成熟[2]，早期的一些鋼管混凝土拱橋開始相繼出現病害問題。自2020年12月《交通運輸部關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》發(fā)布以來，各地交通行業(yè)主管部門，積極響應交通運輸部要求，對此類鋼管混凝土拱橋進行加固改造，以恢復橋梁的承載能力和正常使用，并增強橋梁結構安全性和耐久性，確保橋梁的運營安全。

1 工程概況

某橋（見圖1）上部結構采用中承式鋼管混凝土吊桿拱橋，計算跨徑為60 m，拱軸線形式為二次拋物線，矢跨比采用1/4。拱肋采用鋼管混凝土結構，截面為啞鈴形，拱肋內灌注40#混凝土，形成鋼管混凝土結構。橫梁采用鋼筋混凝土結構，混凝土采用30#混凝土。吊桿采用OVMDS5?127型φ5 mm高強鋼絲，錨頭采用墩頭錨。下部結構采用擴大基礎。

橋面總寬為22.3 m，橫橋向布置為3.175 m人行道+0.75 m拱肋+14.45 m機動車道+0.75 m拱肋+3.175 m人行道。橋面鋪裝采用10 cm防水鋪裝層混凝土，伸縮縫采用型鋼伸縮縫。

橋梁設計荷載等級為城?B級，人群荷載為4 kN/m2。

1.1 橋梁病害

全橋共22根吊桿，共有20根存在積水現象，且存在大面積銹蝕；每個吊桿橫梁兩個側面均存在多條豎向裂縫和斜裂縫，11片橫梁共發(fā)現124條豎向裂縫，最大縫寬為0.4 mm。

1.2 原結構驗算

計算模型（見圖2）采用Midas有限元程序建立主橋結構有限元模型，拱肋采用梁單元，吊桿采用只受拉桁架單元。計算荷載考慮結構自重、汽車荷載和人群荷載。該橋拱肋采用鋼管混凝土形式，結構計算時采用Midas/SPC截面計算軟件模擬鋼管混凝土疊合過程進行計算。

圖2 某橋結構模型

裂縫驗算最大寬度為0.199 mm，正常使用極限狀態(tài)下最大裂縫寬度為0.2 mm，驗算結果（見表1）表明原設計均滿足原設計規(guī)范。

1.3 病害成因分析

根據現場病害情況的調查及計算分析，橫梁承載能力滿足規(guī)范要求，但富余度并不大。分析病害主要成因由于建立時采用簡單吊桿拱體系，橫梁間缺乏縱向聯系，空間整體性較差、剛度小[3]，加上位于市區(qū)，車流量大，超限車輛多，車橋耦合效應明顯，在活荷載作用下的變形和振動較大。

表1 吊桿橫梁驗算結果匯總

驗算構件 驗算內容 作用/

（kN·m） 承載力設計

值/（kN·m） 安全系數

吊桿橫梁 抗彎承載力 4 200.1 4 952.7 1.4

抗剪承載力 1 249.9 1 481.0 1.3

2 加固設計

（1）增設兩道通長鋼縱梁。為提高橋梁結構體系的靜力特性和動力特性，增強橋梁的整體性，提高吊桿拱橋冗余度，確保橋梁運營安全，決定增設四道通長鋼縱梁[4]。由于鋼縱梁的承載能力主要由梁高決定，在綜合考慮經濟性及新增結構自重之后，從鋼桁架和工字鋼兩種縱梁結構中選用了鋼桁架結構[5]。

考慮某橋屬于中承式拱橋，提供了兩種鋼縱梁方案，按鋼縱梁位置在橋面上方和下方進行區(qū)分。其中在上方鋼縱梁兩肋間橫梁之間范圍內，如圖3，設置2道鋼縱梁，鋼縱梁通長梁高1 m，鋼縱梁在通過混凝土橫梁時，混凝土橫梁處采用兜吊體系的形式與鋼縱梁進行連接，鋼縱梁兩側需設置4道縱向簡易伸縮縫。如圖4，布置下方鋼縱梁則是在橋面板下對吊桿橫梁進行增設縱梁加固。在橋面板底，采用鋼桁架固定于錨固鋼板上，錨固鋼板通過錨栓與吊桿橫梁緊密連接。為滿足錨固鋼板與橫梁有效連接，每個橫梁頂底面設置鋼板與兩側錨固鋼板焊接，弦桿與腹桿采用焊接，橫梁外包鋼板及鋼管應進行防腐涂裝。

其中，上部通長鋼縱梁方案可以有效加強全橋整體性，但是整體方案比較復雜；下部鋼縱梁結構，自重小，較為隱蔽，對橋面外觀無影響，但是由于該橋地處山區(qū)，對橋梁泄洪能力要求較高，且下部橫梁間設有游步道。最終選擇截面如圖5的上部通長鋼縱梁桁架方案。

（2）對全橋吊桿進行更換，新吊桿材料采用GJ15-12鋼絞線整束擠壓拉索[6]。

（3）在每片吊桿橫梁底部增設兩道預應力碳纖維板，在橫梁兩側凹槽噴射15 cm厚的UHPC填充，在橫梁側面粘貼鋼板，橫梁加固斷面如圖6。

（4）對全橋進行防腐涂裝處理。

圖5 鋼縱梁截面圖（mm）

圖6 橫梁加固圖（cm）

3 施工組織設計

該次加固施工期間可保證半幅車輛、行人正常通行。

4 加固后驗算

4.1 加固后橫梁驗算

通過噴射高韌性混凝土和粘貼鋼板，增大截面面積；通過兩端張拉預應力碳纖維板增加預應力，加固后再次進行結構承載能力驗算。其加固后抗彎承載力從

4 952.7 kN·m提升至6 329.3 kN·m；抗剪承載力從1 481 kN提升至1 708 kN。

4.2 加固后縱梁驗算

在原先的結構模型上增加了鋼桁架縱梁。對加固后的結構開展靜力分析，發(fā)現對拱肋的撓度和強度以及橋面板的撓度富余度有所提升。

增設鋼縱梁暫無明確的參照標準，故以一根吊桿發(fā)生斷裂的最不利條件為控制標準進行對比計算（驗算見表2）。

表2 吊桿內力驗算

驗算構件 驗算內容 承載值/kN 容許值/kN 安全系數

加縱梁前 吊桿內力 1 986.2 4 164 2.10

加縱梁后 吊桿內力 1 471.5 4 164 2.83

鋼縱梁設計控制荷載為某一根吊桿突然斷裂時，將橋面荷載及沖擊力傳遞至相鄰吊桿，防止發(fā)生橋面坍塌等嚴重事故。根據相關文獻資料和橋梁實際情況，擬定吊桿斷裂時吊桿力變化時程曲線，計算確定吊桿斷裂時鋼縱梁承擔的沖擊力[7]，驗算結果見表3。

表3 鋼縱梁應力驗算

驗算構件 驗算內容 承載值/

MPa 容許值/

MPa 是否滿足

要求

斷索前 最大應力 39.6 275 是

最小應力 ?67.2 275 是

斷索后 最大應力 42.3 275 是

最小應力 ?97.9 275 是

驗算結果表明，增設鋼縱梁能明顯改善吊桿斷裂時周邊吊桿的內力情況，且鋼縱梁自身應力驗算符合規(guī)范要求。

5 加固效果驗證

項目施工完成后，對橋梁進行荷載試驗，其中試驗控制斷面示意圖如圖7，通過現場加載，結合試驗現象和試驗數據，對橋梁結構的受力狀態(tài)進行分析，對橋梁的維修加固效果進行評判，并對維修加固后的橋梁作出總體綜合評價，從而為該橋今后的運營養(yǎng)護及長期健康狀況評估提供基本結構原始參數，為工程運營提供技術依據。

對靜載試驗結果（見表4）進行分析，得到以下主要結論：

（1）該次橋梁靜載試驗的荷載效率為0.95～1.05，符合《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）對基本荷載試驗規(guī)定的要求，其試驗結果可用于橋梁承載能力的評價。

（2）各個工況最大級試驗荷載作用下撓度校驗系數、應變校驗系數、吊桿力校驗系數、校驗系數均小于1.0，各測點的殘余應變和殘余撓度均小于規(guī)范規(guī)定的20%，表明結構處于彈性受力階段，滿足規(guī)范要求。

（3）整個試驗加載過程中及卸載后，分別對拱腳以及橋面系等構件進行外觀檢查，未發(fā)現有新增病害出現，原有病害未發(fā)現有發(fā)展狀況，既有裂縫寬度和長度未發(fā)展。

對動載試驗結果進行分析，得到以下主要結論：

（1）脈動試驗：根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定，實測頻率fm與理論計算頻率fd之間的比值1.057＞1.0，說明北鎮(zhèn)橋上部結構整體性能和受力體系處于較好狀態(tài)，結構無明顯損傷和剛度退化情況。

（2）跑車試驗：當重車以預期10 km/h通過時，動力放大系數為0.035；當重車以預期20 km/h通過時，沖擊系數為0.033；當重車以預期30 km/h通過時，沖擊系數為0.025。從測試結果可以看出，以預期10～30 km/h的時速經過橋梁時，橋梁的動態(tài)車輛荷載作用下測點最大變位值為3.415～3.583 mm，沖擊系數為0.025～0.035。當試驗車輛以預期20 km/h的速度通過時，橋梁四分點的動態(tài)車輛荷載作用下測點最大變位值達到3.583 mm，說明此時車輛的激振頻率與橋梁的自振頻率較為接近，并且車輛對橋梁的沖擊作用較大，導致橋梁結構的豎向振動較大。

6 結語

該項目橋梁屬于早期建設的漂浮體系吊桿混凝土拱橋，整體性較弱，在超限車輛等的影響因素下存在較多病害。該次某橋加固設計采用增大橫梁截面面積及增設預應力碳纖維板法，增大橫梁承載力富余系數，抗彎承載力提升27%，抗剪承載力提升15%；同時增設鋼縱梁，其吊桿在有一根斷裂的情況下周邊吊桿的承受索力降低25.8%，且有效增加橋面縱向整體性。

參考文獻

[1]陳寶春， 韋建剛， 周俊， 等. 我國鋼管混凝土拱橋應用現狀與展望[J]. 土木工程學報， 2017（6）： 50-61.

[2]陳寶春. 鋼管混凝土拱橋應用與研究進展[J]. 公路， 2008（11）： 57-66.

[3]滕宇. 鋼管混凝土拱橋檢測評估與加固技術研究[D]. 西安：長安大學， 2017.

[4]李琦， 楊金潔， 姚山. 金口河區(qū)大渡河大橋橋面結構體系加固改造技術[J]. 公路交通技術， 2019（1）： 70-76.

[5]楊福明. 鋼管混凝土拱橋鋼縱梁加固橋面系關鍵技術研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2022.

[6]鋼管混凝土拱橋技術規(guī)范：GB 50923—2013[S]. 北京：中國計劃出版社， 2014.

[7]柴文浩， 楊雅勛， 張宇航. 吊桿斷裂對系桿拱橋力學性能的影響[J]. 公路， 2021（9）： 174-179.