汪永蘭，賀志啟

(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211100)

0 引言

在我國(guó)橋梁工程中，帶有懸吊橋面系的中承式拱橋是一種較為常見的橋梁結(jié)構(gòu)形式。圖1為懸吊橋面系中承式拱橋的一般結(jié)構(gòu)形式，在這類橋型結(jié)構(gòu)中，橋面系上的荷載由橋面板傳遞給橫梁，橫梁再傳遞給吊桿，最后傳遞至拱肋。雖然這類結(jié)構(gòu)的受力比較明確，施工方便，但實(shí)踐證明其結(jié)構(gòu)安全冗余度較低。

圖1 懸吊橋面系中承式拱橋結(jié)構(gòu)示意圖

在采用懸吊橋面系的中承式與下承式拱橋中，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起橋梁事故，給工程界敲響了警鐘，《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB 50923-2013)提出：中、下承式拱橋的懸吊橋面系應(yīng)采用整體性結(jié)構(gòu)，以橫梁受力為主的懸吊橋面系必須設(shè)置加勁縱梁，并具有單根吊索失效后不落梁的能力。作為強(qiáng)制性條文對(duì)新設(shè)計(jì)的中、下承式拱橋橋面系結(jié)構(gòu)提出要求。由此，對(duì)現(xiàn)存懸吊橋面系中承式拱橋，研究其橋面系改造方案，增加結(jié)構(gòu)安全冗余度，也十分迫切。

1 橋梁概況

研究對(duì)象是一座三跨自錨中承式鋼管混凝土拱橋(圖2)，跨徑布置為57.5 m+235 m+57.5 m。

該橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，掛車-120，橋面寬度為33 m，雙向6車道通行。主拱肋為提籃式雙拱肋。主拱肋與邊跨拱肋的矢跨比分別為1/4及1/8，邊、中跨拱軸系數(shù)分別為1.3及1.33。全橋吊桿總計(jì)78根，吊桿間距5 m，吊桿索體由163根直徑為5 mm的鍍鋅平行鋼絲組成，外包PE護(hù)套，錨具采用OVMDS(K)可調(diào)試?yán)滂T鐓頭錨。系桿為柔性系桿構(gòu)造，采用16束25φ15.2鋼絞線拉索，放置在保護(hù)鋼箱里，縱向貫穿橋梁的主跨和兩個(gè)邊跨。橋面系下的支撐橫梁均為變高度鋼箱梁，梁高從中央1.74 m漸變到兩端1.5 m，腹板厚16 mm，每個(gè)箱形橫梁由兩根吊桿懸吊。

從傳力路徑上，可以將本橋三跨自錨中承式鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)，劃分成“總體傳力體系”和“懸吊橋面系傳力體系”兩部分(見圖2)。

對(duì)于“懸吊橋面系傳力體系”，橋面系的橫梁吊掛在兩側(cè)的柔性吊桿上。若吊桿失效，橫梁將會(huì)墜落，造成橋面局部坍塌。同類橋梁的事故教訓(xùn)表明，這一缺乏冗余度的橋面系構(gòu)造，需要加以改造。

(a)總體傳力體系

(b)懸吊橋面系傳力體系

2 橋面系改造方案

增設(shè)加勁縱梁是防止橫梁墜落的一種可靠的構(gòu)造措施。其基本構(gòu)造措施為：在橋面系的吊點(diǎn)下方增設(shè)縱向鋼桁架或工字鋼，對(duì)橋面系形成冗余約束。加勁縱梁的選擇，既要保證在吊桿失效情況下橫梁不致于墜落，也不能明顯增加橋梁自重，盡可能減小對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響。

現(xiàn)提出兩種構(gòu)造形式的縱梁方案：桁架梁和工字型鋼梁(見圖3～4)。

圖3 桁架梁構(gòu)造示意圖(單位：mm)

圖4 工字型鋼梁構(gòu)造示意圖(單位：mm)

考慮不同的吊桿斷裂情形，最不利考慮兩根吊桿同時(shí)斷裂，對(duì)加勁縱梁強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，擬定合適的尺寸，兩種方案均能滿足兩根吊桿同時(shí)斷裂時(shí)橋面系橫梁不致墜落要求，但工字型鋼梁方案比桁架梁每節(jié)間用鋼量節(jié)省30%以上，結(jié)合該橋特點(diǎn)分析可施工性、對(duì)交通影響、可維護(hù)性等方面，綜合比選后推薦采用工字型鋼梁方案。

3 改造對(duì)原橋力學(xué)性能的影響分析

3.1 計(jì)算模型

采用Midas Civil軟件，建立全橋的空間桿系有限元模型。主拱肋的弦管采用梁?jiǎn)卧M，腹桿采用桁架單元模擬，其余邊拱肋、立柱、橫梁、橋面板、樁基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧鯒U及系桿采用桁架單元模擬。為了充分考慮加固改造對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響，樁基側(cè)面采用土彈簧約束并隨深度不同采用不同的K值模擬樁土作用。

由于計(jì)算主要考察新加構(gòu)造對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算時(shí)模擬還原了整個(gè)施工過程，以便了解原橋各構(gòu)件成橋狀態(tài)的內(nèi)力。

3.2 對(duì)原橋恒載效應(yīng)的影響

新增加勁縱梁自重沿縱橋向的荷載集度為10 kN/m，相比之下，原結(jié)構(gòu)橋面系(含橋面鋪裝)自重沿縱橋向的荷載集度約為400 kN/m，橋面系自重增加約2.5%，對(duì)原結(jié)構(gòu)受力影響較小，經(jīng)計(jì)算，新增縱梁對(duì)各主要承重構(gòu)件恒載內(nèi)力影響最大在2%左右。

3.3 對(duì)原橋活載效應(yīng)的影響

增設(shè)縱梁后，橋梁跨中靜活載撓度約減小13%(見表1)；由于新增縱梁對(duì)吊桿受力的均攤作用，汽車荷載產(chǎn)生的吊桿拉力大大減少，減幅約為40%。

增設(shè)縱梁從一定程度上提高了橋面系的整體剛度，吊桿活載應(yīng)力幅明顯減小(邊吊桿和中吊桿活載應(yīng)力占總應(yīng)力的比值分別由原來(lái)的35%、37%降到22%、23%)，有效降低了吊桿疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 溫度效應(yīng)的不利影響

原橋橋面在主跨拱肋與橋面交匯處設(shè)有溫度伸縮縫，橋面板與拱肋無(wú)結(jié)構(gòu)直接相連，橋面以下的橫梁與拱肋無(wú)縱向聯(lián)系，所以橋面系的溫度作用不會(huì)傳遞到拱肋上。

增設(shè)加勁縱梁后，縱梁將橋面系橫梁與主拱肋連接起來(lái)，橋面系在溫度作用下的變形會(huì)被拱肋限制，因此可能在縱梁及拱肋處產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力。

由此計(jì)算了整體結(jié)構(gòu)降溫20 ℃和升溫40 ℃時(shí)，縱梁和拱肋內(nèi)的溫度應(yīng)力情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在溫度場(chǎng)作用下縱梁和拱肋的連接處會(huì)傳遞較大的水平力。但是，橋梁的承重結(jié)構(gòu)斷面較大，在升、降溫情況下，原有的橋梁承重體系受力情況變化不大，變化幅度不超過10 MPa；而對(duì)于縱梁，由于其截面較小，同樣的水平力導(dǎo)致其產(chǎn)生的應(yīng)力較大，甚至超過100 MPa，這說明溫度場(chǎng)作用對(duì)縱梁本身的應(yīng)力有較大的影響。這對(duì)橋梁的安全及加固可靠性不利，因此加勁縱梁與拱肋連接設(shè)計(jì)為銷釘鉸接，設(shè)置溫度伸縮變形孔，使縱梁的縱向變形在端部不受約束，當(dāng)溫度升高或者降低時(shí)，縱梁端部可在孔道滑移(見圖5)。

圖5 加勁縱梁端部與拱肋銷釘鉸連接示意圖

3.5 動(dòng)力性能計(jì)算

增設(shè)縱梁前后橋梁的動(dòng)力特性對(duì)比情況列于表2。由于增設(shè)縱梁后橋面系面外剛度增大，各階豎彎振型的頻率均有所增大，一階反對(duì)稱豎彎、一階正對(duì)稱豎彎振型對(duì)應(yīng)頻率分別增大2.5%、3.5%；二階反對(duì)稱豎彎振型對(duì)應(yīng)頻率增大4.5%。增設(shè)縱梁對(duì)原橋扭轉(zhuǎn)振型影響甚微。

可見，增設(shè)縱梁提高了橋面系的整體性，但總體而言對(duì)原橋動(dòng)力特性影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土拱橋采用懸吊橋面系傳力體系，一根吊桿斷裂即可能發(fā)生橋面坍塌的嚴(yán)重事故，安全冗余度不足，針對(duì)此問題提出了增設(shè)加勁縱梁的體系改造方案。加勁縱梁將所有懸吊橫梁聯(lián)系起來(lái)，兩端采用銷釘鉸方式與拱肋連接。在縱梁選型計(jì)算時(shí)考慮滿足2根吊桿同時(shí)斷裂的極端情形下橋面系橫梁不致墜落的要求。從自重(用鋼量)、可施工性、對(duì)交通影響、可維護(hù)性等方面對(duì)提出的兩種構(gòu)造形式的縱梁進(jìn)行了比較，認(rèn)為工字型鋼梁方案是優(yōu)選方案。

增設(shè)縱梁提高了橋面系的整體剛度，活載撓度減小約13%，吊桿活載應(yīng)力幅明顯減小，對(duì)吊桿耐久性有利。在縱梁自重增加不大的情況下，原橋各構(gòu)件受力影響較小，均能滿足承載能力要求。動(dòng)力特性各階豎彎基頻略有增大，總體影響不大。可見，提出的橋面系改造方案可行。