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(xiàng)目以某橋?yàn)槔?，上部結(jié)構(gòu)采用中承式鋼管混凝土吊桿拱橋，計(jì)算跨徑為60 m，拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。2020年9月檢測報(bào)告顯示每片橫梁兩個(gè)側(cè)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(yàn)算，拱橋吊桿力以及橫梁校驗(yàn)系數(shù)富余度較小。為響應(yīng)交通運(yùn)輸部號(hào)召，在進(jìn)行更換吊桿等相應(yīng)加固措施的基礎(chǔ)上，增設(shè)鋼縱梁加固設(shè)計(jì)，對(duì)不同鋼桁架縱梁增設(shè)方式及增設(shè)前后的拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算，并對(duì)鋼桁架本身受力進(jìn)行分析。該項(xiàng)目加固設(shè)計(jì)的一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，可為同類橋型加固設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 鋼管混凝土拱橋；鋼縱梁；加固改造

中圖分類號(hào) U448.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0047-04

0 引言

20世紀(jì)90年代，鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)開始引入我國，這種具有輕便、美觀、跨度大、承載能力強(qiáng)等優(yōu)良特性的橋梁結(jié)構(gòu)，在我國獲得了廣泛推廣[1]。由于我國早期鋼管拱橋的設(shè)計(jì)理念和計(jì)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(xiàn)病害問題。自2020年12月《交通運(yùn)輸部關(guān)于進(jìn)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(yīng)交通運(yùn)輸部要求，對(duì)此類鋼管混凝土拱橋進(jìn)行加固改造，以恢復(fù)橋梁的承載能力和正常使用，并增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，確保橋梁的運(yùn)營安全。

1 工程概況

某橋（見圖1）上部結(jié)構(gòu)采用中承式鋼管混凝土吊桿拱橋，計(jì)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(jié)構(gòu)，截面為啞鈴形，拱肋內(nèi)灌注40#混凝土，形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土采用30#混凝土。吊桿采用OVMDS5?127型φ5 mm高強(qiáng)鋼絲，錨頭采用墩頭錨。下部結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

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(jī)動(dòng)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(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城?B級(jí)，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(xiàn)象，且存在大面積銹蝕；每個(gè)吊桿橫梁兩個(gè)側(cè)面均存在多條豎向裂縫和斜裂縫，11片橫梁共發(fā)現(xiàn)124條豎向裂縫，最大縫寬為0.4 mm。

1.2 原結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

計(jì)算模型（見圖2）采用Midas有限元程序建立主橋結(jié)構(gòu)有限元模型，拱肋采用梁單元，吊桿采用只受拉桁架單元。計(jì)算荷載考慮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用Midas/SPC截面計(jì)算軟件模擬鋼管混凝土疊合過程進(jìn)行計(jì)算。

圖2 某橋結(jié)構(gòu)模型

裂縫驗(yàn)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(yàn)算結(jié)果（見表1）表明原設(shè)計(jì)均滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范。

1.3 病害成因分析

根據(jù)現(xiàn)場病害情況的調(diào)查及計(jì)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(shí)采用簡單吊桿拱體系，橫梁間缺乏縱向聯(lián)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(yīng)明顯，在活荷載作用下的變形和振動(dòng)較大。

表1 吊桿橫梁驗(yàn)算結(jié)果匯總

驗(yàn)算構(gòu)件 驗(yàn)算內(nèi)容 作用/

（kN·m） 承載力設(shè)計(jì)

值/（kN·m） 安全系數(shù)

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(shè)計(jì)

（1）增設(shè)兩道通長鋼縱梁。為提高橋梁結(jié)構(gòu)體系的靜力特性和動(dòng)力特性，增強(qiáng)橋梁的整體性，提高吊桿拱橋冗余度，確保橋梁運(yùn)營安全，決定增設(shè)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(jīng)濟(jì)性及新增結(jié)構(gòu)自重之后，從鋼桁架和工字鋼兩種縱梁結(jié)構(gòu)中選用了鋼桁架結(jié)構(gòu)[5]。

考慮某橋?qū)儆谥谐惺焦皹?，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(jìn)行區(qū)分。其中在上方鋼縱梁兩肋間橫梁之間范圍內(nèi)，如圖3，設(shè)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(shí)，混凝土橫梁處采用兜吊體系的形式與鋼縱梁進(jìn)行連接，鋼縱梁兩側(cè)需設(shè)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(duì)吊桿橫梁進(jìn)行增設(shè)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(gè)橫梁頂?shù)酌嬖O(shè)置鋼板與兩側(cè)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(yīng)進(jìn)行防腐涂裝。

其中，上部通長鋼縱梁方案可以有效加強(qiáng)全橋整體性，但是整體方案比較復(fù)雜；下部鋼縱梁結(jié)構(gòu)，自重小，較為隱蔽，對(duì)橋面外觀無影響，但是由于該橋地處山區(qū)，對(duì)橋梁泄洪能力要求較高，且下部橫梁間設(shè)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(duì)全橋吊桿進(jìn)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(shè)兩道預(yù)應(yīng)力碳纖維板，在橫梁兩側(cè)凹槽噴射15 cm厚的UHPC填充，在橫梁側(cè)面粘貼鋼板，橫梁加固斷面如圖6。

（4）對(duì)全橋進(jìn)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(shè)計(jì)

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(yàn)算

4.1 加固后橫梁驗(yàn)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(yù)應(yīng)力碳纖維板增加預(yù)應(yīng)力，加固后再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)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(yàn)算

在原先的結(jié)構(gòu)模型上增加了鋼桁架縱梁。對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)開展靜力分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)拱肋的撓度和強(qiáng)度以及橋面板的撓度富余度有所提升。

增設(shè)鋼縱梁暫無明確的參照標(biāo)準(zhǔn)，故以一根吊桿發(fā)生斷裂的最不利條件為控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算（驗(yàn)算見表2）。

表2 吊桿內(nèi)力驗(yàn)算

驗(yàn)算構(gòu)件 驗(yàn)算內(nèi)容 承載值/kN 容許值/kN 安全系數(shù)

加縱梁前 吊桿內(nèi)力 1 986.2 4 164 2.10

加縱梁后 吊桿內(nèi)力 1 471.5 4 164 2.83

鋼縱梁設(shè)計(jì)控制荷載為某一根吊桿突然斷裂時(shí)，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(yán)重事故。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和橋梁實(shí)際情況，擬定吊桿斷裂時(shí)吊桿力變化時(shí)程曲線，計(jì)算確定吊桿斷裂時(shí)鋼縱梁承擔(dān)的沖擊力[7]，驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表3 鋼縱梁應(yīng)力驗(yàn)算

驗(yàn)算構(gòu)件 驗(yàn)算內(nèi)容 承載值/

MPa 容許值/

MPa 是否滿足

要求

斷索前 最大應(yīng)力 39.6 275 是

最小應(yīng)力 ?67.2 275 是

斷索后 最大應(yīng)力 42.3 275 是

最小應(yīng)力 ?97.9 275 是

驗(yàn)算結(jié)果表明，增設(shè)鋼縱梁能明顯改善吊桿斷裂時(shí)周邊吊桿的內(nèi)力情況，且鋼縱梁自身應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范要求。

5 加固效果驗(yàn)證

項(xiàng)目施工完成后，對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，其中試驗(yàn)控制斷面示意圖如圖7，通過現(xiàn)場加載，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)橋梁的維修加固效果進(jìn)行評(píng)判，并對(duì)維修加固后的橋梁作出總體綜合評(píng)價(jià)，從而為該橋今后的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)及長期健康狀況評(píng)估提供基本結(jié)構(gòu)原始參數(shù)，為工程運(yùn)營提供技術(shù)依據(jù)。

對(duì)靜載試驗(yàn)結(jié)果（見表4）進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）該次橋梁靜載試驗(yàn)的荷載效率為0.95～1.05，符合《城市橋梁檢測與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）對(duì)基本荷載試驗(yàn)規(guī)定的要求，其試驗(yàn)結(jié)果可用于橋梁承載能力的評(píng)價(jià)。

（2）各個(gè)工況最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、吊桿力校驗(yàn)系數(shù)、校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，各測點(diǎn)的殘余應(yīng)變和殘余撓度均小于規(guī)范規(guī)定的20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段，滿足規(guī)范要求。

（3）整個(gè)試驗(yàn)加載過程中及卸載后，分別對(duì)拱腳以及橋面系等構(gòu)件進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)有新增病害出現(xiàn)，原有病害未發(fā)現(xiàn)有發(fā)展?fàn)顩r，既有裂縫寬度和長度未發(fā)展。

對(duì)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

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

（2）跑車試驗(yàn)：當(dāng)重車以預(yù)期10 km/h通過時(shí)，動(dòng)力放大系數(shù)為0.035；當(dāng)重車以預(yù)期20 km/h通過時(shí)，沖擊系數(shù)為0.033；當(dāng)重車以預(yù)期30 km/h通過時(shí)，沖擊系數(shù)為0.025。從測試結(jié)果可以看出，以預(yù)期10～30 km/h的時(shí)速經(jīng)過橋梁時(shí)，橋梁的動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測點(diǎn)最大變位值為3.415～3.583 mm，沖擊系數(shù)為0.025～0.035。當(dāng)試驗(yàn)車輛以預(yù)期20 km/h的速度通過時(shí)，橋梁四分點(diǎn)的動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測點(diǎn)最大變位值達(dá)到3.583 mm，說明此時(shí)車輛的激振頻率與橋梁的自振頻率較為接近，并且車輛對(duì)橋梁的沖擊作用較大，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)較大。

6 結(jié)語

該項(xiàng)目橋梁屬于早期建設(shè)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(shè)計(jì)采用增大橫梁截面面積及增設(shè)預(yù)應(yīng)力碳纖維板法，增大橫梁承載力富余系數(shù)，抗彎承載力提升27%，抗剪承載力提升15%；同時(shí)增設(shè)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(xiàn)

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

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

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

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

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

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

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