李　杰， 陳　淮， 王　艷， 陳代海

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

曲弦下承式鋼管混凝土桁梁橋改造方案分析

李杰， 陳淮， 王艷， 陳代海

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：針對(duì)某上跨鐵路曲弦下承式鋼管混凝土桁梁橋運(yùn)營中出現(xiàn)橋面變形大的問題，利用橋梁專用軟件建立數(shù)值分析模型，并結(jié)合橋梁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討橋面結(jié)構(gòu)變形大的原因；本著少影響下方鐵路運(yùn)行、施工安全可行、節(jié)約投資，且能切實(shí)改善大橋運(yùn)營狀態(tài)的原則，提出簡支變連續(xù)、加強(qiáng)橫撐并增加吊索張拉橫梁等措施，對(duì)橋面以上部位進(jìn)行改造，同時(shí)對(duì)改造步驟給出建議；最后對(duì)改造效果進(jìn)行理論分析.理論分析表明：改造后結(jié)構(gòu)安全，且活載作用下橫梁及橋面變形大幅度減小，改造效果顯著.

關(guān)鍵詞：曲弦下承式鋼管混凝土桁梁橋；橫梁；豎向變形；改造方案

0引言

某環(huán)城快速路上跨電氣化干線鐵路，主橋采用122+62+62+122 m四跨簡支的曲弦下承式鋼管混凝土桁梁橋，見圖1所示.大橋上弦采用鋼管混凝土，下弦(系桿)采用開口鋼箱，內(nèi)穿鋼絞線(122 m還內(nèi)加拉筋)，最后壓注砂漿，腹桿采用φ600×8鋼管，橋面每5 m設(shè)置1根橫梁，橫梁亦為開口變截面鋼箱，橫梁上為0.280～0.315 m的橋面層，上部結(jié)構(gòu)采用支架施工.

大橋1995年竣工，隨著經(jīng)濟(jì)與交通快速發(fā)展，車輛急劇增加帶來了橋梁結(jié)構(gòu)不同程度的老化和損傷，2008年、2009年、2010年分別對(duì)大橋進(jìn)行了外觀檢測(cè)及靜、動(dòng)載試驗(yàn).檢測(cè)結(jié)果反映大橋的工作性能較差，結(jié)構(gòu)剛度不足，特別是在試驗(yàn)荷載作用下，中橫梁撓度及應(yīng)變均較大.日常運(yùn)營中也發(fā)現(xiàn)橋面出現(xiàn)坑洼，瀝青混凝土鋪裝層易損壞.考慮到本橋是連接市內(nèi)外交通的要道，鋼結(jié)構(gòu)材料的損傷積累和疲勞破壞問題突出[1-6]，因此有必要針對(duì)大橋的現(xiàn)狀采取措施進(jìn)行改造.筆者依托大橋改造項(xiàng)目，采用數(shù)值方法對(duì)既有大橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，然后基于理論分析和橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，考慮橋址處特殊情況提出一套可行的改造方案，最后對(duì)該方案的效果進(jìn)行詳細(xì)分析，以說明方案的可行性.

1既有大橋結(jié)構(gòu)的理論分析

1.1有限元模型

大橋結(jié)構(gòu)形式為曲弦下承式鋼管混凝土桁梁，外部體系可看作4座簡支的結(jié)構(gòu).考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)以及構(gòu)件間的連接方式，上弦鋼管混凝土采用空間梁單元模擬，且鋼管和內(nèi)填的混凝土采用共節(jié)點(diǎn)單元；腹桿采用空間梁單元模擬；下弦開口鋼梁截面采用MIDAS的截面導(dǎo)入功能，內(nèi)填20號(hào)砂漿與下弦桿共節(jié)點(diǎn)；下弦桿中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線為體外束，122 m跨每側(cè)下弦桿中有26根φ30的拉筋，模型中將其等效為一根粗鋼筋；橫梁采用變截面梁單元模擬；橫撐采用梁單元模擬，人行道、護(hù)欄等二期恒載按照設(shè)計(jì)圖紙換算為線集度施加于人行道，橋面鋪裝采用虛擬梁單元考慮重量，不考慮橋面參與結(jié)構(gòu)受力；大橋西側(cè)設(shè)置固定鉸支座，東側(cè)為滑動(dòng)支座.

1.2原結(jié)構(gòu)理論分析

按照橋梁設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)122 m跨、62 m跨曲弦下承式鋼管混凝土梁橋分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，考慮的荷載主要有恒載、下弦桿預(yù)應(yīng)力、橋面鋪裝、車輛活載、人群活載等，考慮基本組合，即1.2恒載+1.4(車輛活載+0.8×人群活載)，其中車輛活載為4車道布載.橋面板不參與結(jié)構(gòu)受力，僅計(jì)入其產(chǎn)生的二期恒載作用.限于篇幅，表1給出了122 m跨的理論分析結(jié)果.

從表1可以看出，122 m跨曲弦下承式鋼管混凝土桁梁橋在檢算工況荷載作用下，滿足規(guī)范要求.其中恒載最大豎向位移-131.0 mm，該變形可在施工時(shí)設(shè)置預(yù)拱度抵消，恒載+活載最大豎向位移-286.2 mm，活載變形小于規(guī)范規(guī)定的L/600，滿足剛度要求；恒載+活載組合下：上弦鋼管的最小組合壓應(yīng)力-73.28 MPa，最大組合壓應(yīng)力-179.05 MPa，全截面受壓，且應(yīng)力均未超過鋼材容許強(qiáng)度；下弦鋼構(gòu)件受拉，最大組合應(yīng)力146.78 MPa；橫梁中最大組合應(yīng)力158.82 MPa，壓應(yīng)力為-143.68 MPa；腹桿中最大組合應(yīng)力為125.29 MPa，橫撐應(yīng)力水平較低；上弦鋼管內(nèi)填混凝土最大組合壓應(yīng)力-31.42 MPa，最小組合壓應(yīng)力-13.65 MPa，由于鋼管混凝土中鋼管對(duì)混凝土的環(huán)箍效應(yīng)，使得內(nèi)填混凝土處于復(fù)雜的三向受力狀態(tài)，能夠大幅度提高混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此可以確保內(nèi)填混凝土滿足承載要求.

1.3橋梁靜載試驗(yàn)與分析

通過對(duì)大橋的一次成橋結(jié)構(gòu)安全檢算可以看出，原設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但數(shù)值分析僅能依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，所得結(jié)果是對(duì)整體結(jié)構(gòu)宏觀的評(píng)價(jià)，且經(jīng)過這么多年的運(yùn)營，特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)常見的焊縫連接、屈曲和疲勞問題，常規(guī)分析無法進(jìn)行精細(xì)模擬，而鋼結(jié)構(gòu)的焊縫、銹蝕是影響結(jié)構(gòu)整體工作性能和耐久性的重要因素[7-13].

考慮到大橋下方通行電氣化鐵路的特殊情況，現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)僅對(duì)62 m跨進(jìn)行了靜、動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè).鑒于大橋的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和試驗(yàn)安全，檢測(cè)單位選用的試驗(yàn)車輛為6輛30 t卡車.筆者依據(jù)該報(bào)告中荷載車輛的布置方式，將各種工況下的試驗(yàn)荷載作為靜力荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)，通過有限元模型進(jìn)行理論分析，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)工況共進(jìn)行了5個(gè)加載工況[14]，工況一：試驗(yàn)跨拱頂正彎矩影響線布載(正載)；工況二：試驗(yàn)跨拱頂正彎矩影響線布載(偏載)；工況三：試驗(yàn)跨拱腳負(fù)彎矩影響線布載(正載)；工況四：試驗(yàn)跨拱腳負(fù)彎矩影響線布載(偏載)；工況五：試驗(yàn)跨L/12正彎矩影響線布載(正載).限于篇幅僅給出工況三橫梁的變形數(shù)據(jù)，圖2為工況三加載布置.

圖3為工況三1/4跨橫梁、跨中橫梁變形圖.從圖3可以看出，在加載車輛的作用下，橫梁發(fā)生了豎向撓曲，且在加載附近變形最大，進(jìn)而造成橋面產(chǎn)生較大變形，從數(shù)值分析和荷載試驗(yàn)都表明該趨勢(shì).可以判斷出，每5 m設(shè)置一根的橫梁剛度相對(duì)柔弱，對(duì)平均厚度30 cm的橋面支撐較弱，本橋的荷載傳遞路徑首先通過橋面?zhèn)鬟f給橫梁，再向上弦桿、下弦桿和腹桿傳遞，雖然整個(gè)桁架系統(tǒng)剛度較大，但并不能改變較弱的橋面局部變形大的問題.此外，從動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，結(jié)構(gòu)自振頻率的實(shí)測(cè)值較理論值小，這也表明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，剛度變小.

2改造方案及效果分析

2.1改造方案及實(shí)施步驟

依據(jù)以上分析并結(jié)合大橋目前所表現(xiàn)出的狀況，本著盡量少影響下方鐵路運(yùn)行、施工安全可行、節(jié)約投資，且能切實(shí)改善大橋運(yùn)營狀態(tài)的原則，重點(diǎn)對(duì)橋面以上部位進(jìn)行改造，以期達(dá)到減小橋面變形、提高橋梁縱向整體剛度和橫梁局部剛度的目的，基于此目的提出橋梁改造方案.

(1)考慮到大橋主要承重構(gòu)件滿足承載能力要求，上弦、下弦桿件和腹桿桿件基本完好，橋梁存在主要問題是橋面變形大，橫梁剛度較弱，因此首先考慮改變結(jié)構(gòu)的體系，將原4跨簡支曲弦桁架橋轉(zhuǎn)變?yōu)?跨連續(xù)曲弦桁架橋體系，即通過在各跨墩頂接縫處增加剛性連接桿件，將原簡支曲弦桁架橋連接成連續(xù)體系，在原有支座位置仍然設(shè)置支座，僅需根據(jù)連續(xù)體系的特點(diǎn)，將4跨連續(xù)梁的支座變換為1個(gè)固定支座，其余為活動(dòng)鉸支座，改造施工工程量較小.

(2)為了改善橋面板變形較大的問題，特別是橫梁變形較大的問題，在橋梁改造方案步驟1的基礎(chǔ)上，加固兩片桁架之間橫撐，提高橫撐豎彎剛度，通過在橫撐張拉若干吊索，吊索下端錨固于橋面下橫梁上.吊索的張拉可以顯著改善橋面變形較大的問題，為了保護(hù)增設(shè)的吊索可在中央分隔帶增設(shè)橫向?qū)挾?.5 m左右的硬隔離帶.改造施工工程量較小，僅需掀開橋面錨固吊索，同時(shí)上端錨固于橫撐合適部位.

(3)如果非機(jī)動(dòng)車道和人行道要改為機(jī)動(dòng)車道，在橋梁改造方案步驟2的基礎(chǔ)上，先在橫梁外伸端部增加縱梁，再將曲弦橫撐橫向向外伸長，在外伸橫撐與橫梁端部的縱梁之間外掛吊索，通過張拉外掛吊索，提高原非機(jī)動(dòng)車道和人行道的承載能力，會(huì)顯著改善橋梁運(yùn)營狀況.

具體實(shí)施時(shí)，可考慮按照以下步驟進(jìn)行.

(1)施工前準(zhǔn)備工作，封閉大橋交通，修補(bǔ)橋梁上弦、橫撐及腹桿等構(gòu)件的缺陷，將原4跨簡支曲弦桁架橋轉(zhuǎn)變?yōu)?跨連續(xù)曲弦桁架橋體系，即通過在各跨墩頂接縫處增加剛性連接桿件，將原簡支曲弦桁架橋連接成連續(xù)體系，在原有支座位置仍然設(shè)置支座，僅需根據(jù)連續(xù)體系的特點(diǎn)，將4跨連續(xù)梁的支座變換為1個(gè)固定支座，其余為活動(dòng)鉸支座.加固兩片桁架之間橫撐，提高其抗彎剛度.

(2)協(xié)調(diào)鐵路運(yùn)行時(shí)間，去除上、下行分隔帶橫向1 m寬的橋面鋪裝，露出下部橫梁，焊接或采用抱箍設(shè)置橫撐上的吊索錨固構(gòu)造，并將成品吊索臨時(shí)安裝在錨固部位，考慮施工方便與安全，吊索可采用下端錨固，上端張拉，即吊索下端永久錨固于橋面下的橫梁上，然后在橫撐上進(jìn)行吊索張拉.如果非機(jī)動(dòng)車道和人行道改為機(jī)動(dòng)車道，可先在橫梁外伸端部增加縱梁，再將曲弦橫撐橫向向外伸長，在外伸橫撐與橫梁端部的縱梁之間外掛吊索，通過張拉外掛吊索，提高原非機(jī)動(dòng)車道和人行道變?yōu)闄C(jī)動(dòng)車道后的承載能力和剛度.

(3)橋面鋪裝施工.重新做橋面鋪裝，為了保護(hù)增設(shè)的吊索，在中央分隔帶增設(shè)橫向?qū)挾?.5 m左右的硬隔離帶.

④清理橋面，拆除橫撐支架，開放交通.

2.2數(shù)值分析及效果評(píng)價(jià)

改造方案主要對(duì)橫撐、增加吊桿主動(dòng)張拉的改造效果進(jìn)行探討，以下對(duì)比分析了7個(gè)工況(詳見表2).

按照改善橋面變形的原則，在S3～S7所對(duì)應(yīng)的改造措施下，結(jié)構(gòu)由簡支轉(zhuǎn)換為連續(xù)體系后，62 m和122 m跨的整體豎向變形減小，最為關(guān)心的橫梁豎向撓度改善非常顯著，具體對(duì)比如表3所示.為了進(jìn)一步降低橋面豎向變形，可從橫撐上張拉吊索，而將空心鋼管桁架橫撐轉(zhuǎn)換為鋼管混凝土橫撐，對(duì)62 m跨的改善更顯著，如果腹桿中灌注混凝土增大結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)122 m跨改善顯著.同時(shí)，理論分析表明，提高縱向預(yù)應(yīng)力的張拉值，可以改善縱梁構(gòu)件中應(yīng)力水平，通過反拱減小恒載下的結(jié)構(gòu)整體豎向變形，但對(duì)活載下的結(jié)構(gòu)整體豎向變形影響較小，對(duì)橫梁的變形影響也較小.

3結(jié)論

(1)按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)大橋的一次成橋進(jìn)行安全檢算，在所檢算的荷載下，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，但數(shù)值分析僅能依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，所得結(jié)果是對(duì)整體結(jié)構(gòu)宏觀的評(píng)價(jià)，且經(jīng)過這么多年的運(yùn)營，特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)常見的焊縫連接、屈曲和疲勞問題，常規(guī)分析無法進(jìn)行精細(xì)模擬，而鋼結(jié)構(gòu)的焊縫、銹蝕是影響結(jié)構(gòu)整體工作性能和耐久性的重要因素，有必要通過其它方法如橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)判.

(2)在加載車輛的作用下，橫梁發(fā)生了豎向撓曲，在加載附近變形最大，造成橋面產(chǎn)生較大變形，每5 m設(shè)置一根的橫梁剛度相對(duì)柔，對(duì)平均厚度30 cm的橋面支撐較弱，就本橋的荷載傳遞路徑可以看出，雖然整個(gè)桁架系統(tǒng)剛度較大，結(jié)構(gòu)整體變形及受力沒有問題，但并不能改變較弱的橋面局部變形大的問題.

(3)按照改善橋面變形的原則，結(jié)構(gòu)由簡支轉(zhuǎn)換為連續(xù)體系后，結(jié)構(gòu)整體豎向變形減小1.3%～6.2%，橫梁豎向撓度改善非常顯著，減小17.4%～40.9%；通過橫撐上張拉吊索進(jìn)一步降低橋面豎向變形，而將空心鋼管桁架橫撐轉(zhuǎn)換為鋼管混凝土橫撐，對(duì)62 m跨的改善更顯著，如果腹桿中灌注混凝土增大結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)122 m跨改善顯著.提高縱向預(yù)應(yīng)力的張拉值對(duì)活載下的結(jié)構(gòu)整體豎向變形影響較小，對(duì)橫梁的變形影響也較小.

(4)筆者提出的改造方案是將簡支變連續(xù)使得結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，雖然理論分析表明在活載作用下橋梁結(jié)構(gòu)中間橋墩支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)彎矩，且下弦桿和端橫梁的受力滿足鋼材容許要求，但該方案在實(shí)施時(shí)應(yīng)對(duì)橋墩位置處的連接桿件細(xì)節(jié)作進(jìn)一步細(xì)化，避免出現(xiàn)新的病害.

(5)本著盡量少影響下方鐵路運(yùn)行、施工安全可行、節(jié)約投資，且能切實(shí)改善大橋運(yùn)營狀態(tài)的原則，通過簡支變連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)橫撐，增加吊索減小橫梁變形等措施，重點(diǎn)對(duì)橋面以上部位進(jìn)行改造的方案可行，效果顯著.

參考文獻(xiàn)：

[1]王用中. 我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 施工技術(shù)，2010，39(8)：13-16.

[2]馬建，孫守增，楊琦，等. 中國橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2014，27(5)：1-96.

[3]任偉平，李小珍，李俊，等. 現(xiàn)代公路鋼橋典型細(xì)節(jié)疲勞問題分析[J]. 公路，2007(4):82-87.

[4]錢冬生. 談?wù)勪摌虻钠诤蛿嗔裑J]. 橋梁建設(shè)，2009(3):12-21.

[5]周暉，施剛，王元清，等. 鋼橋疲勞評(píng)估研究進(jìn)展[J]. 鋼結(jié)構(gòu)，2013，28(4)：1-6.

[6]張二田. 重載運(yùn)輸下大跨度鋼桁梁橋病害分析及試驗(yàn)研究[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，27 (2)：6-11.

[7]歐耀文，周朝陽. 某大跨度鋼管混凝土拱橋靜動(dòng)載檢測(cè)、病害及其加固分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2013，34(5)：31-37.

[8]閆磊，任偉. FRP加固橋梁受彎構(gòu)件的可靠性分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，32(2)：80-83.

[9]吝紅玉，劉永健，任翔. 矩形鋼管混凝土桁架靜力性能非線性有限元分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，32(5)：15-19.

[10]王蔚，吳中鑫. 大跨徑拱橋主梁加固維修施工平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 世界橋梁，2013，41(5)：86-90.

[11]劉永健，劉君平，楊根杰，等. 主管內(nèi)填充混凝土矩形鋼管桁架受力性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(6)：107-102.

[12]王俊華，陳寶春，黃文金. 現(xiàn)代鋼管桁架橋[J]. 世界橋梁，2006，26(4)：138-142.

[13]葉卓棋，楊健，劉永健，等. 部分填充混凝土鋼管結(jié)構(gòu)橋梁研究[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，27(2)：96-101.

[14]河南省公路工程試檢測(cè)中心有限公司. 鄭州市北環(huán)跨鐵路樞紐站立交橋試驗(yàn)報(bào)告[R]. 鄭州：河南省公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，2010.

Analysis of Transformation Plan of the Curved Chord Concrete Filled Steel Tubular Truss Bridge

LI Jie, CHEN Huai, WANG Yan, CHEN Dai-hai

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In view of the problem of the bridge deck’s large deformation of a curved chord concrete filled steel tubular truss bridge, which is overpass over an electrified main line, bridge analytic software is firstly used to built finite model to analyze the old structure. In combination with static test results, the reason of the bridge deck’s large deformation is discussed. Then in line with some principles of little effect below the railway operation, construction safe and feasible, saving investment, and effectively improving the bridge operation state, the transformation plan is put forward. These plans are structure system transformation, strengthening transverse support and tension sling. The transformation steps are given too. Finally, the effect of transformation is analyzed and evaluated. Through analysis, it shows that structure after transformation is safety and the deformation of the bridge deck and the cross beam is greatly reduced. The effect of transformation is significant.

Key words:curved chord concrete filled steel tubular truss bridge; cross beam; vertical deformation; transformation plan

中圖分類號(hào)：U441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.008

文章編號(hào):1671-6833(2015)02-0033-05

作者簡介：第一李杰(1974-)，男，陜西寶雞人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)理論及力學(xué)行為研究，E-mail：lijie2007@zzu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408557)

收稿日期:2014-12-01；

修訂日期：2015-02-03