某懸索橋加固方案的設(shè)計(jì)與分析

尹華

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510010)

某懸索橋加固方案的設(shè)計(jì)與分析

尹華

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510010)

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)已建橋梁的維修、加固已成為亟待解決的問(wèn)題，所以開(kāi)展相關(guān)問(wèn)題的研究是非常必要的。通過(guò)對(duì)某主跨240 m懸索橋結(jié)構(gòu)加固方案的研究，提出了具體的解決措施和方法，分析結(jié)果可為懸索橋加固改造工程提供參考建議。

懸索橋；吊拉組合體系；加固改造；靜力特性

1 工程概述

某大橋?yàn)閼宜鳂蝮w系，橋梁全長(zhǎng)477.23 m，橋梁跨徑布置為18.5 m+24.1 m+3×20.5 m+240 m+ 4×20.5 m(見(jiàn)圖1)。主跨為加勁鋼桁架，為234 m× 12 m×2.7 m空間體系。左岸錨碇為重力錨，右岸錨碇為巖錨；引橋?yàn)闊o(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力空心板；主塔采用C40混凝土。主纜采用19×91φ5 mm平行高強(qiáng)鍍鋅鋼絲束，直徑240 mm。全橋吊桿共39對(duì)，采用61φ7 mm成品高強(qiáng)鋼絲索，梁上索距6 m。原橋設(shè)計(jì)荷載為汽-超20，掛-120，雙向兩車道；橫斷面布置為凈9+2×1.0 m人行道+2×0.5 m防護(hù)帶，全寬12.6 m(見(jiàn)圖2)；抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為6度。

圖1 大橋立面布置圖(單位：cm)

圖2 大橋主梁斷面圖(單位：cm)

原橋自1998年底建成已運(yùn)營(yíng)十多年，自通車后車輛超載嚴(yán)重，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)造成的病害也越來(lái)越嚴(yán)重。這些病害主要表現(xiàn)在大橋主桁鋼桁架加勁梁縱向呈S形變形；實(shí)測(cè)主纜與設(shè)計(jì)索力不符，并且不對(duì)稱；吊桿力與理論計(jì)算設(shè)計(jì)值明顯離散；在車輛荷載作用下振動(dòng)明顯；檢查中發(fā)現(xiàn)桁架一些重要構(gòu)件較多缺失。橋梁結(jié)構(gòu)總體技術(shù)狀態(tài)評(píng)定為較差。

2 加固方案的研究與設(shè)計(jì)

對(duì)舊橋危橋的加固方法和技術(shù)有很多，但其基本原理卻是相同的。歸納起來(lái)都是遵循力學(xué)的基本原理，從橋梁結(jié)構(gòu)的外界因素和內(nèi)在狀況進(jìn)行考慮［1］。一般在判斷和鑒定原橋現(xiàn)階段實(shí)際受力狀況后，根據(jù)出現(xiàn)的病害特征選取切實(shí)有效的加固方案，并結(jié)合加固方案對(duì)加固之后的承載能力進(jìn)行計(jì)算和分析。目前橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固方法主要包括改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法、增大截面與配筋加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼加固法、增加輔助構(gòu)件加固法等［2］。

2.1 原橋受力體系計(jì)算分析

采用MIDAS有限元分析軟件建立全橋有限元模型，模型中邊界條件處理為主纜端部及塔底固結(jié)，塔頂處主纜與塔采用剛性連接，加勁梁無(wú)縱向與轉(zhuǎn)角約束，橫橋向有約束，主纜線形控制見(jiàn)圖3。

圖3 主纜線形控制參數(shù)示意圖

通過(guò)對(duì)原橋靜力和動(dòng)力特性方面的計(jì)算分析，存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)主纜的安全系數(shù)均小于2.5，不滿足規(guī)范要求。

(2)主桁個(gè)別桿件的應(yīng)力值接近或超過(guò)允許應(yīng)力值，安全儲(chǔ)備較小。

(3)原橋主桁弦桿尤其是跨中的應(yīng)力幅值已過(guò)允許幅值，構(gòu)件存在疲勞破壞的危險(xiǎn)。

(4)主桁剛度偏小，跨中撓度為96.3 cm ＞60 cm，不滿足規(guī)范的要求。

2.2 懸索橋加固方案設(shè)計(jì)

加固方案采用吊拉組合體系來(lái)改善橋梁受力狀態(tài)［3］。加固改造的內(nèi)容主要包括：改善主梁下?lián)?；減輕主纜、吊桿負(fù)擔(dān)，讓斜拉索、主纜、吊桿共同受力；維修橋面；提高橋梁承載能力；改善橋梁動(dòng)力性能等，加固方案立面見(jiàn)圖4。具體加固措施如下：

(1)索塔錨固區(qū)采用型鋼設(shè)計(jì)兩個(gè)支承框架，將框架安裝在塔頂索鞍兩側(cè)；斜拉索錨固在鋼板承托上。

圖4 加固方案立面布置圖(單位：cm)

(2)邊跨拉索每側(cè)為4束61φ7 mm平行鋼絲索，分別錨固在原主纜錨箱錨室的兩側(cè)，左岸借助原來(lái)的混凝土橫墻做巖錨，右岸則是在原主纜錨室前方兩側(cè)澆錨板做巖錨。中跨共16對(duì)37φ7 mm平行鋼絲斜拉索，索距12 m；并采取可行的構(gòu)造措施將主跨斜拉索直接錨固于桁架節(jié)點(diǎn)位置，以減少斜拉索對(duì)主桁的影響。

(3)主梁鋼桁架下弦采用2束10×7φ5 mm公稱強(qiáng)度1 860低松弛無(wú)粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力束加固。

(4)橋面板底部采用環(huán)氧砂漿粘貼鋼板加固，并修復(fù)橋面板。

3 加固前后橋梁受力結(jié)果分析

加固后模型以梁?jiǎn)卧M主梁和索塔，索單元模擬吊索和主纜及體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線；邊界條件處理為主纜端部及塔底固結(jié)，塔頂處主纜與塔采用剛性連接，斜拉索與塔頂剛性連接，以及斜拉索與桁架剛性連接，見(jiàn)圖5。

圖5 加固方案有限元模型

加固方案以原橋受力狀態(tài)為基礎(chǔ)，并考慮原橋已存在的變形。 模型中以恢復(fù)原橋線形以及成橋狀態(tài)時(shí)的預(yù)拱度為目標(biāo)來(lái)確定新增斜拉索的理想索力。下面通過(guò)對(duì)加固前后橋梁的內(nèi)力、應(yīng)力、疲勞性及剛度等方面進(jìn)行比較，闡述加固方案的可行性。

3.1 主纜及吊桿系統(tǒng)

經(jīng)計(jì)算，原橋主纜在恒載作用下已接近其安全系數(shù)狀態(tài)下允許的應(yīng)力值。將恒載作用下主纜內(nèi)力與原橋狀態(tài)下主纜、吊桿內(nèi)力進(jìn)行比較，可得出結(jié)論：在保持原橋懸吊系統(tǒng)不變的情況下，新增斜拉索在分擔(dān)恒載方面對(duì)主纜系統(tǒng)內(nèi)力的影響不大，主纜、吊桿內(nèi)力改善值僅為5%左右。因此，主纜的安全系數(shù)提高將是比較困難的。但從橋梁結(jié)構(gòu)承受活載作用方面看，新增斜拉索對(duì)于主纜系統(tǒng)內(nèi)力的改善效果明顯，具體見(jiàn)圖6～圖7。

圖6 加固前后主纜內(nèi)力改善狀況示意圖

圖7 加固前后吊桿內(nèi)力改善狀況示意圖

通常斜拉懸吊組合體系存在端吊桿疲勞問(wèn)題［4］。由于在改造中采用的是先懸索后吊拉組合的成橋順序，并且斜拉體系與吊桿交叉布置，這種組合使得斜拉區(qū)和懸索區(qū)大量重合，消除了常規(guī)斜拉懸吊組合體系主梁在交接區(qū)剛度變化引起的活載下吊桿應(yīng)力幅值增大的效應(yīng)，所以吊桿應(yīng)力均勻，沒(méi)有很大的應(yīng)力幅。通過(guò)疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算均不存在疲勞問(wèn)題。

3.2 主桁弦桿以及橫梁

由原橋受力分析可知主桁桿件的問(wèn)題主要在于個(gè)別桿件應(yīng)力值接近其允許應(yīng)力，并且上下弦桿應(yīng)力幅值已超過(guò)規(guī)范要求，有發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)。新增斜拉索后，斜拉索的水平分力會(huì)對(duì)主桁上弦桿產(chǎn)生附加壓應(yīng)力。這將進(jìn)一步增大桿件的應(yīng)力值。而且對(duì)于跨中桿件，會(huì)出現(xiàn)整體受拉抬升的趨勢(shì)。通過(guò)增加體外預(yù)應(yīng)力以及增大主桁構(gòu)件截面的措施來(lái)改善主桁的受力。表1～表2分別給出了主桁及橫梁在荷載組合下的最大應(yīng)力情況。

表1 主桁桿件最大應(yīng)力表

表2 橫梁桿件最大應(yīng)力表

對(duì)于各構(gòu)件疲勞計(jì)算，選取的桿件位置仍為加勁梁在跨中位置與1/4跨位置的弦桿。根據(jù)計(jì)算，主桁及橫梁弦桿加固前后最大應(yīng)力幅值分別為214.5 MPa、143.6 MPa ，可見(jiàn)在采取加固措施后桿件疲勞性能得到了明顯改善，均滿足規(guī)范要求。由此說(shuō)明這些加固措施切實(shí)可行，達(dá)到了改善主桁內(nèi)力的目的。

3.3 加固后對(duì)構(gòu)件剛度的影響

原橋結(jié)構(gòu)體系主桁剛度偏小，在汽車荷載作用下?lián)隙认拗挡粷M足規(guī)范要求。通過(guò)加固措施提高主桁的剛度是關(guān)鍵所在。加固前后主桁測(cè)點(diǎn)撓度值見(jiàn)表3。

表3 汽車荷載組合下?lián)隙缺?單位：cm)

加固后，主桁在汽車荷載作用下正負(fù)撓度的絕對(duì)值之和最大發(fā)生在加勁梁1/4跨附近，最大值為39.12 cm＜60 cm，滿足荷載規(guī)范的要求。并且在恒載作用下主桁控制高程達(dá)到設(shè)計(jì)值，說(shuō)明其加固措施切實(shí)可行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合懸索橋加固改造的研究，將原橋由單一的懸索體系轉(zhuǎn)換為吊拉組合體系。在體系轉(zhuǎn)換前，原橋已經(jīng)處于成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，再增加斜拉索改變?cè)瓨蝮w系時(shí)，必須充分考慮原懸索橋在此時(shí)的初始剛度［5］。通過(guò)計(jì)算分析出新增斜拉索對(duì)原橋內(nèi)力重分配的影響，得出一些有益的結(jié)論，便于對(duì)同類工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。這種加固方法受力明確，加固措施新穎獨(dú)特，設(shè)計(jì)靈活，切實(shí)可行，在舊橋尤其是懸索橋加固改造中有廣闊的應(yīng)用空間。

［1］ 蒙云,盧波.橋梁加固與改造［M］.北京∶人民交通出版社,2004.

［2］ 陳開(kāi)利,王邦楣,林亞超.橋梁工程鑒定與加固手冊(cè)［M］.北京∶人民交通出版社,2005.

［3］ 王伯惠.斜拉一懸索協(xié)作體系橋［J］.遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2000(3)∶1-6.

［4］ 王培曉.斜拉懸吊組合體系在橋梁改造工程中的應(yīng)用與研究［D］.遼寧大連∶大連理工大學(xué),2007.

［5］ 胡雋.大跨度吊拉組合索橋的理論研究［D］.北京∶北方交通大學(xué), 2000.

U448

B

1009-7716(2015)08-0055-03

2015-04-10

尹華(1983-)，男，廣東廣州人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。