鋼桁梁文物橋改造設(shè)計研究

李克然

（大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計研究院有限公司，遼寧大連 116024）

0 引言

作為古建筑、古遺址的典型代表之一，文物橋梁是寶貴的歷史遺產(chǎn)，也是無法再生的歷史資源[1]。我國現(xiàn)存的文物橋梁大多數(shù)已歷經(jīng)百年的風(fēng)雨洗禮[2]。由于修筑年代久遠，文物橋梁大多出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)表面大范圍風(fēng)化剝落、材質(zhì)劣化嚴重等問題。同時，由于受當時的技術(shù)水平限制，古橋設(shè)計標準過低、結(jié)構(gòu)體系不合理，承載能力已無法滿足當前日益增長的交通需求[3]。因此，選擇恰當?shù)木S修加固和改造措施，對文物橋梁的維護管養(yǎng)和現(xiàn)實需求均有重大的意義。以某地文物橋梁工程為例，對該文物橋梁進行跨徑改造設(shè)計，并通過有限元計算軟件模擬了整個改造過程，對橋梁改造過程進行了結(jié)構(gòu)安全性驗算，對鋼桁梁文保橋梁跨徑改造的有效性與可行性進行了研究。

1 項目概況

1.1 項目背景

某地橋梁建成于1930 年，大橋跨江，是城市路網(wǎng)的重要組成部分，也是連通大江兩岸的重要通道。由于該橋修建年代早、運營時間長，當前存在著較大的安全隱患，無法繼續(xù)滿足使用要求，因此在該橋下游位置重新建設(shè)了一座相同結(jié)構(gòu)類型的新橋，于近年建成通車。新舊橋梁均為公鐵兩用橋，下層鐵路橋，上層公路橋。目前舊橋已經(jīng)退出服役，車輛均在新橋運行。

新橋的設(shè)計與建造均是在舊橋拆除的前提下做出的，但在新橋項目建設(shè)過程中，舊橋被列入未定級不可移動文物，省文化廳根據(jù)論證會的結(jié)論明確提出不同意拆除舊橋的意見，并得到了省政府的支持，因此無法按最初的建設(shè)方案拆除舊橋。

舊橋無法拆除導(dǎo)致新橋的多個設(shè)計標準無法達標，最主要的問題是一個通航孔存在新老橋墩相互交錯的問題，導(dǎo)致橋區(qū)內(nèi)水流紊亂、航寬不夠，不符合內(nèi)河Ⅲ級航道通航標準，無法進行涉航專項驗收工作，嚴重影響工程竣工決算、國家驗收等重要工作的開展。因此，必須對舊橋進行改造，使其滿足橋位航段的通航標準，使整體項目工作得以繼續(xù)推進。

1.2 舊橋概況

舊橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁梁結(jié)構(gòu)，橋?qū)?m，橋梁全長1065.8m，共15 跨，跨徑布置為2×65m+(80m+96m+80m)+10×65m。其中，通航孔采用80m+96m+80m 大跨度連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，其余孔跨均為簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)。桁架弦桿中心高度為9m，中心寬度為5m，所有桿件均為角鋼、槽鋼和鋼板組合拼接而成，鋼結(jié)構(gòu)之間用鉚釘連接。

舊橋上層公路橋橋面采用13cm 厚鋼筋混凝土橋面板，上面鋪設(shè)4cm 瀝青混凝土，設(shè)計載荷按6t 汽車考慮。舊橋下層為單線鐵路橋。橋下通航凈高度為9.8m，能滿足當時各種內(nèi)河船只通行。橋墩為鋼筋混凝土空心墩，下部截面為尖端形，上部截面為矩形；橋墩基礎(chǔ)為鋼筋混凝土氣壓沉箱基礎(chǔ)，截面為三孔矩形。

檢測單位對舊橋進行檢測后認定：舊橋鋼梁各主要桿件剩余壽命嚴重不足、病害性狀明顯；鋼桁梁病害較多，主要桿件剩余壽命較短，橋墩存在如下嚴重病害：裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土剝落、墩頂橫向振幅超限，通航界限不滿足Ⅲ級航道通航標準。

1.3 新橋概況

由于舊橋成為危橋，給江兩邊的交通聯(lián)系帶來了極大不便，為滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，加強區(qū)域交通聯(lián)系，構(gòu)建方便快捷的交通網(wǎng)絡(luò)格局，決定在舊橋下游建設(shè)新橋替代舊橋。新橋采用公鐵合建形式（雙線鐵路+六車道公路），鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為2×96m+(96m+2×144m+96m)通航孔跨+6×96m。

2 改造設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

2.1.1 滿足通航要求

從航運發(fā)展的角度考慮，除舊橋外江段，其他橋梁均達到Ⅲ級航道通航要求，因此對舊橋進行改造的首要原則就是使其滿足Ⅲ級航道通航要求，以促進江上運輸事業(yè)的長遠發(fā)展，繁榮地區(qū)經(jīng)濟。

2.1.2 “安全第一”原則

舊橋為城市的發(fā)展和建設(shè)發(fā)揮了巨大作用，但在長期運營后出現(xiàn)了較多病害，直接影響了橋梁的安全性和耐久性。改造設(shè)計在橋跨布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方案選擇上，需要確保結(jié)構(gòu)的安全性及實施的可行性，充分考慮抗風(fēng)、抗震、防撞等方面的要求，盡可能采用能夠充分保證結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計及施工方案[4]。

2.1.3 “文物保護”原則

作為20 世紀30 年代的工業(yè)產(chǎn)物，舊橋是中國20世紀工業(yè)化進程的重要見證，是城市近現(xiàn)代重要的史跡及代表性建筑，歷史價值彌足珍貴。改造方案的設(shè)計應(yīng)遵循“文物建筑保護”的基本原則，盡量減少對原結(jié)構(gòu)形式的改變，最大限度地保留原橋風(fēng)貌，保持改造前后的風(fēng)格統(tǒng)一。

2.1.4 滿足游人觀光要求

舊橋承載了該城市近百年的歷史，見證了種種社會變遷，市民對舊橋有著深厚的情感。在改造方案中，除了要保留舊橋獨特的景觀，還要對其進行功能性改善，使其成為可供游人上橋游覽、觀光及追憶歷史的旅游景點，為旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展繼續(xù)做出貢獻。

2.2 總體思路

舊橋改造工程的改造范圍集中在原橋Z1～Z3聯(lián)，旨在通過對原有橋梁結(jié)構(gòu)的頂升，以及頂升之后對結(jié)構(gòu)形式和跨徑布置的改造，使改造后的舊橋通航孔與新橋通航孔位置協(xié)調(diào)一致，滿足內(nèi)河Ⅲ級航道的通航標準。同時，對舊橋進行功能性改造，主要功能由原來的交通功能轉(zhuǎn)換成旅游功能和文化功能。

2.3 結(jié)構(gòu)形式和跨徑布置

結(jié)構(gòu)形式和跨徑布置的改造是該舊橋改造的核心內(nèi)容，新舊橋梁布置如圖1 所示。新橋在跨度為144m 的兩個主跨內(nèi)分別設(shè)有1 個通航孔，舊橋的1#、2#和3#橋墩位于新橋的兩個通航孔內(nèi)，造成通航孔內(nèi)新老橋墩相互交錯。

圖1 新橋與舊橋相對位置關(guān)系立面布置圖（單位：cm）

舊橋的原Z1、Z2 聯(lián)為簡支鋼桁梁，原Z3 聯(lián)為連續(xù)鋼桁梁。改造方案是對原Z1～Z3 聯(lián)伸縮縫處鋼桁梁進行連接，使其變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)，形成新的Z1 聯(lián)。根據(jù)航道走向，對應(yīng)新橋23#墩的位置新建Ⅱ#橋墩，在舊橋0#橋臺側(cè)新建Ⅰ#橋墩，拆除1#、2#和3#橋墩，由此舊橋形成4 跨連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的新Z1 聯(lián)，跨徑布置為48.5m+129.5m+128m+80m，改造后舊橋的兩個主跨（129.5m+128m）和新橋兩個主跨（144m+144m）位置協(xié)調(diào)對應(yīng)，在舊橋兩個大跨內(nèi)布設(shè)新通航孔，滿足內(nèi)河Ⅲ級航道115m 的凈寬要求。

2.4 梁體頂升

舊橋通航凈高為8.5m，內(nèi)河Ⅲ級航道通航凈高要求為10m，對原Z1～Z4 聯(lián)進行頂升，各聯(lián)橋均頂升1.5m。原Z1 和Z4 聯(lián)只進行單側(cè)頂升，以便和原線路位置相接，原Z1 和Z4 聯(lián)頂升后形成2.3%的縱坡。

頂升施工需采用智能液壓頂升控制系統(tǒng)，具備多點同步頂升的功能，頂升時需保證各臺液壓千斤頂位移控制的同步性，同時要保證各千斤頂頂升力的平衡性。

2.5 橋墩改造

舊橋橋墩部分改造內(nèi)容為“拆3 建2”，即拆除阻礙航道的1#、2#和3#橋墩，新建與新橋通航孔跨位置相對應(yīng)的Ⅰ#和Ⅱ#橋墩。根據(jù)通航凈高需要增加的高度，對4#和5#橋墩進行加高處理，加高高度為1.5m。

2.6 玻璃人行道

取消舊橋公鐵兩用的交通功能，轉(zhuǎn)換成旅游功能和文化功能。在舊橋上層拆除公路橋面后設(shè)置玻璃人行觀光通道，使游人在上層行走時可以欣賞到舊橋獨特的結(jié)構(gòu)景觀，人行道凈寬3.2m，人群荷載取值為3kN/m2，橋面玻璃板采用勻質(zhì)鋼化夾膠玻璃，承載能力不低于20kN/m2。

2.7 施工步驟

施工準備—拆除舊橋原Z1～Z3 聯(lián)鋼桁梁橋上層公路混凝土橋面板、橋面鋪裝及上層人行道—解除原Z1～Z5 聯(lián)各相鄰聯(lián)鐵軌之間的連接—對原Z1～Z4聯(lián)鋼桁梁進行頂升—對4#、5#橋墩進行加高改造—對原Z1 聯(lián)與Z2 聯(lián)，Z2 聯(lián)與Z3 聯(lián)伸縮縫處鋼桁梁進行連接，使其變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)，形成新Z1 聯(lián)—施工新建Ⅰ#、Ⅱ#橋墩的樁基、承臺及墩身—建立新建橋墩和鋼桁梁的支撐連接—對鋼桁梁部分關(guān)鍵受力部位的桿件進行改造補強—拆除1#、2#、3#橋墩，完成體系轉(zhuǎn)換—施工上層玻璃人行道—其余設(shè)施施工—改造工程完成。

3 結(jié)構(gòu)驗算

3.1 施工全過程結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果

對舊橋原結(jié)構(gòu)和改造施工全過程進行有限元受力分析，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 舊橋改造全過程計算結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)驗算結(jié)論

根據(jù)施工全過程計算結(jié)果，應(yīng)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的桿件進行補強加固，加固桿件位于新建Ⅰ#、Ⅱ#橋墩處的主梁豎腹桿和Ⅱ#橋墩處的主梁下弦桿。加固改造后的結(jié)構(gòu)在恒載+活載的基本組合下，桿件最大應(yīng)力為147.77MPa，而原結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力為196.83MPa，因此得出結(jié)論：加固改造后的橋梁結(jié)構(gòu)桿件受力小于橋梁原始結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果結(jié)論為改造后的橋梁結(jié)構(gòu)受力安全[5]。

4 結(jié)論

經(jīng)計算，舊橋經(jīng)過構(gòu)件加固和跨度改造后，結(jié)構(gòu)受力安全且能夠滿足游人觀光的運營需求，舊橋的跨徑改造方案具有可行性和現(xiàn)實意義，同時能夠最大限度地保留文物橋梁的原始風(fēng)貌。

舊橋加固技術(shù)可提高橋梁承載力，避免重新修建成本過高的問題，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。而那些修建于20 世紀20、30 年代，運營已近百年之久的橋梁，除了為人們提供了交通便利，還見證了一個城市的興衰演變，具有重要的歷史意義及人文價值。隨著改革開放四十余年的發(fā)展，以及我國城市化建設(shè)的持續(xù)推進，越來越多的舊橋需要加以維護修繕。目前，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)不僅在新建工程上屬于國際領(lǐng)先，在舊有結(jié)構(gòu)維修加固領(lǐng)域也取得了長足發(fā)展。然而在舊橋加固方面，主要針對現(xiàn)代橋梁的加固理論研究有所突破，對近代具有文保性質(zhì)的橋梁加固和改造的研究還較少。以某地文物橋梁為工程為例，通過對橋梁的加固改造設(shè)計及結(jié)構(gòu)驗算，證明作為文保橋梁改造維護手段之一的跨徑改造方式具有有效性與可行性，以期為其他文保橋梁的維護與改造提供思路。