黃敏新 張其忠

摘要：文章對某雙層橋面連續(xù)剛桁橋維修加固中的關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，建立全橋有限元模型并利用橋梁檢測結(jié)果對模型進行了修正，根據(jù)整體分析結(jié)果，針對損傷較嚴(yán)重部分承載能力不足的問題，提出了采用臨時斜拉體系對結(jié)構(gòu)進行卸載的方案;將整體分析的內(nèi)力作為細部分析的邊界條件，對受力復(fù)雜的三角區(qū)進行了分析;根據(jù)整體和細部分析結(jié)果提出了相應(yīng)的加固方案，并通過實際工程加固監(jiān)測結(jié)果驗證了理論方法和加固方案的正確性。

關(guān)鍵詞：舊橋加固;斜拉體系;細部分析

This article studies the key technologies in the repair and reinforcement of a doubledeck continuous rigid truss bridge：establishes the finite element model of the full bridge and uses the bridge test results to correct the model.According to the overall analysis results，regarding the problem of insufficient bearing capacity at seriously damaged parts，and proposes the structure unloading plan by temporary cablestayed system;it uses the internal force of overall analysis as the boundary condition of detailed analysis to analyze the triangular area with complex forces;according to the overall and detailed analysis results，it proposes the corresponding reinforcement scheme and verifies the correctness of theoretical method and reinforcement scheme through actual engineering reinforcement monitoring results

Old bridge reinforcement;Cablestayed system;Detail analysis

0 引言

隨著我國經(jīng)濟突飛猛進的發(fā)展，橋梁建設(shè)在過去20年達到了高峰。隨著服役期的延長以及運營環(huán)境的影響（超載、缺少及時維護等），越來越多的橋梁出現(xiàn)了承載能力不足的問題，有的甚至出現(xiàn)垮塌事故[1]。將這些舊橋拆除重建顯然是不明智的選擇，因為新建不但需耗費更大的資金，而且周期更長，往往需要長時間中斷交通。因此，通過對舊橋進行適當(dāng)加固，充分利用已有的承載力，是各國普遍采用的方式[2]。舊橋加固技術(shù)始于20世紀(jì)70年代的歐美各國，后來在日本逐漸得到興起。隨著我國的橋梁事業(yè)的發(fā)展，舊橋加固技術(shù)得到了越來越多的重視，已逐漸成為研究的熱點[3-5]。由于我國舊橋加固技術(shù)起步較晚，很多橋型缺少加固經(jīng)驗[6]，特別是雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋加固技術(shù)更為缺乏。

本文依托背景工程，對某雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋加固中的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，以期為該類橋型加固技術(shù)積累經(jīng)驗，促進我國舊橋加固技術(shù)的提高。

1 理論分析

1.1 工程概況

巒城大橋位于廣西壯族自治區(qū)南寧市橫縣巒城鎮(zhèn)，跨越郁江，大橋建成于1995年7月。主橋上部結(jié)構(gòu)為雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁結(jié)構(gòu)，中跨跨中設(shè)置擺柱鉸，跨徑為60 m+3×100 m+60 m。橋面橫向全寬采用兩縱向桁片支承聯(lián)接，其高度為6.35 m。兩縱向桁片通過橫向安裝行車道、人行道板、橫向橋面鋼筋網(wǎng)，與施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋連成整體。上弦桿為U形斷面，下弦桿為帶缺口的矩形斷面。該橋結(jié)構(gòu)輕巧獨特，具有雙層橋面、大跨徑、桁式預(yù)應(yīng)力混凝土等特點，當(dāng)時其在此類橋型中被譽為“亞洲第一長橋”。

該橋已經(jīng)安全運行了20多年，由于超載大車頻繁通過，使得該橋長期處于超負荷運行中，造成該橋梁病害發(fā)展迅速。加固前橋梁上部結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫，部分豎桿出現(xiàn)了承載能力不足的現(xiàn)象。在3#墩南寧側(cè)病害尤其集中（如圖1所示）：三角區(qū)開裂嚴(yán)重;下弦桿與拱下弦桿交接面開裂貫通，裂縫寬度達50 mm;交接處短柱出現(xiàn)全截面開裂，裂縫寬度達15 mm，結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞;交接處附近短柱底發(fā)生破壞，出現(xiàn)桿件失穩(wěn)傾向。裂縫集中于該處的主要原因是施工質(zhì)量的影響，使得原本設(shè)計連續(xù)的3#跨跨中不得不設(shè)置剪力擺柱，以此來平衡跨中兩側(cè)的剪力差。

該橋于2015年和2016年分別被評為3類和4類橋梁，在維修加固前的最后一次檢測中技術(shù)狀況等級為5類，已經(jīng)不能正常使用。相比較于新建，加固該橋具有明顯的優(yōu)勢，不但能充分利用原有結(jié)構(gòu)，大大減少資金投入，還能大幅縮短工期，使橋梁更快地投入使用。

1.2 結(jié)構(gòu)整體分析

為了解結(jié)構(gòu)加固前的受力狀況，建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型（如圖2所示）。模型采用梁單元，總計1 109個單元，780個節(jié)點。根據(jù)橋梁檢測結(jié)果，采用剛度折減的方式對結(jié)構(gòu)損傷部位進行模型修正，具體修正如下：

（1）將1#位置處拱下弦桿與下弦桿的縱橋向連接剛度修正為300 kN/mm。

（2）2#位置處拱上豎桿的頂部、底部均修正為鉸接。

（3）3#位置處拱上豎桿底部修正為鉸接。

3#墩拱上豎桿在不同工況下應(yīng)力計算結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出在自重作用下，3#墩拱上豎桿的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均超過應(yīng)力限值，在拆除上下層橋面鋪裝、行車道板、人行道板等結(jié)構(gòu)自重后，應(yīng)力值有一定減小，但是最大拉應(yīng)力還是超過了限值。同時，在更換第3跨跨中擺柱時，由于結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，該處的應(yīng)力值將會更大。因此，加固時需要對該處承重結(jié)構(gòu)采取特殊處理才能確保施工安全和達到預(yù)期的加固效果，具體的處理措施將在第二部分中詳細闡述。

1.3 三角區(qū)細部分析

由于三角區(qū)位于拱下弦桿與下弦桿交接面處，該處為楔形實體區(qū)域，受力較復(fù)雜。根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域普遍存在裂縫，最大縫寬達5.6 cm。因此，對該處進行細部分析很有必要。本次三角區(qū)擬采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板法進行加固，基于Ansys軟件建立該區(qū)域的實體有限元模型（如圖3所示）。外包混凝土澆筑前用裂縫補強材料進行灌縫補強，交接面5 cm厚材料的彈性模量偏于安全僅考慮0.01。

模型中采用單元如下：原混凝土結(jié)構(gòu)采用Solid45單元;預(yù)應(yīng)力鋼束和精軋螺紋鋼采用Link10單元;外包混凝土采用Solid65單元;豎桿、斜桿外包鋼板和三角區(qū)外包鋼板采用Shell63單元。共16 728個Solid45單元，830個Link10單元，4 056個Shell63單元，8 716個Solid65單元，29 729個節(jié)點。

在邊界上施加整體分析時的內(nèi)力，就可以得到三角區(qū)的應(yīng)力。恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下外包混凝土和鋼板應(yīng)力分別如圖4～6所示。由圖4～6可知：（1）外包混凝土主拉應(yīng)力最大值為4.10 MPa，發(fā)生在三角區(qū)尾部外包混凝土與豎桿相接處;（2）外包混凝土主壓應(yīng)力最大值為-12.6 MPa，發(fā)生在三角區(qū)后端外包混凝土與拱下弦桿相接處，主壓應(yīng)力最大值小于C50軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值-32.4 MPa;（3）加固鋼板von mises應(yīng)力最大值為111 MPa，小于Q345B設(shè)計強度310 MPa。

通過三角區(qū)細部分析結(jié)果可以看出外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板加固方法可以有效地減小三角區(qū)的應(yīng)力，滿足加固要求。

2 加固方案和步驟

通過對結(jié)構(gòu)的整體分析和細部分析結(jié)果，并結(jié)合檢測報告及現(xiàn)場踏勘情況，確定維修加固內(nèi)容主要包括豎桿斜桿加固、三角區(qū)加固、上層行車道預(yù)制空心板更換、下層人行道預(yù)制槽板更換等。加固前需將原桁架桿件內(nèi)力及變形調(diào)整至一個相對較小的狀態(tài)，以使加固后的結(jié)構(gòu)能夠充分參與受力，達到較好的維修加固效果。本次加固采用拆除所有行車道板和人行道板減小結(jié)構(gòu)自重，使主要承重構(gòu)件變形達到釋放的辦法。

由于3#墩南寧側(cè)三角區(qū)損傷嚴(yán)重，拱下弦桿與下弦桿的連接受到嚴(yán)重削弱，為避免解除3#跨中擺柱后剛桁懸臂端嚴(yán)重下?lián)系膯栴}，本次加固提出在3#墩處設(shè)置臨時斜拉體系（如圖7所示），采用斜拉索對3#墩兩側(cè)桁架施加拉力，使該處三角區(qū)應(yīng)力及拱下弦桿變形得到一定程度的釋放。加固完畢后拆除斜拉索和斜拉塔，將力重新轉(zhuǎn)化到結(jié)構(gòu)上。

具體加固步驟如下：

步驟一：

（1）鑿除主橋上、下層橋面鋪裝。

（2）拆除上層行車道預(yù)制空心板，拆除下層行車道預(yù)制槽板。

步驟二：

（1）主橋裂縫及缺陷病害修補。

（2）粘貼鋼板加固1號、2號、4號、5號跨斜桿。

（3）采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板加固1號、2號、4號、5號跨下弦桿與拱下弦桿交接處三角區(qū)。

（4）安裝上層行車道預(yù)制空心板和下層人行道槽板。

步驟三：

（1）在3號墩頂安裝臨時索塔，在下弦桿上安裝斜拉索下錨點。

（2）安裝斜拉索S1，第一次同步、對稱張拉斜拉索S1，斜拉索S1張拉至250 kN。

（3）安裝斜拉索S2，第一次同步、對稱張拉斜拉索S2，斜拉索S2張拉至100 kN。

（4）解除3號跨中擺柱。

（5）第二次同步、對稱張拉斜拉索S2，每根斜拉索S2索力張拉至248 kN。

（6）第二次同步、對稱張拉斜拉索S1，每根斜拉索S1索力張拉至440 kN。

（7）第三次同步、對稱張拉斜拉索S2，每根斜拉索S2索力張拉至492 kN。

步驟四：

（1）采用粘貼鋼板法加固主橋桁片需要加固的斜桿和豎桿。

[KG2]

（2）采用增大截面法結(jié)合粘貼鋼板法加固各跨下弦桿與拱下弦桿交接處三角區(qū)。

（3）采用增大截面法結(jié)合粘貼鋼板法加固3號跨南寧側(cè)拱上豎桿。

步驟五：

（1）各三角區(qū)和3號跨南寧側(cè)拱上豎桿加固混凝土強度達到設(shè)計強度后，分級放松斜拉索：

①第一次同步、對稱放松斜拉索S2，每根斜拉索S2索力放松至242 kN;

②第一次同步、對稱放松斜拉索S1，每根斜拉索S1索力放松至240 kN;

③第二次同步、對稱放松4根斜拉索S2，每根斜拉索S2索力放松至0;

④第二次同步、對稱放松4根斜拉索S1，每根斜拉索S1索力放松至0。

（2）拆除臨時索塔、斜拉索、下錨點。

（3）安裝3號跨中擺柱：

①測量3號跨跨中擺柱位置的擺柱長度、方向、尺寸，測量時間≥10 d，每天0時、2時、4時各測量1次。并記錄每次測量時的環(huán)境溫度和天氣情況。

②根據(jù)環(huán)境溫度實測值，選擇適中的溫度作為擺柱安裝溫度。

③擺柱就位后，張拉擺柱鋼束，做好鋼束及其他鋼材料的防腐處理，完成擺柱安裝。

步驟六：

（1）上層行車道防撞墻迎撞面改造、下層人行道欄桿施工。

（2）上層行車道橋面鋪裝、下層人行道橋面鋪裝施工。

（3）成橋質(zhì)量驗收檢測合格后開放交通。

3 工程驗證

為了驗證本文理論方法的正確性和加固方案的可行性，將本文提出的加固方案運用于巒城大橋加固中，并對加固過程中不同施工階段下結(jié)構(gòu)的各項響應(yīng)進行實時監(jiān)測。由于監(jiān)控工況和數(shù)量較多，本文僅對部分重要的數(shù)據(jù)進行列舉。

3.1 變形對比

在加固施工中，3#墩南寧側(cè)變形在合理范圍內(nèi)是加固成功的關(guān)鍵之一。擺柱測點在各加固步驟下的豎向變形如下頁表2和圖8所示。

通過表2和圖8可以看出：擺柱測點的實測變形值與理論變形值變化趨勢基本一致，表明在各加固步驟下結(jié)構(gòu)的變形正常，滿足加固要求;實測變形小于理論變形，表明結(jié)構(gòu)的實際剛度大于理論計算的剛度;步驟三中由于斜拉索對結(jié)構(gòu)有卸載作用，使得測點變形向上，而在步驟五中斜拉索卸力后變形恢復(fù)，說明采用臨時斜拉體系對結(jié)構(gòu)加固過程中的變形控制效果較好。

3.2 應(yīng)變結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，選擇受力較大構(gòu)件進行應(yīng)變監(jiān)測，結(jié)合現(xiàn)場測點布設(shè)的條件，全橋共布置15個應(yīng)變測試截面，共88個測點。其中3#墩南寧側(cè)三角區(qū)和拱上豎桿應(yīng)變測點在不同工況下的應(yīng)變值如圖9和圖10所示。

通過圖9和圖10可以看出：（1）應(yīng)變測試結(jié)果和理論計算結(jié)果均十分接近，且各應(yīng)力值均在安全范圍內(nèi)，表明整個加固過程中結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)與加固預(yù)期一致，加固方案是安全可行的;（2）步驟一和步驟三應(yīng)力變化趨勢一致，說明臨時斜拉體系與減小結(jié)構(gòu)自重對結(jié)構(gòu)有類似的卸載作用。

4 結(jié)語

本文對巒城大橋維修加固中的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究，利用橋梁檢測結(jié)果對整體有限元模型進行了修正，對整體分析中損傷較嚴(yán)重部分承載能力不足的問題，提出了采用臨時斜拉體系對結(jié)構(gòu)進行卸載的方法。同時，將整體分析的內(nèi)力作為邊界條件，對受力復(fù)雜的三角區(qū)進行了細部分析。根據(jù)整體和細部分析結(jié)果提出了相應(yīng)的加固方案，并通過實際工程加固監(jiān)測結(jié)果驗證了理論方法和加固方案的正確性。通過本文的研究得到了以下結(jié)論：

（1）在該類型橋梁的加固中，單純通過減小自重對結(jié)構(gòu)進行卸載往往對損傷較大區(qū)域效果并不好。本文提出的臨時斜拉體系則可以很好地解決這個問題，可以為類似的工程提供借鑒。

（2）該類型橋梁三角區(qū)受力復(fù)雜，病害較多，需要通過細部分析才能得到較為精確的結(jié)果。本文采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板法對該區(qū)域進行了加固，加固效果好，值得推薦應(yīng)用。

參考文獻：

[1]劉 斐.近期橋梁安全事故深度調(diào)查與分析[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

[2]王正平.公路橋梁加固工程施工技術(shù)及質(zhì)量控制[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018，253（7）：132-133.

[3]周建廷.橋梁加固機理及加固準(zhǔn)則探討[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，20（s1）：26-28.

[4]武同樂，徐 岳.公路舊橋加固效果綜合評價方法[J].交通運輸工程學(xué)報，2005（1）：28-32.

[5]李 源，張保印，劉 勻，等.碳素纖維布加固混凝土梁的斜截面受剪試驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，34（1）：61-67.

[6]張興虎，李 源，張保印.碳素纖維布加固鐵路橋梁疲勞試驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，39（4）：520-523，528.