高彥鑫

（廣東省公路勘察規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東廣州 510507）

1 概述

1.1 橋梁工程概況

佛山市某中承式鋼管混凝土拱橋位于西江干流，跨徑布置為（78.5+4×82.6）m上承式鋼筋混凝土肋拱橋+（2×110）m中承式鋼管混凝土拱橋+（5×79+68.2）m上承式鋼筋混凝土肋拱橋，橋面總寬 12.56 m。主橋上部結(jié)構為凈跨徑 100 m、矢跨比1/4、拱軸系數(shù)m=1.175 6的鋼管混凝土中承式拱。主拱肋采用啞鈴型斷面，總高度為2.1 m，兩根中心距為1 250 mm的φ750×10 mm鋼管用厚度為10 mm、寬度為600 mm的鋼腹板相連，鋼管內(nèi)、灌注混凝土。吊桿采用109根φ5高強碳素鋼絲，外套鋼管。其橋面系由吊桿橫梁和行車道T梁組成。

兩個主通航孔與引橋的交界墩即6#、8#墩為沉井基礎，7#主墩為高樁承臺基礎，橋墩為空心墩。沉井基礎和樁基礎均嵌入砂巖和泥巖交互巖層。

1.2 主橋主要病害

（1）主橋橋面系下的拱肋橫梁有局部的防護涂料脫落，鋼管銹蝕。

（2）部分吊桿上錨頭外露，吊桿上端預埋鋼板銹蝕，吊桿混凝土護體破損，開裂。

（3）主橋橋道T梁橫向連接為鉸接，橫向剛度較弱，鉸接處混凝土病害較多。

4）吊桿橫梁有少量裂縫；橫梁端部吊桿封錨混凝土有多處封錨混凝土脫落、開裂。

2 橋梁結(jié)構分析[1-4]

鑒于上述病害，在考慮基礎現(xiàn)狀沖刷情況下，對橋梁進行結(jié)構分析，包括橋跨結(jié)構的變形驗算，吊桿驗算，結(jié)構穩(wěn)定性分析，拱肋、吊桿橫梁、橋道T梁等主要受力構件的承載力驗算。

整體結(jié)構分析模型采用空間三維有限元模型進行計算，全橋由440個節(jié)點和768個單元組成，模型見圖1。

圖1 有限元模型

2.1 結(jié)構變形驗算

計算撓度時根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ023-85）4.2.3條規(guī)定：對于拱橋，以汽車荷載（不計沖擊力）計算的上部結(jié)構最大豎向撓度不應超過L/800。根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范》（征求意見稿）鋼管混凝土主拱在車道荷載（不計沖擊力）作用下的最大豎向撓度（正負撓度絕對值之和）不應大于L/650。由表1可見撓度驗算滿足規(guī)范要求。

表1 汽車-20作用下橋面豎向撓度驗算

2.2 主要受力構件計算分析

（1）吊桿驗算

舊吊桿采用109φ5碳素鋼絲，由計算結(jié)果可見,在不考慮吊桿銹蝕的的前提下,其安全系數(shù)為2.62,滿足規(guī)范要求?？紤]該橋通車運營超過20 a，考慮對吊桿進行更換處理。新吊桿采用OVM.GJ15－17鋼絞線。驗算結(jié)果見表2、表3。

表2 原吊桿應力驗算

表3 新吊桿應力驗算

舊吊桿最小安全系數(shù)為2.62，對應荷載組合為組合III。

新吊桿最小安全系數(shù)為3.4，對應荷載組合為組合 III。

（2）吊桿橫梁、拱肋、橋道T梁驗算

經(jīng)計算分析,吊桿橫梁在恒載+汽-20組合工況作用下，抗彎承載能力與應力均滿足規(guī)范要求；在恒載+掛100作用下，抗彎承載能力滿足要求，但拉應力最大為7.24 MPa，不滿足85規(guī)范對B類混凝土限定的6.48 MPa要求。拱肋壓彎承載能力滿足規(guī)范要求。橋道T梁承載能力和抗裂均滿足規(guī)范要求。

表4 橋跨結(jié)構穩(wěn)定性分析結(jié)果

2.3 結(jié)構穩(wěn)定性分析

根據(jù)對計算模型的穩(wěn)定性分析,得到該橋的臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài),見表4。拱橋在恒載+汽20工況下一階失穩(wěn)模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)為3.75，少于規(guī)范要求的4；且前五階失穩(wěn)均為拱的面外失穩(wěn)，第六階失穩(wěn)為縱向失穩(wěn)。面外失穩(wěn)先于面內(nèi)失穩(wěn)，表明該拱橋的橫向穩(wěn)定較縱向穩(wěn)定差，且其自身固有頻率較低,從而使得該橋在低頻干擾荷載作用下易發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)。

針對上述情況，建議增加拱上斜撐加固，提高拱橋橫向穩(wěn)定性。常用的橫撐形式有：一字型橫撐、K字型橫撐，X型橫撐及米字型橫撐等，本橋設計時針對不同的橫撐設置，對結(jié)構在恒載及汽車荷載作用下的屈曲穩(wěn)定系數(shù)進行計算，結(jié)果見表5。

表5 橋跨結(jié)構穩(wěn)定性分析結(jié)果

由表5比較得出，橋梁橫撐的不同組合對穩(wěn)定的影響很大，一字撐對橋梁的橫向剛度影響最小，K撐和米字撐能夠顯著提高橫向剛度，從而提高橋梁的整體穩(wěn)定性?？紤]橋梁景觀效果，采用橋面增設4道K撐的方案；增加斜撐后，恒載、恒載+汽20的一階穩(wěn)定系數(shù)分別提升至11.9、10.04，符合規(guī)范要求。其中，第一階失穩(wěn)模態(tài)均為拱的面外失穩(wěn)，第二階失穩(wěn)模態(tài)為拱的面外失穩(wěn)和橋面扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，第三階失穩(wěn)模態(tài)為縱向失穩(wěn)，整體剛度分配較合理。

3 加固設計方案

3.1 加強主拱圈橫向聯(lián)系

考慮到該橋拱肋穩(wěn)定系數(shù)較低,本次加固對鋼管拱肋增設了K形支撐,即在原有“一”字形橫撐的基礎上增加斜撐,新增斜撐的鋼管型號為φ600×8 mm,分別與原有拱肋的上、下弦鋼管相連，見圖2。

圖2 新增斜撐平面布置圖

3.2 吊桿更換

原設計吊桿由于設計缺陷導致吊桿檢查及更換難度較大，根據(jù)2011年常規(guī)檢測報告，第6孔下游側(cè)的5#吊桿索力與上一次檢測相比變化了6.32 t，變化幅度約為11%。同時鑒于多數(shù)吊桿基本達到了使用年限，故本次加固考慮更換全部吊桿。其主要施工工序為：兜吊體系制作及安裝；舊吊桿拆除；新吊桿安裝、張拉；新吊桿調(diào)索。新吊桿采用OVM.GJ15－17鋼絞線整束擠壓吊桿。

3.3 加強橋道T梁橫向連接

全橋橋道T梁橫向連接為鉸接，橫向剛度較弱，鉸接處施工質(zhì)量較差，混凝土病害較多，導致橋面鋪裝在T梁縱向接縫處產(chǎn)生較多的反射裂縫。為加強橫向聯(lián)系，對鉸縫中心線兩側(cè)橫隔板及T梁翼緣各鑿開20 cm寬，補焊鋼筋后澆筑一道濕接縫，使T梁橫隔板形成一個整體，見圖3。

圖3 T梁橫隔板增加濕接縫處理示意圖（單位：cm）

4 結(jié)語

通過對該橋的加固,得出了以下幾點結(jié)論：

（1）對于現(xiàn)役鋼管混凝土拱橋的吊桿,應進行定期檢查,對銹蝕嚴重的吊桿應及時更換。

（2）拱肋橫向聯(lián)結(jié)對鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性有較大影響。K撐和米字撐對結(jié)構穩(wěn)定的提高要明顯優(yōu)于一字撐，實際工程中應考慮穩(wěn)定及景觀的需要，合理布置橫撐的形式。

（3）對于橫向聯(lián)系較弱的現(xiàn)役拱橋的橋面結(jié)構（如T梁），應考慮加強其橫向聯(lián)系，從而減少橫向連接部位和橋面鋪裝病害。

[1]JTGD62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[2]JTJ 023-85,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[3]王國鼎，鐘圣斌.拱橋[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]李國豪.橋梁結(jié)構穩(wěn)定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,2002.