以钢横梁受力为主的拱桥桥面系病害分析与加固方案探讨

王石磊，高 岩，张 勇

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

目前国内部分中承式或下承式的钢管混凝土拱桥桥面系采用吊杆悬吊以横梁受力为主的结构形式，桥面系结构由钢横梁、钢纵梁、桥面板组成，桥面荷载直接由钢横梁与桥面板组成的组合梁承担。荷载由组合梁传递给吊杆，最后传递给拱肋。该类型桥面系结构受力明确，施工方便，但整体性较差，抗风险能力弱，本文以广州一座特大中承式钢管混凝土系杆拱桥为背景，结合该桥桥面系的目前病害状况，建立有限元模型对该类型桥面系病害成因进行分析，进而对采用大纵梁体系的加固方案进行了探讨。

1 桥面系构造

该桥桥面系钢横梁为工字形，焊接制造，纵向间距8 m，悬吊于吊杆的单根标准横梁长38 m，高度由线路中心线处1.974 m向两端线形变化至1.729 m，钢横梁上翼缘设有三排剪力键，以保证钢横梁与混凝土纵梁有效连接。钢纵梁采用热轧H型钢，高140 mm，横向共设置四组，主要用于支承桥梁检查车和增强桥面的整体性。钢纵梁与钢横梁通过高强螺栓栓接连接。桥面板采用π形钢筋混凝土纵梁，横向共由10片梁组成。桥面系布置见图1。

2 主要病害及成因分析

2.1 病害概况

该桥桥面系目前病害集中在钢纵梁与钢横梁的连接部位，主要状况如下:①横梁腹板与其下翼缘焊缝焊趾处存在开裂现象，部分裂纹已裂透腹板，裂纹形态见图2。②高强螺栓存在松动、脱落、剪断的现象，钢纵梁已塌落在横梁翼缘板之上，状况见图3。

该桥桥面系纵横梁连接部位病害发展迅速，2009年相比2006年检查的结果发现连接角钢断裂比例由17%增至28%，横梁腹板焊缝开裂比例由18%增至32%。

2.2 成因分析

结合运营单位提供的资料和该桥面系结构的特点，推断病害原因主要有以下两个方面:

图1 桥面系结构布置(单位:mm)

图2 钢横梁腹板与翼缘交接部位裂纹形态

图3 连接角钢断裂、脱落、纵梁塌落状况

1)超载车辆作用。据运营单位调查发现，目前车流量每天约11万辆，车辆超载情况也十分严重，其中55 t的车每天平均1万辆，100 t以上的车也较为普遍，车辆最大超载率达500%。超载车作用使桥面系局部受力偏离了设计状态。

2)钢纵梁参与了结构整体受力。小纵梁设计时主要用于支承桥梁检查车，设计时只考虑其加劲作用，而不参与结构的面内受力。管理单位曾委托相关单位对该桥桥面系进行了荷载试验，结果表明在设计荷载作用下钢纵梁会对纵梁连接部位产生70 kN的面外往复作用力，在此力的循环作用下导致横梁腹板同下翼缘连接部位焊缝可能存在疲劳开裂。

为了了解桥面系结构局部受力的特点，明确病害产生的原因，对桥面系建立有限元模型进行受力分析。

2.2.1 计算模型

模型纵向选取5个横梁节间进行分析，模型纵向长度为40 m(0.5×8.0+4×8.0+0.5×8.0)，并利用横向对称性，建立半幅模型。小纵梁同钢横梁刚性连接。吊杆采用梁单元，混凝土板采用六面体实体单元，钢横梁、小纵梁、大纵梁均采用板单元进行模拟。结构计算模型见图4。

2.2.2 加载图示

计算采用移动荷载加载模式，从模型跨中横梁左侧4 m处开始，每1 m加载一次，直至横梁右侧4 m处，共加载9个工况，加载方式见图5。计算时按照三车道靠中于同一断面布置有6个轮载，每个轮载采用规范20 t标准车后轴轮重65 kN进行分析，移动荷载轮载横向布置见图6。

图4 桥面系加固前计算模型

2.2.3 结果分析

图7给出了各工况下中横梁内侧小纵梁腹板所在位置处横梁腹板各节点相对面外变形示意图。结果表明在横梁前、后侧由于小纵梁约束作用，横梁腹板产生局部的往复变形。J W Fisher曾建议用如下公式计算小间隙处面外变形产生的应力σ

式中，M为计算位置弯矩;yc为中性轴至计算位置处距离;E为钢材弹性模量;tw为腹板厚度;Δ为面外变形差;L为小间隙高度，如图8所示。通过上式算得纵横梁连接处局部应力幅可达206 MPa，模型中仅考虑了20 t车辆作用，若考虑超载车辆的影响，应力幅值将会更大，计算结果表明此处焊缝开裂应为高应力幅状态下的材料疲劳破坏。

综上所述，钢纵梁参与了桥面系的整体受力，令钢横梁腹板同下翼缘连接部位承受频繁的往复作用力，同时超载车又强化了这种力的作用，导致了纵横梁连接部位出现了疲劳开裂。

图5 移动荷载纵向加载工况

图6 移动荷载轮载横向布置(单位:m)

3 加固方案及效果

3.1 方案概述

针对目前该桥面系的病害情况，主要采用增设大纵梁并释放小纵梁同横梁连接处轴向约束的方案，另外考虑到该桥超载车较为频繁，并对钢横梁下翼缘加厚处理。增设的两道大纵梁位于横梁端部，大纵梁高1.719 m，利用高强螺栓同原有横梁连接;通过小纵梁及钢横梁连接翼缘上开设椭圆螺栓孔方式实现二者之间相对轴向自由活动，仅保留其悬挂检查小车的功能。加固后桥面系概况见图9，改造后小纵梁同钢横梁连接部位构造见图10。

图7 横梁腹板各节点相对面外变形

图8 小间隙处面外变形应力计算

图9 增设大纵梁后桥面系概况

图10 纵横梁连接改造后构造(单位:mm)

3.2 效果分析

3.2.1 横梁受力分析

由于该桥重车较多，考虑活载按6车道不折减计算，同时组合恒载应力及温差应力，对荷载组合下的钢横梁应力进行分析，用以考察加固后横梁应力是否满足规范要求。

1)计算模型及荷载。①恒载采用加固前模型计算，并结合横梁施工方式考虑组合截面的共同受力作用;②活载(6车道公路I级车辆荷载不折减，考虑1.3的冲击系数)、混凝土桥面板与桥面系钢梁间温差(±15℃)由加固后截面(净截面)承担并与加固前恒载计算结果组合。

2)计算结果。考察图11所示横梁控制截面应力，给出主要荷载组合下各控制截面横桥向正应力计算结果如表1所示。由表1可知，在考虑各荷载组合下容许应力提高系数后，加固后横梁各控制截面应力均满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》要求。

3.2.2 大纵梁受力分析

对大纵梁在温差荷载、活载、单根吊杆及横向双根吊杆退出工作三种工况下的受力进行了分析，用以考察大纵梁在正常使用及极端工况情况下的受力性能。

1)计算模型及荷载。①温差荷载采用半幅横向对称模型，考虑混凝土桥面板与钢梁温差±15℃;②活载横向一侧偏载采用全幅模型，6车道55 t重车不折减;③加固后恒载索力推算为1 250 kN左右，考虑2倍动力系数，施加2 500 kN吊杆反向集中力于半幅横向对称模型。

图11 横梁控制截面示意(单位:mm)

表1 主要组合下横梁各控制截面应力 MPa

2)计算结果。主要荷载工况下钢纵梁应力计算结果见表2。结果表明钢纵梁在正常受力条件下，大纵梁的应力水平较低，而在施加吊杆反向力的极端工况下，大纵梁应力也不大于屈服应力。

表2 主要荷载工况下钢纵梁应力状况 MPa

4 结语

该桥桥面系小钢纵梁参与了结构的整体受力，令钢横梁腹板同下翼缘连接部位在车辆过往时存在前后往复变形，而超载车又加重了这种变形作用，导致了纵横梁连接部位焊缝处存在较高的应力幅，出现了材料的疲劳破坏。采用上述加固方案后，横梁腹板可自由变形，释放了小钢纵梁同横梁连接部位力的作用，同时由于增设了大纵梁提高了桥面系的整体性，另外避免了一根吊杆退出工作所悬吊桥面板整体坠落的事情发生，提高了大桥正常运营的安全系数。鉴于国内目前较多类似桥梁采用此种以横梁为主的悬吊桥面系结构，本文的分析及相应的加固措施对类似桥梁的维修养护具有一定的指导意义。

［1］中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中华人民共和国交通部.JTJ 025—86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1986.

［3］中华人民共和国交通部.CECS 77:96 钢结构加固技术规范［S］.北京:人民交通出版社，1996.