钢拱桥拱肋加固设计

袁　帅　徐　俊　杨建喜

(同济大学桥梁工程系, 上海 200092)



钢拱桥拱肋加固设计

袁帅*徐俊杨建喜

(同济大学桥梁工程系, 上海 200092)

摘要浙江省宁波市灵桥是一座省级文物保护桥梁,自1936年建成至今已运行70余年,已达到设计使用年限并超期服役,近些年来经历多次船撞事故,通过对灵桥的检测也发现其很多构件出现严重的开裂、锈蚀等病害,拱肋偏斜程度也在逐年增加,为保护桥梁的文物价值和满足交通需求,确定对灵桥进行加固维修。通过对灵桥主要病害情况进行分析,采用最大限度的保护桥梁文物价值并结合现行城市桥梁设计荷载等级的设计原则,主要介绍灵桥拱肋部分的加固设计,该桥拱肋构造复杂,加固设计中主要采取拱肋箱体内侧贴板加固的方式,对类似桥梁拱肋的加固设计有一定的参考价值。

关键词钢结构拱桥, 三铰拱桥, 拱肋, 加固设计

Arch Rib Reinforcement Design of Steel Arch Bridges

YUAN Shuai*XU JunYANG Jianxi

(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

AbstractNingbo Ling Bridge, located in Ningbo City of Zhejiang province, is a provincial cultural relic conservation bridge. It has reached the design life after more than 70 years′ operation since 1936. In recent years, there were several vessel collision accidents occurring on the Ling Bridge. Through the detection of Ling Bridge, it was found that many of its components had serious diseases such as cracking, corrosion, and the arch rib deflection degree increased year by year as well. The Ling Bridge needed thorough reinforcement and repair. Based on the analysis of main disease, combining with the design principle of the current design load level of city bridges and protecting maximum cultural relic value, this paper mainly introduces the reinforcement design of arch ribs of the Ling Bridge. The main arch rib reinforcement adopts the reinforcement design of pasting board inside of the rib, which has some reference value to the similar bridge.

Keywordssteel arch bridge, three-hinged arch bridge, arch rib, reinforcement design

1总体概况

宁波市灵桥建于1936年,原名灵现桥、老江桥。该桥位于宁波市海曙区三江口上游的繁华地段,是宁波的城市象征之一,2005年被列为浙江省级文物保护建筑。

它是一座单跨中承式三铰拱结构钢桥,灵桥现状如图1所示,跨长为97.552 m,桥宽25 m,主拱矢跨比为1/6.6,拱轴线为半径86.349 m的圆弧线。拱肋截面采用箱形断面,由顶板、腹板、中隔板和底板及相互间连接角钢构成。全桥共设12对吊杆,吊杆截面采用腹板两侧铆接四块角钢成形的H形截面,两端分别与拱肋和横梁通过铆钉连接。桥面板为正交异性钢桥面板,纵横梁均为倒T形截面,与钢桥面板焊接共同承受桥面荷载。下部结构采用空箱式桥台和松木斜桩。

图1　灵桥现状外观图Fig.1　The outside view photo of Ling Bridge

灵桥在建成后不久即逢战乱,在战争期间遭受多次轰炸,导致拱肋发生偏斜、桥头空箱基础被炸毁,在拱肋、吊杆和门架、风撑以及纵横梁上的弹痕随处可见。新中国成立后,于1951年对战争中毁坏的构件如拱肋腹板、吊杆、纵横梁以及混凝土桥面和空箱桥台进行了修复。1986年,灵桥管理单位委托同济大学对灵桥进行了病害检测及荷载试验,检测发现拱肋偏斜、基础不均匀沉降等问题。1994年,为了满足日益增长的交通量需求,将桥面新增托架拓宽以方便行人和非机动车辆的通行,将原混凝土桥面改为纵横梁组成的正交异性钢桥面板;拱脚处外包混凝土,保护拱脚处拱铰不受江水侵蚀,并使其与拱肋共同受力。随后在2000年、2006年和2008年对灵桥的检测[1]发现,近年来河流通航等级提升、桥下净空不足、潮位变化频繁等因素造成船撞事故频繁发生,导致托架悬臂部分结构损坏、1994年的正交异性钢桥面板普遍开裂,拱肋整体偏斜程度逐年增加。

2灵桥主要病害分析

2011年底,灵桥再次遭受船撞。随后,宁波市有关单位委托同济大学专家主要对灵桥的上部结构进行了检测[2],包括上部结构各种病害检测、关键节点和杆件的超声波探伤、拱肋空间形位测量、交通状况调查等,检测发现灵桥的主要病害如下:

(1) 拱肋的病害主要为很多部位的涂装也已失效,如图2所示,主要表现为涂膜麻点、拱肋内壁锈蚀以及缝隙腐蚀等。由于拱肋与桥面相接处密封措施失效,拱脚拱肋箱体中大量积水,导致拱肋箱壁严重锈蚀,根据超声波测厚,拱脚拱肋的部分腹板壁厚已被锈蚀削弱1 mm。拱肋弹痕较多,且因为爆炸导致拱肋出现目视可见的变形。此外,拱肋还存在铆钉缺失与烂头等病害。

图2　拱肋内部锈蚀图Fig.2　Arch rib internal corrosion

(2) 吊杆的病害主要表现为构件表面锈蚀以及在对吊杆进行焊接施工时形成的焊缝病害。

(3) 纵横梁的病害除原结构的弹孔痕迹外,由于降低了桥下通航净空,横梁多次遭受船撞,进而发生变形甚至撕裂。此外在横梁与吊杆连接处发现了许多裂纹。

(4) 灵桥的桥面板最主要的病害是加劲肋开裂以及桥面顶板开裂。其中加劲肋开裂表现为加劲肋与顶板焊缝开裂、加劲肋由于焊缝缺陷而断裂等,部分纵肋断裂对桥面受力有较大影响,当车辆通过时可听见裂缝两侧钢板撞击声。

根据以上病害情况确定该桥已不能满足安全使用要求,需要对灵桥的拱肋、吊杆、桥面系纵横梁等构件进行维修与加固。由于篇幅有限,本文主要对拱肋的维修加固设计进行介绍。

3拱肋概况

灵桥全桥共4片拱肋,每片拱肋由6个节段组成,如图3所示,各节段在图中节点处拼接而成。除拱脚节段1外,每个节段都与吊杆相连,见图3中A8′~A13′,并在吊杆顶端设置一道横隔板,具体见5.2节。除此之外,每节段内G8′~G13′处还各设有一道横隔板,以抵抗拱肋扭矩。

图3　拱肋节段构造图Fig.3　Arch rib segment structure drawing

在桥面板纵横梁以及加劲肋的加固改造设计中,将原来的开口纵向加劲肋改为闭口的U形纵向加劲肋、加厚中间桥面板以及增设副横梁等使桥面板的整体重量增加了近60%。对灵桥建立精确的力学模型进行分析计算(计算结果见表1,其中老结构与A3钢材性能相似,容许应力根据规范JTJ025-86[3]第1.2.15条算出1.25[σw]=1.25×145=181 MPa),得出在现行车道布置以及城-B级设计荷载作用下,灵桥拱肋的承载能力确实已经不能满足规范规定的容许应力要求,必须予以加强。

表1城-B级设计荷载下未加固拱肋应力

Table 1　The stress of old arch rib undercity level-B design load　MPa

基于城-B荷载[4]的设计,兼顾保护桥梁文物价值,确定对拱肋采取内部加贴钢板和更换受损结构的加固方式,新加固构件的材料均为Q345qd钢材。而因老结构的材料是1936年的老钢材,其硫、磷等元素的含量较高,倘若焊接会出现热脆现象[5],所以老结构与老结构的连接应沿用铆接,且新加固结构与老结构之间也必须用铆接,新加固结构之间则采用焊接以方便施工。

4拱肋第1节段加固设计

4.1　拱脚变截面部分

1994年加固的外包混凝土不仅由于自身开裂而不能发挥其本来的性能,还阻碍积水流出,加剧拱肋锈蚀,必须将混凝土全部拆除。除此之外,拱肋第1节段为变截面结构,并且与下纵联交叉相接。桥面系的下纵联如图3所示,是在主纵梁下方,连接端横梁与邻近两横梁的纵梁,为双槽钢截面,在拱脚变截面处将槽钢腹板与拱肋腹板直接用铆钉相接。老结构拱肋第1节段立面图如图4所示,可以看出,原变截面段与下纵联交接处下方的拱肋腹板内外侧各有一层加固钢板,仅覆盖拱脚末端,与端横梁伸出的角钢相连。

图4　拱肋第1节段老结构示意图Fig.4　Sketch of the first segment of the old arch rib

设计中,为了增大截面,更换原内外贴板,保持外贴板16 mm、内贴板14 mm厚度不变,将内外贴板覆盖整个第1节段。下纵联的槽钢腹板与内贴板相铆接,并将二者连接部分延伸至端横梁处,如图5所示,图中阴影部分为新的贴板。

图5　拱肋第1节段新加固结构示意图Fig.5　Sketch of the first segment of the reinforcement arch rib

4.2　拱脚普通截面部分

拱肋第1节段普通截面部分原为顶板、底板及腹板只有一层钢板的结构如图6所示,为增大截面尺寸,将内外贴板均覆盖整个节段,新贴板与原结构之间的铆接应尽可能利用原有铆钉孔。另外,普通段的拱肋内部中隔板和底板及其贴板都锈蚀严重,均采用新钢材替换,底板及其贴板尺寸不变,中隔板厚度不变仅因内贴板存在而缩短。拱脚普通截面部分加固示意图如图7所示,深色区域为贴板及加固钢板件。

图6　拱脚普通截面老结构示意图Fig.6　General section of the old first arch rib segment

图7　拱脚普通截面新加固结构示意图Fig.7　General section of the new first arch rib segment

4.3　节段拼接处

老结构在节点6的节段拼接处截面如图7所示,在节段拼接处相较普通截面,在顶板内外、腹板内外和底板两侧各多加了一层钢板,并布置一道横隔板,与腹板内贴钢板、中隔板和底板分别通过角钢铆接。

图8　节点6处截面老结构示意图Fig.8　Old sketch of the section through Node 6

根据该部分受损情况,同时为了增大截面强度,将老结构贴板全部更换。顶板上部加贴两层16 mm钢板,下部贴一层13 mm钢板,腹板内部和外部贴板采用覆盖整个第1节段的内部14 mm、外部16 mm厚度的钢板。更换底板及底板下贴板,尺寸不变。由于横隔板受损严重,更换所有横隔板及连接角钢,节段拼接处加固结构示意图如图9所示,深色部分为新贴板及加固钢板件。

图9　节点6处截面新结构示意图Fig.9　New sketch the section through Node 6

5拱肋其他节段加固设计

5.1　普通截面部分

老结构拱肋其他节段的普通截面与拱肋第1节段的普通截面除底板下贴板的数量外均相同。由于三铰拱桥两个铰之间拱肋应力先增大后减小,拱肋第1节段普通截面的底板下只有一层贴板,而第3、第4节段为三层贴板,第2、第5节段两层贴板,第6节段没有贴板。因此取第3、第4节段为例,其老结构截面如图10所示。

图10　拱肋普通段老结构截面示意图Fig.10　Old sketch of the general section of arch rib

设计中,为了尽量不改变拱肋老结构的外观,在拱肋上部加一道隔板,并用角钢铆接于腹板上,这样只需在腹板处加少量铆钉。更换老结构中隔板,并且在其两侧腹板上各贴一层新钢板,用角钢铆接在新中隔板上,以此来加固腹板中部。腹板底部各贴一块新钢板以补强加固,并将原底板及底板贴板全部更换为新结构,尺寸及各节段贴板数量不变。根据拱肋受力计算分析及钢板的构造设计[6],腹板上每块贴板厚度均取为20 mm,其中腹板中部的贴板长为300 mm。顶部隔板厚度取为30 mm,两侧角钢为160 mm×160 mm×14 mm。中隔板保持原厚度10 mm,连接角钢也保持原尺寸70 mm×70 mm×10 mm。新加固截面如图11所示,其中深色区域为所有新加固钢板件。

图11　拱肋普通段新加固截面示意图Fig.11　New sketch of the general section of arch rib

5.2　拱肋与吊杆连接部分

拱肋与吊杆连接部分的构造,在所有吊杆处基本相同,取第4节段拱肋与吊杆的交界处进行分析,其老截面如图12所示。老结构的吊杆是在拱肋中隔板之下,用铆钉将吊杆的翼缘铆接在拱肋腹板上,拱肋在此处的中隔板上侧有一层横隔板,以避免此处因吊杆存在而造成的局部应力过大[7]。拱肋顶板和腹板通过角钢与横隔板铆接,横隔板上预留人孔以方便施工。底板在吊杆处开方形孔,其余尺寸均与普通截面相同。

图12　拱肋与吊杆连接部分老结构截面示意图Fig.12　Old sketch of the section of arch riband hanger connection

为了进一步增大截面,采用如图13所示的加固方案,图中深色部分为新加固或更换构件。在腹板内侧加一层20 mm厚的内贴板,延伸至吊杆顶端,因空间狭小,与吊杆翼缘及其内侧新加贴板一起熔透焊接[8]。更换中隔板及其下侧角钢、底板和底板下贴板,尺寸不变,在腹板与底板连接角钢之上再贴一层角钢以加强此吊杆孔处的底板连接强度。由于普通截面上部新加了一道隔板,将原中隔板上的横隔板在此处截断为顶板与上部隔板之间和上部隔板与中隔板之间两部分,分别用角钢铆接在各个板件上。

图13　拱肋与吊杆连接部分新加固截面示意图Fig.13　New sketch of the section of arch riband hanger connection

5.3　拱肋节段内横隔板处

除节点5和节点6两节段拼接处以及拱肋与吊杆连接的中隔板上部设有横隔板外,拱肋的每一节段内还各设有一道横隔板,如图3中的G8′~G13′位置。同样各节段此处的截面除下贴板外均相同,下贴板也与普通截面的贴板分布相同。取节段4的G10′位置进行研究,如图14所示,老结构普通截面部分的顶板、腹板、中隔板和底板通过角钢与横隔板铆接在一起,角钢规格为70 mm×70 mm×8 mm。

图14　节段内横隔板处老结构截面示意图Fig.14　Sketch of the diaphragm section

对该处的加固如图15所示,深色部分为新加固结构。在腹板内部新加一层20 mm贴板,更换横隔板并去除上部隔板与顶板之间部分,通过角钢铆接在腹板内贴板、上部隔板和底板上。更换中隔板并将中隔板在此横隔板处截断,用角钢与横隔板铆接。此外,在新横隔板上预留直径190 mm的人孔以方便施工。

6验算结果

如表2所示,对加固后的新结构进行相关计算,得出在现行城-B级荷载标准作用下,拱肋最大工况下的应力水平在规范规定的容许应力范围之内。

表2城-B级设计荷载下加固拱肋应力

Table 2　The stress of new reinforcement arch ribunder city level-B design load　MPa

7结语

本次设计通过对灵桥拱肋受损构件的更换和贴板加固,增大了拱肋截面的尺寸和强度,使其能够满足规范的要求,达到了加固设计预期的目的。此外,本次对拱肋的加固设计秉承“修旧如旧”的理念,尽力不改变原结构的外观,保存了灵桥的文物价值,使其能够保持原有风貌,继续发挥其历史文化功能。

参考文献

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收稿日期：2015-04-23

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