吊杆拱桥新增加劲纵梁结构形式比选及优化设计

2021-07-12蒋超越李章瑜

公路交通技术 2021年3期

蒋超越，李章瑜，陈浩

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆万桥交通科技发展有限公司，重庆 400072)

自国内首座钢管混凝土拱桥旺苍东河桥1990年建成通车以来，中国已修建各式钢管混凝土拱桥超过500座。该桥型在国内经过30多年的发展，早期建成的钢管混凝土吊杆拱桥在设计上的缺陷逐渐显露，相关设计与技术规范也在不断修编完善中[1]。

早期中、下承式钢管混凝土拱桥桥面，简支在悬吊横梁上，由于缺乏横梁间的纵向联系，使得桥面整体性较差，在风荷载或汽车荷载作用下均有明显的振动和变形[2-4]。此类桥面体系不仅在动力特性上表现较差，还存在断索落梁的风险[5-7]。2001年，宜宾小南门金沙江大桥下游侧1号吊杆因耐久性问题出现破断，导致横梁坠落、桥面垮塌，上游侧1号吊杆随即破断，桥面上2辆客车坠江，造成了严重的安全事故。2011年，库尔勒孔雀河大桥发生类似事故，拱肋两侧2号吊杆破断，横梁坠落、桥面垮塌。2011年，武夷山公馆大桥北侧拱桥1对短吊杆破断、横梁坠落，其余7对吊杆相继破断、桥面整体垮塌[8]。

上述断索落梁事故中的桥梁均为中承式钢管混凝土拱桥。交通部于2020年12月25日颁布的《公路危旧桥梁改造行动方案的通知》文件中明确指出，无加劲纵梁吊杆拱桥存在结构冗余度不足的缺陷。桥面是保护车辆和行人的最后一道防线，因此，对于早期的中、下承式钢管混凝土拱桥，在断索后如何保证桥面体系不垮塌，是亟需解决的桥梁安全问题。

1 新增加劲纵梁方案对比

目前，提高桥面体系结构冗余度的主要加固方式为新增加劲纵梁，以达到断索时横梁不落梁的目的[9-13]。近年来，国内关于中、下承式钢管混凝土拱桥新增纵梁的加固设计随着工程经验不断丰富，设计方案得到不断优化和完善。现以2座中承式钢管混凝土拱桥的桥面体系加固工程为例，对不同的新增加劲纵梁方案进行对比分析。

1.1 沈阳某桥新增加劲纵梁实例

沈阳某桥为净跨径120 m+140 m+120 m的中承式钢管混凝土拱桥，吊杆采用199根Φ5.1 mm高强镀锌钢丝，于2011年进行了增设纵梁的桥面体系加固设计。在两侧吊杆横梁上方，钢纵梁、加劲耳板和托板通过锚栓连接的方式与横梁固结为一体，并现浇混凝土连续纵梁；在横梁中心线上方现浇混凝土纵梁。该桥每跨横梁间合计新增2处钢纵梁、5处混凝土纵梁，新增纵梁构造示意如图1所示。

(a)新增纵梁横断面

该桥新增纵梁后，在原设计荷载组合下钢纵梁各个构件的工作应力均在容许值以内；中跨桥面体系的平面外刚度提高了约16%，边跨桥面体系的平面外刚度提高了约32%，桥面动力特性得到明显的改善[14]。

本桥新增加劲纵梁解决了桥面体系结构冗余度不足的问题，达到了预期的加固目标。在断索工况下，横梁的支撑力首先由锚栓提供，然后再传递至U型兜吊，通过加劲耳板增强兜吊与纵梁之间的连接，实现对断索横梁的保护。该新增纵梁设计在沈阳某桥上的应用如图2所示。

(a)新增纵梁前的横梁局部

但同时，该设计方案尚存在以下值得研究的问题：横梁、U型兜吊与钢纵梁构成的传力系统较为复杂，横梁为空心截面，锚栓的植入深度受限，锚栓抗剪和混凝土抗剪撬承载能力弱。作为重要的传力构件，锚栓的安全冗余度值得商榷。

另一方面，钢纵梁在横梁处的弯拉应力大，对加劲耳板的传力性能要求较高。U型兜吊与钢纵梁分布在桥面的上下两侧，不便于施工安装和后期检修维护，且影响桥梁景观。

1.2 乐山某桥新增加劲纵梁实例

四川乐山某桥为净跨径175 m的中承式钢管混凝土桁架拱桥，吊杆采用12Φ15.24 mm高强低松弛预应力钢绞线，于2016年进行了增设纵梁的桥面体系加固设计。在两侧吊杆横梁上方新增钢纵梁，通过U型兜吊、高强螺栓与横梁固结，横梁上下表面与钢结构之间放置滑板支座，新增纵梁构造示意如图3所示。

(a)新增纵梁纵断面

在断索工况下，横梁支撑力的传力系统简单明了，U型兜吊与加劲纵梁采取螺栓连接，避免了在横梁上植入锚栓对混凝土结构造成损伤。横梁上下表面设置滑板支座，使得钢纵梁在受力体系上与桥面主要承重结构分离。

新增钢纵梁仅在断索时发挥保护横梁不掉落的作用，正常使用期间钢纵梁并不参与桥面体系的受力，所以有利于减小新增钢纵梁的疲劳效应[15]。该新增纵梁设计在乐山某桥上的应用如图4所示。

(a)新增纵梁施工现场

但是，由于该新增钢纵梁未与横梁直接固结，桥面的动力特性并不会得到明显改善。加劲纵梁与U型兜吊分别位于桥面的上下两侧，同样也存在着施工困难、后期检修维护不便和影响桥梁景观的问题。

2 优化后的新增加劲纵梁设计

分析了上述2座中承式拱桥的新增加劲纵梁设计方案后，现对桥面体系结构冗余度不足的问题提出以下设计目标:1)改善桥面体系的动力特性；2)断索时桥面体系不垮塌；3)尽量减少新增纵梁对桥梁原结构造成的损伤；4)安装和检修维护的实施便捷；5)减少对桥梁景观的影响。根据上述加固目标，对已有新增纵梁方案进行优化，现以重庆市合川区合阳嘉陵江大桥为例，介绍优化后的新增纵梁设计方案。

合阳嘉陵江大桥两侧引拱为跨径58 m的上承式钢筋混凝土拱桥，主桥跨径为130 m+200 m+130 m的中承式钢管混凝土桁架拱桥，吊杆采用19Φ15.2 mm高强低松弛预应力钢绞线，破断力设计值为2 579 kN。2020年，主桥桥面体系进行了增设加劲纵梁设计与施工。在两侧吊杆横梁之间增设钢纵梁，通过对拉锚栓与横梁固结，新增钢纵梁构造如图5所示。

(a)新增钢纵梁横断面

新增钢纵梁的所有构件均设在桥面下方，不会对桥梁景观造成影响，同时便于施工和后期检修维护，加劲纵梁在合阳嘉陵江大桥维修改造工程中的应用如图6所示。

(a)加劲纵梁与横梁连接局部

此外，新的加劲纵梁设计方案增强了桥面纵向刚度，锚栓的连接形式得以优化，满足“索断桥不垮”的设计要求，达到了提高结构安全冗余度的加固目标。

2.1 桥面体系的纵向刚度提升

新增加劲纵梁后的计算模型，钢纵梁单元与横梁单元通过共节点固结。为了简明图示，仅对合阳嘉陵江大桥主跨的动力特性进行说明。主跨原设计的前2阶振型如图7所示。第1阶振型表现为拱肋侧向挠曲，振动频率为0.216 Hz；第2阶振型表现为桥面纵桥向振动，振动频率为0.358 Hz。

(a)原设计主跨第1阶振型

由于横梁间纵桥向没有连接构件，桥面体系的纵向刚度仅次于拱肋的侧向刚度，第2阶振型表现为吊杆横梁沿纵桥向摆动。横梁纵桥向摆动时支座变形较大，带动整个桥面体系同步振动，导致桥面的动力特性较差。

通过新增钢纵梁的方式，加强了吊杆横梁间的纵向联系，加固后主跨的前2阶频率如图8所示。第1阶振型和原设计相同，振动频率提高了约0.06%，即增设加劲纵梁不会对主跨拱肋的侧向刚度产生影响。在第2阶振型中，拱圈和桥面体系出现侧向挠曲，振动频率提高了约5.9%(现为0.378 Hz)，此时桥面体系的振型为横桥向弯曲振动，表明桥面的纵向刚度大于横向刚度，其动力特性得到改善。

(a)加固后主跨第1阶振型

2.2 纵横梁的连接

调研以往的桥面体系加固工程实例，钢纵梁与横梁的固结都是采用锚栓连接。一旦吊杆断裂，锚栓剪力增大，会对混凝土造成剪撬破坏，失去锚固效果，进而造成更严重的后果。

以本桥加固工程为例，若钢纵梁采用锚栓的形式，锚固深度180 mm，则混凝土发生剪撬破坏时的受剪承载力设计值VRd,cp为83.2 kN。断索时，钢纵梁的最大剪力为894.0 kN，平均每只锚栓受剪99.3 kN，混凝土抗剪撬承载力安全系数为0.84，钢纵梁锚固能力严重不足。

由于混凝土和锚栓的强度差异，发生剪撬破坏时，锚栓端部沿着剪力反方向撬坏混凝土。本次设计钢纵梁的连接方式为对拉锚栓，即锚栓孔贯穿横梁截面，并控制锚栓的预拉力设计值为280 kN。该设计使得锚栓的拉力由两端钢纵梁平衡，提高了锚栓的抗拉承载能力。另外，体内通长锚栓不会形成端部受剪，从而避免了混凝土剪撬破坏的发生。在断索工况下，对拉锚栓受拉剪应力较大，经计算，单只锚栓的安全系数由0.84提高至1.25。

2.3 断索工况下整体结构计算

本桥加固后的荷载标准为城-B级，人群荷载3.1 kN/m2，管线荷载为4.0 kN/m。加劲纵梁在施工阶段中新增到原桥结构，以考虑原拱桥结构的初始内力。经计算，其结果见表1。由表1可知，主跨3号吊杆的内力1 599.3 kN为最大值，3号吊杆的内力通过纵梁分摊到相邻横梁上，最终由相邻吊杆承担。因此，对于整体结构，主要关注钢纵梁和相邻吊杆在断索工况下的应力状态。

表1 不同吊杆在断索前后的内力

3号吊杆断索时两侧钢纵梁的应力计算结果如图9所示。在断索横梁处，钢纵梁上边缘压应力为49.86 MPa；下边缘拉应力为219.78 MPa。在相邻横梁处，钢纵梁上边缘受126.54 MPa拉应力，下边缘受3.13 MPa压应力。钢纵梁材质均采用Q355C钢，抗弯、拉设计强度为285 MPa，断索时钢纵梁的工作应力均在容许值之内。