某跨铁路尼尔森拱桥体系转换加固改造设计

罗松　郑恒　刘昂

摘要 以某跨铁路中承式混凝土尼尔森拱桥为背景，对该桥病害进行分析与加固设计。为改善该桥整体性能，对其开展增设钢桁纵梁体系转换加固改造设计，将原拱桥体系转换为5跨连续梁体系。结果表明：加固后各构件应力状态及疲劳性能均满足规范要求，该体系转换加固设计方法可靠有效，可供同类桥梁加固改造参考借鉴。

关键词 桥梁工程;尼尔森拱桥;体系转换;加固设计

中图分类号 U448 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0184-03

0 概述

尼尔森拱桥具有承载力高、抗震性能好、结构轻盈优美等诸多优势，在20世纪90年代后的国内山区公路、市政道路以及后期铁路桥梁建设中得到了一定范围的应用与推广[1-2]。由于早期该类桥梁材料性能劣化、交通量日益递增、养护管理不到位及近年来自然环境恶化等因素的影响，既有该类桥梁问题频发，结构性病害逐年增加，导致结构和交通安全受到严重威胁。且尼尔森体系非系杆拱桥（即漂浮体系桥面系）在尼尔森构造体系自身问题和漂浮体系桥面系受力特征的共同影响下，吊杆较其他体系及尼尔森体系的系杆拱桥更易产生吊杆病害[3]。因此加强对尼尔森拱桥健康监测，高度重视对危、旧尼尔森体系拱桥的检测以及加固十分必要[4-5]。该文以某跨铁路尼尔森拱桥为项目背景，结合调查中发现的病害，提出改变体系加固改造技术及方案设计，供该类桥梁的加固改造参考借鉴。

1 工程概况及主要病害状况

某中承式混凝土提篮拱桥全长178.40 m，主跨117.80 m，该桥上跨铁路，于1994年6月建成通车，桥梁多处构件已出现较严重的病害。

据桥梁外观检查结果，该桥在长期运营过程中，逐渐产生了一些影响结构耐久性和安全的缺损，主要包括混凝土构件的钢筋锈胀、露筋、保护层剥落、破损和裂缝。该类病害对结构耐久性的影响较为显著，但部分构件的缺损可能影响结构安全性，主要分布如下：

（1）主桥纵梁与横梁接头处，牛腿破损严重，严重削弱了对纵梁端部的支承能力。经查阅竣工文件，该部位原设计为：两孔相邻的纵梁主体预制RC构件，在两纵梁接头端上缘采用预留钢筋连接并浇筑现浇接头，支承于横梁顶部，纵梁端部下缘支承于横梁端侧面的牛腿之上。经2007年加固后，纵梁一端改为与横梁固结，另一端为铰支，这两处破损的牛腿处于铰支端。故该部位的缺损对纵梁的稳定性有较大的影响。

（2）该桥面体系由吊杆为横梁提供竖向支撑，桥面板再支承在横梁上，内、外部均无多余约束。该类体系的约束冗余度不足，传力路径明确但单一，一旦断索，极易导致横梁及桥面系垮塌。

该桥梁从建成通车之后缺少对吊杆的检查与养护，致使全桥吊杆下锚头锈蚀严重，套筒内积水，锚头防水黄油老化，流失严重。

2 病害分析及加固设计

桥梁病害的影响及吊杆结构受力不均匀等使得实际运营中的吊杆力与理论值偏差大，部分吊杆的安全储备较差。吊杆锚头锈蚀严重，横梁上牛腿开裂破损情况严重且裂缝有明显的发展，部分湿接头有裂缝。以目前桥梁现状中吊杆材料的抗老化疲劳能力、施工工藝水平等都难以从根本上解决锚头防护罩内积水问题，锚头锈蚀及吊杆索力损失问题将一直存在[8-10]。且该桥上跨铁路，确保该桥安全状态对铁路的安全运营意义重大。为彻底解决吊杆及拱圈的病害问题，保证桥梁的安全运营和耐久性，加固方案设计采用增设钢桁纵梁体系转换方案。

该方案将提篮拱桥结构转换成梁式桥结构形式。原有提篮拱部分作为桥梁装饰，不予拆除。体系改变后断面布置图见图1。

新增的钢桁式纵梁共2片，布置在横梁两端，采用钢板拼接与现场焊接。顶底弦杆为箱型截面，其余为钢板焊接式“工”型截面。钢材为Q345qD型钢。

钢桁式纵梁分段吊装后现场焊接为整体，再整体同步顶升完成拱-梁不同受力体系的转换。整体顶升力控制值取原桥面系和钢桁式纵梁总重的30%，合计1 510 t。实施时采用并联单动式千斤顶，其布置为：在6#和10#墩顶各布设1台，7#～9#墩顶各布设3台。钢桁式纵梁顶升时，各顶升点由同1台油泵提供动力，通过自动控制系统完成每台千斤顶的顶升位移控制，实现整体同步顶升。顶升控制力分为10%、15%、20%、25%和30%共五级，每级顶升过程中实时测量各参数数据并实时分析，动态调整。由数值计算获取原横梁的各顶升位移控制值为：6#和10#墩处对应横梁上移约3 mm，7#和9#墩处对应的横梁上移约9 mm，

8#墩处对应的横梁上移约11 mm。

3 结构加固改造后的计算分析

3.1 结构有限元模型

采用MIDAS Civil建模对该桥进行数值分析，原混凝土横梁、原分段式混凝土纵梁和新增钢桁式纵梁采用梁单元，桥面系采用板单元，不计桥面板对横梁的刚度贡献[11]，全桥共划分550个节点，542个梁单元，120个板单元，结构有限元模型如图2所示。

3.2 计算结果分析

3.2.1 强度计算

在最不利荷载组合作用下的钢桁式纵梁各杆件最大正应力云图见图3。各杆件最大拉应力和压应力分别为257.5 MPa和255.5 MPa，均未超过270 MPa，满足规范要求。

采用MIDAS Civil建模时，无法考虑钢梁局部承压节段设置的横向加劲肋，故在集中荷载作用处的剪应力会出现失真，集中荷载作用处的受力分析不作分析。其余构件在最不利荷载组合作用下的最大剪应力云图见图4。各杆件最大剪应力为54.6 MPa，小于155 MPa，满足规范要求。

3.2.2 刚度计算

在正常使用阶段最不利荷载组合作用下，钢桁梁各杆件最大竖向位移如图5所示。钢梁最大竖向位移满足规范要求。

3.2.3 疲劳计算

参照公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64—2015），采用疲劳荷载计算模型Ⅰ对钢桁梁结构进行验算，用等效车道荷载进行加载，集中荷载为0.7p，均布荷载为0.3q，pk与按公路-Ⅰ级车道荷载标准取值，并考虑多车道折减。

疲劳荷载计算模型Ⅰ最小正应力、最大正应力如图6所示。疲劳荷载计算模型Ⅰ的最大正应力幅为40.3 MPa，小于54.6 MPa，满足要求。

采用MIDAS Civil建模时，未能考虑局部承压效应，故在集中荷载作用处的剪应力会出现失真，其余各单元疲劳荷载计算模型Ⅰ最小剪应力、最大剪应力如图7所示。疲劳荷载计算模型Ⅰ的最大剪应力幅为9.82 MPa，小于33.9MPa，滿足要求。

4 结语

在病害调研与分析的基础上，针对尼尔森体系拱桥的无纵梁悬吊桥面系存在的整体性和安全性均较差的问题，提出增设通长钢梁的加固改造技术，并实现了将原桥由提篮拱桥结构转换成梁桥形式的改造施工，通过对加固改造后桥梁的典型不利工况的数值计算可知，体系改造后的各构件应力状态及疲劳受力性能均满足现行规范要求，该技术的实施消除了该桥的安全隐患，丰富了该类桥梁的改造加固技术体系。

参考文献

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