加大截面法在某油品碼頭鋼聯橋加固改造中的應用

盧偉　馬濤　柏龍武

【摘 要】 以某油品碼頭4號泊位為例，介紹承載油管線的鋼聯橋使用工況變化情況，利用Midas Civil軟件建立48 m €？5 m的鋼聯橋模型，在驗證模型正確性后應用模型對新工況下鋼聯橋進行計算。結果表明，引橋部分上弦桿內力增大，超過鋼材容許應力設計值，應選用加大截面法對上弦桿處進行加固。根據相關規范，復核加固后材料的強度及穩定性，結果表明加固后的上弦桿應力滿足設計要求，加固后的鋼聯橋可安全投入使用。

【關鍵詞】 加大截面法；鋼聯橋； Madis Civil；加固；內力；油品碼頭

鋼聯橋主要結構包括平行弦桁架、空腹拱桁、實腹板梁等形式，由于其具有輕質強度高、抗震性能好、施工速度快等特點，在我國碼頭工程中有著廣泛的應用。然而，大量早年建設的鋼聯橋由于結構設計存在重大缺陷，隨著使用條件的改變，鋼聯橋結構的強度、剛度或穩定性不再滿足現有工況條件下的使用要求，同時存在安全隱患，需進行改造加固。如何采取有效的措施對既有鋼聯橋進行加固處理，是工程技術人員面臨的一個重要問題。本文以某油品碼頭鋼聯橋為例，介紹使用工況發生改變時，采用加大截面法對鋼聯橋進行加固改造的設計方法，為以后相關加固改造工程提供類似經驗。

1 工程概況

某油品碼頭水工建筑物共有5個泊位，按照業主加大油品運輸量的要求，其中4號泊位新增4條油管線，該泊位由1艘90 m €？14 m €？3.3 m躉船、7座鋼引（聯）橋、6座閥室墩臺和接岸橋臺組成。躉船通過1座鋼聯橋與閥室墩臺連接，閥室墩臺通過鋼聯橋與其他墩臺及接岸橋臺連接；鋼引（聯）橋主尺寸分別為48 m €？6 m、48 m €？5 m和36 m €？5 m，均為焊接空腹拱桁結構。

48 m €？5m鋼聯橋共布置15根管線（見圖1），其中，1～4號管線為新增油管線，荷載分別為0.756 kN/m，1.042 kN/m，1.042 kN/m，0.355 kN/m。

2 加固前檢測

2012年9月工程質量檢測公司對工況1作用下的鋼聯橋進行了檢測，檢測內容包括外觀檢測和鋼聯橋撓度、應力及殘余厚度檢測等。

根據檢測評估，由于現有鋼聯橋橫梁的上部面板預留了孔位，導致所有橫梁與面板交接部分的面板下部銹蝕情況較為嚴重，其他部位面板存在小面積銹蝕情況；橫梁、下弦桿、腹桿、主桁架及上縱平聯構件外觀情況良好，未發現大面積銹蝕，鋼聯橋強度、撓度及殘余厚度均滿足工況1的使用要求。

3 模型的建立及驗證

利用Midas Civil（空間有限元分析）軟件對鋼聯橋空間桁架數值進行模擬仿真分析。空間鋼聯橋由主桁架、上平聯及橋面系組成，主桁架與上平聯間通過焊接連接，采用固結模式。有限元模型結點數132個，單元數196個，以一端端橫梁為固結，另一端端橫梁為鉸支座為約束條件，建立模型（見圖2）。

管線及人行荷載通過計算，等效傳遞至主桁架上。風荷載按照《公路橋涵設計通用規范》（JTGD 60―2004）中的風荷載公式進行計算，其中：基本風壓W0=0.4 kN/m2；風速V10=23.9 m/s。

應用模型對工況1下的鋼聯橋各桿件內力進行計算，并將內力計算結果與相同位置的檢測結果進行對比（見表2）。

鋼聯橋主桁架各桿件內力測量結果與數值分析結果比值為0.89～1.04，這是由于實際檢測中存在一定誤差，同時數值仿真模擬對加載的荷載與鋼聯橋的結構也進行了一定程度的簡化，導致檢測結果略偏保守，結論為該鋼聯橋模型可以作為加固后工況2的計算模型。

4 加固方案設計

4.1 計算方法

應用模型對工況2鋼聯橋進行計算，得出桿件軸力和彎矩。依據《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152―2012）驗算鋼聯橋材料的強度和穩定性，得到工況2鋼聯橋的各部分構件的內力及驗算結果（見表3）。

4.2 加固方案設計

根據計算結果分析，認為主桁架主要承擔橫梁傳遞的荷載，上下弦桿組合抵抗彎矩及主要軸力，上弦桿端桿及下弦桿承擔Y軸矢量方向的主要彎矩，上弦桿中間桿承擔X軸矢量方向的彎矩。

鋼聯橋上弦桿端桿（位置詳見圖1中帶圈桿件）的強度及穩定性不能滿足工況2的使用要求，需進行局部加固。局部加固是對某承載能力不足的桿件或連接節點處進行加固，包括加大桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節點加固法等，其中加大截面法是最為可行的辦法。此處采用加大截面法對上弦桿端桿進行處理（見圖3）。

在圖3中，①～④桿件分別表示鋼板尺寸為12 mm €？400 mm €？ mm，12 mm €？400 mm €？ mm，12 mm €？83 mm €？320 mm及12 mm €？40 mm €？336 mm的Q345B型桿件。在原有桿件上進行雙面焊接來加大截面面積，提高截面的抗彎、抗剪能力，增大材料的強度及穩定性。通過驗算，加大截面后的桿件滿足工況2的強度和穩定性要求，加固后的鋼聯橋能安全投入使用。

5 結論及建議

對于改變使用工況而需要加固鋼聯橋，檢測與數值模擬相結合和加大桿件截面法可以作為設計和加固時的重要手段和行之有效的方法。針對空腹拱形鋼聯橋，在類似于本文工況2的使用工況下，需重點關注其上弦桿端桿的強度和穩定性是否滿足要求。

由于新增桿件與原有桿件焊接質量直接關系到鋼聯橋的加固質量，因此，對于無法進行雙面焊接的部位，均可采用保證焊透的單面熔透焊縫焊接技術，焊接時盡量滿焊。endprint

【摘 要】 以某油品碼頭4號泊位為例，介紹承載油管線的鋼聯橋使用工況變化情況，利用Midas Civil軟件建立48 m €？5 m的鋼聯橋模型，在驗證模型正確性后應用模型對新工況下鋼聯橋進行計算。結果表明，引橋部分上弦桿內力增大，超過鋼材容許應力設計值，應選用加大截面法對上弦桿處進行加固。根據相關規范，復核加固后材料的強度及穩定性，結果表明加固后的上弦桿應力滿足設計要求，加固后的鋼聯橋可安全投入使用。

【關鍵詞】 加大截面法；鋼聯橋； Madis Civil；加固；內力；油品碼頭

鋼聯橋主要結構包括平行弦桁架、空腹拱桁、實腹板梁等形式，由于其具有輕質強度高、抗震性能好、施工速度快等特點，在我國碼頭工程中有著廣泛的應用。然而，大量早年建設的鋼聯橋由于結構設計存在重大缺陷，隨著使用條件的改變，鋼聯橋結構的強度、剛度或穩定性不再滿足現有工況條件下的使用要求，同時存在安全隱患，需進行改造加固。如何采取有效的措施對既有鋼聯橋進行加固處理，是工程技術人員面臨的一個重要問題。本文以某油品碼頭鋼聯橋為例，介紹使用工況發生改變時，采用加大截面法對鋼聯橋進行加固改造的設計方法，為以后相關加固改造工程提供類似經驗。

1 工程概況

某油品碼頭水工建筑物共有5個泊位，按照業主加大油品運輸量的要求，其中4號泊位新增4條油管線，該泊位由1艘90 m €？14 m €？3.3 m躉船、7座鋼引（聯）橋、6座閥室墩臺和接岸橋臺組成。躉船通過1座鋼聯橋與閥室墩臺連接，閥室墩臺通過鋼聯橋與其他墩臺及接岸橋臺連接；鋼引（聯）橋主尺寸分別為48 m €？6 m、48 m €？5 m和36 m €？5 m，均為焊接空腹拱桁結構。

48 m €？5m鋼聯橋共布置15根管線（見圖1），其中，1～4號管線為新增油管線，荷載分別為0.756 kN/m，1.042 kN/m，1.042 kN/m，0.355 kN/m。

2 加固前檢測

2012年9月工程質量檢測公司對工況1作用下的鋼聯橋進行了檢測，檢測內容包括外觀檢測和鋼聯橋撓度、應力及殘余厚度檢測等。

根據檢測評估，由于現有鋼聯橋橫梁的上部面板預留了孔位，導致所有橫梁與面板交接部分的面板下部銹蝕情況較為嚴重，其他部位面板存在小面積銹蝕情況；橫梁、下弦桿、腹桿、主桁架及上縱平聯構件外觀情況良好，未發現大面積銹蝕，鋼聯橋強度、撓度及殘余厚度均滿足工況1的使用要求。

3 模型的建立及驗證

利用Midas Civil（空間有限元分析）軟件對鋼聯橋空間桁架數值進行模擬仿真分析。空間鋼聯橋由主桁架、上平聯及橋面系組成，主桁架與上平聯間通過焊接連接，采用固結模式。有限元模型結點數132個，單元數196個，以一端端橫梁為固結，另一端端橫梁為鉸支座為約束條件，建立模型（見圖2）。

管線及人行荷載通過計算，等效傳遞至主桁架上。風荷載按照《公路橋涵設計通用規范》（JTGD 60―2004）中的風荷載公式進行計算，其中：基本風壓W0=0.4 kN/m2；風速V10=23.9 m/s。

應用模型對工況1下的鋼聯橋各桿件內力進行計算，并將內力計算結果與相同位置的檢測結果進行對比（見表2）。

鋼聯橋主桁架各桿件內力測量結果與數值分析結果比值為0.89～1.04，這是由于實際檢測中存在一定誤差，同時數值仿真模擬對加載的荷載與鋼聯橋的結構也進行了一定程度的簡化，導致檢測結果略偏保守，結論為該鋼聯橋模型可以作為加固后工況2的計算模型。

4 加固方案設計

4.1 計算方法

應用模型對工況2鋼聯橋進行計算，得出桿件軸力和彎矩。依據《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152―2012）驗算鋼聯橋材料的強度和穩定性，得到工況2鋼聯橋的各部分構件的內力及驗算結果（見表3）。

4.2 加固方案設計

根據計算結果分析，認為主桁架主要承擔橫梁傳遞的荷載，上下弦桿組合抵抗彎矩及主要軸力，上弦桿端桿及下弦桿承擔Y軸矢量方向的主要彎矩，上弦桿中間桿承擔X軸矢量方向的彎矩。

鋼聯橋上弦桿端桿（位置詳見圖1中帶圈桿件）的強度及穩定性不能滿足工況2的使用要求，需進行局部加固。局部加固是對某承載能力不足的桿件或連接節點處進行加固，包括加大桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節點加固法等，其中加大截面法是最為可行的辦法。此處采用加大截面法對上弦桿端桿進行處理（見圖3）。

在圖3中，①～④桿件分別表示鋼板尺寸為12 mm €？400 mm €？ mm，12 mm €？400 mm €？ mm，12 mm €？83 mm €？320 mm及12 mm €？40 mm €？336 mm的Q345B型桿件。在原有桿件上進行雙面焊接來加大截面面積，提高截面的抗彎、抗剪能力，增大材料的強度及穩定性。通過驗算，加大截面后的桿件滿足工況2的強度和穩定性要求，加固后的鋼聯橋能安全投入使用。

5 結論及建議

對于改變使用工況而需要加固鋼聯橋，檢測與數值模擬相結合和加大桿件截面法可以作為設計和加固時的重要手段和行之有效的方法。針對空腹拱形鋼聯橋，在類似于本文工況2的使用工況下，需重點關注其上弦桿端桿的強度和穩定性是否滿足要求。

由于新增桿件與原有桿件焊接質量直接關系到鋼聯橋的加固質量，因此，對于無法進行雙面焊接的部位，均可采用保證焊透的單面熔透焊縫焊接技術，焊接時盡量滿焊。endprint

【摘 要】 以某油品碼頭4號泊位為例，介紹承載油管線的鋼聯橋使用工況變化情況，利用Midas Civil軟件建立48 m €？5 m的鋼聯橋模型，在驗證模型正確性后應用模型對新工況下鋼聯橋進行計算。結果表明，引橋部分上弦桿內力增大，超過鋼材容許應力設計值，應選用加大截面法對上弦桿處進行加固。根據相關規范，復核加固后材料的強度及穩定性，結果表明加固后的上弦桿應力滿足設計要求，加固后的鋼聯橋可安全投入使用。

【關鍵詞】 加大截面法；鋼聯橋； Madis Civil；加固；內力；油品碼頭

鋼聯橋主要結構包括平行弦桁架、空腹拱桁、實腹板梁等形式，由于其具有輕質強度高、抗震性能好、施工速度快等特點，在我國碼頭工程中有著廣泛的應用。然而，大量早年建設的鋼聯橋由于結構設計存在重大缺陷，隨著使用條件的改變，鋼聯橋結構的強度、剛度或穩定性不再滿足現有工況條件下的使用要求，同時存在安全隱患，需進行改造加固。如何采取有效的措施對既有鋼聯橋進行加固處理，是工程技術人員面臨的一個重要問題。本文以某油品碼頭鋼聯橋為例，介紹使用工況發生改變時，采用加大截面法對鋼聯橋進行加固改造的設計方法，為以后相關加固改造工程提供類似經驗。

1 工程概況

某油品碼頭水工建筑物共有5個泊位，按照業主加大油品運輸量的要求，其中4號泊位新增4條油管線，該泊位由1艘90 m €？14 m €？3.3 m躉船、7座鋼引（聯）橋、6座閥室墩臺和接岸橋臺組成。躉船通過1座鋼聯橋與閥室墩臺連接，閥室墩臺通過鋼聯橋與其他墩臺及接岸橋臺連接；鋼引（聯）橋主尺寸分別為48 m €？6 m、48 m €？5 m和36 m €？5 m，均為焊接空腹拱桁結構。

48 m €？5m鋼聯橋共布置15根管線（見圖1），其中，1～4號管線為新增油管線，荷載分別為0.756 kN/m，1.042 kN/m，1.042 kN/m，0.355 kN/m。

2 加固前檢測

2012年9月工程質量檢測公司對工況1作用下的鋼聯橋進行了檢測，檢測內容包括外觀檢測和鋼聯橋撓度、應力及殘余厚度檢測等。

根據檢測評估，由于現有鋼聯橋橫梁的上部面板預留了孔位，導致所有橫梁與面板交接部分的面板下部銹蝕情況較為嚴重，其他部位面板存在小面積銹蝕情況；橫梁、下弦桿、腹桿、主桁架及上縱平聯構件外觀情況良好，未發現大面積銹蝕，鋼聯橋強度、撓度及殘余厚度均滿足工況1的使用要求。

3 模型的建立及驗證

利用Midas Civil（空間有限元分析）軟件對鋼聯橋空間桁架數值進行模擬仿真分析。空間鋼聯橋由主桁架、上平聯及橋面系組成，主桁架與上平聯間通過焊接連接，采用固結模式。有限元模型結點數132個，單元數196個，以一端端橫梁為固結，另一端端橫梁為鉸支座為約束條件，建立模型（見圖2）。

管線及人行荷載通過計算，等效傳遞至主桁架上。風荷載按照《公路橋涵設計通用規范》（JTGD 60―2004）中的風荷載公式進行計算，其中：基本風壓W0=0.4 kN/m2；風速V10=23.9 m/s。

應用模型對工況1下的鋼聯橋各桿件內力進行計算，并將內力計算結果與相同位置的檢測結果進行對比（見表2）。

鋼聯橋主桁架各桿件內力測量結果與數值分析結果比值為0.89～1.04，這是由于實際檢測中存在一定誤差，同時數值仿真模擬對加載的荷載與鋼聯橋的結構也進行了一定程度的簡化，導致檢測結果略偏保守，結論為該鋼聯橋模型可以作為加固后工況2的計算模型。

4 加固方案設計

4.1 計算方法

應用模型對工況2鋼聯橋進行計算，得出桿件軸力和彎矩。依據《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152―2012）驗算鋼聯橋材料的強度和穩定性，得到工況2鋼聯橋的各部分構件的內力及驗算結果（見表3）。

4.2 加固方案設計

根據計算結果分析，認為主桁架主要承擔橫梁傳遞的荷載，上下弦桿組合抵抗彎矩及主要軸力，上弦桿端桿及下弦桿承擔Y軸矢量方向的主要彎矩，上弦桿中間桿承擔X軸矢量方向的彎矩。

鋼聯橋上弦桿端桿（位置詳見圖1中帶圈桿件）的強度及穩定性不能滿足工況2的使用要求，需進行局部加固。局部加固是對某承載能力不足的桿件或連接節點處進行加固，包括加大桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節點加固法等，其中加大截面法是最為可行的辦法。此處采用加大截面法對上弦桿端桿進行處理（見圖3）。

在圖3中，①～④桿件分別表示鋼板尺寸為12 mm €？400 mm €？ mm，12 mm €？400 mm €？ mm，12 mm €？83 mm €？320 mm及12 mm €？40 mm €？336 mm的Q345B型桿件。在原有桿件上進行雙面焊接來加大截面面積，提高截面的抗彎、抗剪能力，增大材料的強度及穩定性。通過驗算，加大截面后的桿件滿足工況2的強度和穩定性要求，加固后的鋼聯橋能安全投入使用。

5 結論及建議

對于改變使用工況而需要加固鋼聯橋，檢測與數值模擬相結合和加大桿件截面法可以作為設計和加固時的重要手段和行之有效的方法。針對空腹拱形鋼聯橋，在類似于本文工況2的使用工況下，需重點關注其上弦桿端桿的強度和穩定性是否滿足要求。

由于新增桿件與原有桿件焊接質量直接關系到鋼聯橋的加固質量，因此，對于無法進行雙面焊接的部位，均可采用保證焊透的單面熔透焊縫焊接技術，焊接時盡量滿焊。endprint