浙江路橋魚腹式鉚接鋼桁梁大修設計

張春雷

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

浙江路橋魚腹式鉚接鋼桁梁大修設計

張春雷

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

上海市浙江路橋跨越蘇州河，為魚腹式簡支鋼桁梁結構。在使用超過100 a后，整體移運至岸邊進行大修。結合交通需求和結構承載能力，加寬主桁間距，增強交通功能。主桁桿件大部分保留，對銹蝕嚴重的構件予以更換。對橋面系結構進行更新，并改進防水細節構造，增強耐久性。橋門架、上平聯恢復為原有的桁架式結構，人行道欄桿也按原樣恢復。大修后，浙江路橋能繼續使用50 a。

鋼桁梁；魚腹式桁架；鉚接；橋梁大修；文物

1 工程概況

上海市浙江路橋建成于1908年，由英國人設計，屬于上海市市級不可移動文物（見圖1）。浙江路橋一跨跨越蘇州河，主梁為魚腹式簡支鋼桁梁，下部結構為木樁基礎上設置重力式橋臺。鋼桁梁為鉚接結構，跨徑59.75 m，總寬14.352 m。主桁間凈距6.8 m，設一個單向機動車道。主桁外為2.16 m寬非機動車道和1.08 m寬人行道。橋面系為鋼結構縱橫梁體系，上設混凝土橋面板和瀝青混凝土鋪裝。

圖1 浙江路橋全貌

浙江路橋在一百多年運營過程中，進行了多次改造加固，機動車橋面、人行道、風撐等構件經歷過更新或更換[1]。2015年，根據橋梁病害檢測和評估情況[2]，浙江路橋再次進行大修。根據橋梁病害情況，綜合考慮周邊道路交通、蘇州河通航、橋梁文物價值和功能價值、鉚接施工工藝等情況，確定了大修總體方案，即：鋼桁梁整體移運至岸邊，搭設廠房進行維修；兩岸橋臺、基礎保持原狀，但要求上部結構大修后荷載不增加[1]。

浙江路橋大修工程的目標為：通過結構拓寬和道路線形調整，適當提高橋上車輛、行人通行和橋下通航能力；修舊如舊，恢復橋梁歷史風貌；通過大修工程，更換損壞嚴重的構件，修復較小的缺陷，保證結構安全；增強結構防腐體系，保證結構耐久性；通過橋面附屬、燈光改造，增強景觀效果并與周邊環境協調；確保大修后浙江路橋能繼續安全運營50 a。根據大修目標，鋼桁梁需進行一定的改造，并根據檢測和疲勞剩余壽命評估對桿件、節點進行加固或更換。

2 大修技術標準

鋼桁梁大修相關技術標準如下：

（1）道路等級：城市支路；

（2）橋面寬度：2.476 5 m（人行道，含欄桿）+ 0.533 m（主桁區域）+8.5 m（機動車、非機動車道）+ 0.533 m（主桁區域）+2.476 5 m（人行道，含欄桿）= 14.519 m；

（3）汽車荷載等級：城-B級；

（4）設計速度：30 km/h。

3 鋼桁梁病害

浙江路橋已建成超百年，魚腹式鋼桁梁的主桁、橋面縱橫梁、人行道托架等構件仍是百年前的原始構件，不可避免地存在病害，主要是銹蝕。為描述方便，對鋼桁梁桿件節點進行編號，如圖2所示。

圖2 桿件節點編號圖

銹蝕以橋面以下最為嚴重（見圖3），主要原因是橋面不具有橋面混凝土路緣石側面，與主弦桿之間存在很小的縫隙，對橋面以下的鋼結構起不到防水作用，經常處于潮濕狀態且容易積聚腐蝕性垃圾。L5、L6、L7主桁節點位于橋面以下，主桁節點板和下弦桿銹損嚴重。其余豎吊桿與鋼桁梁的連接節點也有銹蝕。L0、L12橋門架豎桿下端及支座，由于伸縮縫防水較差，橋臺易于保留垃圾和濕氣，銹蝕情況嚴重。鋼桁梁桿件為鉚接組合截面，縫隙較多且不宜維護，縫隙部位銹蝕及鉚釘頭銹蝕較為普遍。由于構造容易積水，第二節間的U1M2、U2M1、U10M11、U11M10斜桿與主桁的連接部位及交叉節點部位銹蝕嚴重，用于連接的角鋼肢幾乎完全銹爛。

圖3 橋面以下節點板、桿件和鉚釘銹蝕嚴重

4 剩余壽命評估[2]

鋼結構疲勞是指在循環應力作用下材料產生局部組織永久變化，并在經歷一定循環次數之后形成裂紋，繼而擴展，最終剩余受力材料發生斷裂的過程。鋼桁梁結構受拉構件的鉚釘和螺栓孔邊易于萌生疲勞裂紋，并逐步擴展導致整個構件突然失效斷裂。此類病害一旦出現，將嚴重危害到浙江路橋的安全運營，因此，有必要對該橋的疲勞敏感構件進行疲勞壽命分析與評估。

應用斷裂力學理論對浙江路橋的剩余壽命和安全性進行了評估，并確定了疲勞敏感構件的檢測時間間隔。預測剩余壽命及安全性的過程可分為以下幾步：（1）確定疲勞敏感構件（桿件或節點板）；（2）計算疲勞敏感構件的臨界裂紋長度；（3）模擬疲勞荷載加載過程；（4）分析疲勞敏感構件在反復加載下，其中的孔邊裂紋隨使用年限增長而擴展的長度，計算從初始裂紋長度a0至臨界裂紋長度的擴展時間，并比較裂紋擴展時間是否超過正常可接受的檢測間隔。

魚腹式鋼桁梁的吊桿、下弦桿在恒活載作用下，截面應力均為拉應力，且一旦破壞將導致整個魚腹梁變為機構而喪失承載力，因此作為疲勞敏感構件進行分析。根據評估結果（評估時間為2012年），疲勞敏感構件中剩余壽命最低的是豎吊桿M3L3，剩余壽命52 a；豎吊桿M2L2剩余壽命85 a；主桁下弦桿剩余壽命大于100 a。建議對疲勞敏感構件裂紋檢測時間間隔取為6 a。

5 結構設計

魚腹式鋼桁梁大修結構設計根據大修總體目標和原則、大修技術標準、鋼桁梁病害情況以及剩余壽命評估結論進行。

5.1 連接構造

浙江路橋建成時是一座鉚接鋼橋，全橋絕大多數桿件為鉚接型鋼組合構件，所有節點均為鉚接節點。原結構鋼材生產于一百年前，當時的鋼材硫、磷含量普普遍偏高，不適合焊接，因此大修中老鋼材與老鋼材之間、老鋼材與新鋼材之間的連接均采用鉚接。對于新增的構件，橋面以上因“修舊如舊”的需要采用鉚接，橋面以下考慮耐久性盡量采用焊接連接。

5.2 主桁間距調整

為了增強橋面機動車及行人通行能力及行車安全性，主桁凈距從6.8 m拓寬為8.5 m，主桁間設單車道及兩側非機動車道。主桁外側在原始托架寬度范圍內設人行道，取消歷史上改造過程中增加的1.08 m寬度。大修后總橋寬比大修前增加了0.167 m。圖4為調整后橫斷面。

5.3 機動車橋面系

圖4 調整后橫斷面（單位：mm）

原橋面系為縱橫梁體系上現澆混凝土橋面板再設瀝青鋪裝。從檢測情況看，橋面系構造不合理是造成橋面下鋼結構銹蝕嚴重的主要原因。因此改變橋面系的結構形式，采用正交異性鋼橋面系。橋面系橫梁高度與原橫梁高度一致。橫梁與主桁的連接構造也與原結構保持一致，采用雙角鋼鉚釘連接。改用正交異性鋼橋面系還可以減輕上部結構荷載，橋面結構高度減小約0.1 m，有利于通航。

鋼橋面結構布置見圖5。橫梁位置與下弦節點（豎桿）對應，間距為4.978 m，橫梁高度為 0.53 m。由于橫梁間距超過了橋面板閉口加勁合適的跨度（通常不大于4 m），所以設置了 3道小縱梁，并在每個節間的中間位置設置一道橫向分配梁，以改善橋面剛度和承載能力。小縱梁、分配橫梁底板與橫梁底板平齊。橋面板厚16 mm。U形加勁肋厚8 mm，高280 mm，上口寬300 mm，間距 600 mm。在靠近主桁處U肋內部設置填板，增加其抗剪強度。橫梁與主桁下弦節點的連接采用與原結構相同的方法，用兩片角鋼夾住橫梁腹板，采用鉚釘連接。橋面系鋼材采用Q345D。

5.4托架和人行道

圖5 鋼橋面平面和橫斷面（單位：mm）

原人行道托架存在變形、銹蝕等病害，此次大修予以更換，采用與原托架具有相同外形尺寸的焊接變截面工字形構件，托架根部高0.457 m。托架與豎吊桿連接處，托架上、下翼緣采用焊接，腹板采用鉚釘連接。托架上設三道工字形小縱梁，小縱梁上鋪設厚10 cm的木質人行道板。人行道欄桿在歷次大修中已被更換，此次按最初的斜綴條網格形式恢復，并設布置扶手。

人行道與機動車道之間的主桁區域設置防水蓋板，蓋板與木人行道板頂面平齊，在主桁節點或豎吊桿處按實際形狀切割，保持蓋板與主桁構件或豎吊桿之間的縫隙小于5 mm，并用密封膠填充。

5.5 銹蝕構件更換

為了保留文物信息，浙江路橋主桁鋼結構大部分桿件考慮保留。部分構件銹蝕嚴重，為保證橋梁結構安全，則予以更換。更換的構件采用Q235C鋼材。

（1）部分下弦節點下弦桿

M4至M8之間的5個下弦節點和4個節間下弦桿由于銹蝕嚴重，予以更換。新構件和老構件的構造尺寸一致，節點板厚16 mm，下弦桿腹板厚32 mm。

（2）第二節間的格構式斜桿（U1M2、U2M1、U10M11、U11M10）

第二節間的格構式斜桿構造較為復雜，由角鋼、鋼板和綴條鉚接組合而成。檢測發現斜桿節點處桿件截面嚴重削弱，故予以更換。新構件斷面中，用焊接槽形截面代替角鋼與鋼板組合截面，仍采用綴條連接，在保持外觀不變的同時，減少了構件縫隙以減緩銹蝕。

（3）中間三個豎桿的下半部分（U5M5、U6L6、U7M7）

中間三個豎桿底部位于下弦節點板中，截面銹損嚴重，而上半部分銹蝕較少。對豎桿的下半部分予以更換，更換長度約為2.2 m。豎桿原截面為角鋼和鋼板鉚接形成的工字形截面，更換的新構件采用焊接工字形截面，新老構件之間采用節點板和鉚釘進行連接。

（4）端門柱（U0L0、U12L12）下半部分

端門柱下半部分由于與橋面交界部位的滲水等原因，銹蝕嚴重。端門柱底部截去1.855 m長，更換成新構件。新構件外形尺寸及構造形式與老構件一致，板厚作了增強，腹板厚度由32 mm增加為50 mm。新老構件的連接位置位于橋面以上，采用節點板和鉚釘連接。

（5）主桁與橋面之間的豎吊桿

根據檢測，吊桿橋面以下部位銹蝕較嚴重，部分吊桿已進行過加固。在魚腹式鋼桁梁中，橋面依靠吊桿與主桁相連。吊桿將橋面荷載傳遞至主桁，以受拉為主，同時伴有次彎矩，在全橋中屬疲勞敏感構件。根據疲勞壽命預測，吊桿與其他主桁桿件相比疲勞壽命較低。對于橫梁體系橋面，吊桿破壞將導致橋面垮塌，造成嚴重后果。此次大修將吊桿全部更換。原吊桿為鉚接組合工字形截面，新吊桿為焊接工字形截面。

（6）支座

鋼桁梁4個支座均為鋼制輥軸支座。支座臨近水面，在使用百年后出現了較嚴重的銹蝕。對4個支座（包括銷軸、輥軸）均予以更換，參照原結構進行設計，北岸為固定支座，南岸為活動支座。

5.6 橋門架和風撐構造恢復

在歷次大修過程中，橋門架、風撐構件已作過更換，并非原始構件，且外觀變動較大。本次大修方案主桁間距加大，拆除現有上平聯構件，參照原設計圖紙，按最初的風格設計桁架式構件，恢復浙江路橋的歷史面貌，使它以真實面貌流傳于世。新的橋門架和風撐為角鋼、節點板組成的鉚接桁架結構。由于主桁間距加大引起桿件長度增加，橋門架和風撐桿件截面尺寸根據受力和穩定要求確定，大于原結構截面。

5.7 鋼橋面鋪裝

浙江路橋機動車道采用正交異性鋼橋面板，橋面鋪裝采用雙層SMA體系，即防水粘結層（0.5 cm）+高彈性改性瀝青SMA-10（4 cm）+SBR改性乳化瀝青粘層+高彈改性瀝青SMA-13（4.5 cm），總厚度9 cm。

5.8 防腐涂裝

鋼桁梁保留的老構件采用環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆的涂裝方案，新制構件采用電弧噴鋁+環氧封閉漆+環氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆的涂裝方案。

6 結語

浙江路橋歷史超過百年，采用獨特的魚腹式鋼桁梁結構，是具有交通功能的文物。2015年對鋼桁梁進行了大修，既保留、恢復了其文物特征，又更新、改造了原有結構。大修保持橋梁總寬不變，主桁間距加寬，交通功能得到改善。主桁構件大部分保留，對銹蝕嚴重的桿件、節點予以更換。橋面系和上平聯全部得到更新。橋門架、風撐、人行道欄桿均按最初的樣式進行恢復。大修后，浙江路橋能繼續使用50 a。

[1]魏明光，方亞非，宋凱.上海市浙江路橋修繕方案研究[J].上海公路，2015(4):18-22.

[2]同濟大學橋梁工程系，等.浙江路橋檢測評定報告[R].上海：同濟大學橋梁工程系，2013.

晉豫新橋——運寶高速公路黃河大橋加緊施工

運（山西運城）寶（河南靈寶）高速公路黃河大橋目前正加緊施工。運寶高速公路黃河大橋是連接晉豫兩省的重要橋梁，是國家高速公路規劃網呼和浩特至北海的重要組成部分。大橋全長1 690 m，總投資9.65億元。采用6車道標準建設，設計速度80 km/h，是世界在建最大跨度的波形鋼腹板矮塔斜拉橋。工程預計2018年2月完工，目前已完成總投資任務的75%。

U445.6

B

1009-7716（2017）01-0086-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.024

2016-10-11

張春雷（1980-），男，江蘇通州人，碩士，高級工程師，從事橋梁設計工作。