鋼管混凝土拱橋懸吊橋面系改造方案力學性能分析

汪永蘭，賀志啟

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.東南大學，江蘇 南京 211100)

0 引言

在我國橋梁工程中，帶有懸吊橋面系的中承式拱橋是一種較為常見的橋梁結構形式。圖1為懸吊橋面系中承式拱橋的一般結構形式，在這類橋型結構中，橋面系上的荷載由橋面板傳遞給橫梁，橫梁再傳遞給吊桿，最后傳遞至拱肋。雖然這類結構的受力比較明確，施工方便，但實踐證明其結構安全冗余度較低。

圖1 懸吊橋面系中承式拱橋結構示意圖

在采用懸吊橋面系的中承式與下承式拱橋中，近年來，國內外發生了多起橋梁事故，給工程界敲響了警鐘，《鋼管混凝土拱橋技術規范》(GB 50923-2013)提出：中、下承式拱橋的懸吊橋面系應采用整體性結構，以橫梁受力為主的懸吊橋面系必須設置加勁縱梁，并具有單根吊索失效后不落梁的能力。作為強制性條文對新設計的中、下承式拱橋橋面系結構提出要求。由此，對現存懸吊橋面系中承式拱橋，研究其橋面系改造方案，增加結構安全冗余度，也十分迫切。

1 橋梁概況

研究對象是一座三跨自錨中承式鋼管混凝土拱橋(圖2)，跨徑布置為57.5 m+235 m+57.5 m。

該橋設計荷載為汽車-超20級，掛車-120，橋面寬度為33 m，雙向6車道通行。主拱肋為提籃式雙拱肋。主拱肋與邊跨拱肋的矢跨比分別為1/4及1/8，邊、中跨拱軸系數分別為1.3及1.33。全橋吊桿總計78根，吊桿間距5 m，吊桿索體由163根直徑為5 mm的鍍鋅平行鋼絲組成，外包PE護套，錨具采用OVMDS(K)可調試冷鑄鐓頭錨。系桿為柔性系桿構造，采用16束25φ15.2鋼絞線拉索，放置在保護鋼箱里，縱向貫穿橋梁的主跨和兩個邊跨。橋面系下的支撐橫梁均為變高度鋼箱梁，梁高從中央1.74 m漸變到兩端1.5 m，腹板厚16 mm，每個箱形橫梁由兩根吊桿懸吊。

從傳力路徑上，可以將本橋三跨自錨中承式鋼管混凝土拱結構，劃分成“總體傳力體系”和“懸吊橋面系傳力體系”兩部分(見圖2)。

對于“懸吊橋面系傳力體系”，橋面系的橫梁吊掛在兩側的柔性吊桿上。若吊桿失效，橫梁將會墜落，造成橋面局部坍塌。同類橋梁的事故教訓表明，這一缺乏冗余度的橋面系構造，需要加以改造。

(a)總體傳力體系

(b)懸吊橋面系傳力體系

2 橋面系改造方案

增設加勁縱梁是防止橫梁墜落的一種可靠的構造措施。其基本構造措施為：在橋面系的吊點下方增設縱向鋼桁架或工字鋼，對橋面系形成冗余約束。加勁縱梁的選擇，既要保證在吊桿失效情況下橫梁不致于墜落，也不能明顯增加橋梁自重，盡可能減小對原結構的影響。

現提出兩種構造形式的縱梁方案：桁架梁和工字型鋼梁(見圖3～4)。

圖3 桁架梁構造示意圖(單位：mm)

圖4 工字型鋼梁構造示意圖(單位：mm)

考慮不同的吊桿斷裂情形，最不利考慮兩根吊桿同時斷裂，對加勁縱梁強度和剛度進行計算。計算結果表明，擬定合適的尺寸，兩種方案均能滿足兩根吊桿同時斷裂時橋面系橫梁不致墜落要求，但工字型鋼梁方案比桁架梁每節間用鋼量節省30%以上，結合該橋特點分析可施工性、對交通影響、可維護性等方面，綜合比選后推薦采用工字型鋼梁方案。

3 改造對原橋力學性能的影響分析

3.1 計算模型

采用Midas Civil軟件，建立全橋的空間桿系有限元模型。主拱肋的弦管采用梁單元模擬，腹桿采用桁架單元模擬，其余邊拱肋、立柱、橫梁、橋面板、樁基礎均采用梁單元，吊桿及系桿采用桁架單元模擬。為了充分考慮加固改造對下部結構的影響，樁基側面采用土彈簧約束并隨深度不同采用不同的K值模擬樁土作用。

由于計算主要考察新加構造對原結構的影響，計算時模擬還原了整個施工過程，以便了解原橋各構件成橋狀態的內力。

3.2 對原橋恒載效應的影響

新增加勁縱梁自重沿縱橋向的荷載集度為10 kN/m，相比之下，原結構橋面系(含橋面鋪裝)自重沿縱橋向的荷載集度約為400 kN/m，橋面系自重增加約2.5%，對原結構受力影響較小，經計算，新增縱梁對各主要承重構件恒載內力影響最大在2%左右。

3.3 對原橋活載效應的影響

增設縱梁后，橋梁跨中靜活載撓度約減小13%(見表1)；由于新增縱梁對吊桿受力的均攤作用，汽車荷載產生的吊桿拉力大大減少，減幅約為40%。

增設縱梁從一定程度上提高了橋面系的整體剛度，吊桿活載應力幅明顯減小(邊吊桿和中吊桿活載應力占總應力的比值分別由原來的35%、37%降到22%、23%)，有效降低了吊桿疲勞破壞的風險。

3.4 溫度效應的不利影響

原橋橋面在主跨拱肋與橋面交匯處設有溫度伸縮縫，橋面板與拱肋無結構直接相連，橋面以下的橫梁與拱肋無縱向聯系，所以橋面系的溫度作用不會傳遞到拱肋上。

增設加勁縱梁后，縱梁將橋面系橫梁與主拱肋連接起來，橋面系在溫度作用下的變形會被拱肋限制，因此可能在縱梁及拱肋處產生較大溫度應力。

由此計算了整體結構降溫20 ℃和升溫40 ℃時，縱梁和拱肋內的溫度應力情況。根據計算結果，在溫度場作用下縱梁和拱肋的連接處會傳遞較大的水平力。但是，橋梁的承重結構斷面較大，在升、降溫情況下，原有的橋梁承重體系受力情況變化不大，變化幅度不超過10 MPa；而對于縱梁，由于其截面較小，同樣的水平力導致其產生的應力較大，甚至超過100 MPa，這說明溫度場作用對縱梁本身的應力有較大的影響。這對橋梁的安全及加固可靠性不利，因此加勁縱梁與拱肋連接設計為銷釘鉸接，設置溫度伸縮變形孔，使縱梁的縱向變形在端部不受約束，當溫度升高或者降低時，縱梁端部可在孔道滑移(見圖5)。

圖5 加勁縱梁端部與拱肋銷釘鉸連接示意圖

3.5 動力性能計算

增設縱梁前后橋梁的動力特性對比情況列于表2。由于增設縱梁后橋面系面外剛度增大，各階豎彎振型的頻率均有所增大，一階反對稱豎彎、一階正對稱豎彎振型對應頻率分別增大2.5%、3.5%；二階反對稱豎彎振型對應頻率增大4.5%。增設縱梁對原橋扭轉振型影響甚微。

可見，增設縱梁提高了橋面系的整體性，但總體而言對原橋動力特性影響不大。

4 結語

鋼管混凝土拱橋采用懸吊橋面系傳力體系，一根吊桿斷裂即可能發生橋面坍塌的嚴重事故，安全冗余度不足，針對此問題提出了增設加勁縱梁的體系改造方案。加勁縱梁將所有懸吊橫梁聯系起來，兩端采用銷釘鉸方式與拱肋連接。在縱梁選型計算時考慮滿足2根吊桿同時斷裂的極端情形下橋面系橫梁不致墜落的要求。從自重(用鋼量)、可施工性、對交通影響、可維護性等方面對提出的兩種構造形式的縱梁進行了比較，認為工字型鋼梁方案是優選方案。

增設縱梁提高了橋面系的整體剛度，活載撓度減小約13%，吊桿活載應力幅明顯減小，對吊桿耐久性有利。在縱梁自重增加不大的情況下，原橋各構件受力影響較小，均能滿足承載能力要求。動力特性各階豎彎基頻略有增大，總體影響不大。可見，提出的橋面系改造方案可行。