吊桿拱橋新增加勁縱梁結構形式比選及優化設計

蔣超越，李章瑜，陳 浩

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.重慶萬橋交通科技發展有限公司，重慶 400072)

自國內首座鋼管混凝土拱橋旺蒼東河橋1990年建成通車以來，中國已修建各式鋼管混凝土拱橋超過500座。該橋型在國內經過30多年的發展，早期建成的鋼管混凝土吊桿拱橋在設計上的缺陷逐漸顯露，相關設計與技術規范也在不斷修編完善中[1]。

早期中、下承式鋼管混凝土拱橋橋面，簡支在懸吊橫梁上，由于缺乏橫梁間的縱向聯系，使得橋面整體性較差，在風荷載或汽車荷載作用下均有明顯的振動和變形[2-4]。此類橋面體系不僅在動力特性上表現較差，還存在斷索落梁的風險[5-7]。2001年，宜賓小南門金沙江大橋下游側1號吊桿因耐久性問題出現破斷，導致橫梁墜落、橋面垮塌，上游側1號吊桿隨即破斷，橋面上2輛客車墜江，造成了嚴重的安全事故。2011年，庫爾勒孔雀河大橋發生類似事故，拱肋兩側2號吊桿破斷，橫梁墜落、橋面垮塌。2011年，武夷山公館大橋北側拱橋1對短吊桿破斷、橫梁墜落，其余7對吊桿相繼破斷、橋面整體垮塌[8]。

上述斷索落梁事故中的橋梁均為中承式鋼管混凝土拱橋。交通部于2020年12月25日頒布的《公路危舊橋梁改造行動方案的通知》文件中明確指出，無加勁縱梁吊桿拱橋存在結構冗余度不足的缺陷。橋面是保護車輛和行人的最后一道防線，因此，對于早期的中、下承式鋼管混凝土拱橋，在斷索后如何保證橋面體系不垮塌，是亟需解決的橋梁安全問題。

1 新增加勁縱梁方案對比

目前，提高橋面體系結構冗余度的主要加固方式為新增加勁縱梁，以達到斷索時橫梁不落梁的目的[9-13]。近年來，國內關于中、下承式鋼管混凝土拱橋新增縱梁的加固設計隨著工程經驗不斷豐富，設計方案得到不斷優化和完善。現以2座中承式鋼管混凝土拱橋的橋面體系加固工程為例，對不同的新增加勁縱梁方案進行對比分析。

1.1 沈陽某橋新增加勁縱梁實例

沈陽某橋為凈跨徑120 m+140 m+120 m的中承式鋼管混凝土拱橋，吊桿采用199根Φ5.1 mm高強鍍鋅鋼絲，于2011年進行了增設縱梁的橋面體系加固設計。在兩側吊桿橫梁上方，鋼縱梁、加勁耳板和托板通過錨栓連接的方式與橫梁固結為一體，并現澆混凝土連續縱梁；在橫梁中心線上方現澆混凝土縱梁。該橋每跨橫梁間合計新增2處鋼縱梁、5處混凝土縱梁，新增縱梁構造示意如圖1所示。

(a)新增縱梁橫斷面

該橋新增縱梁后，在原設計荷載組合下鋼縱梁各個構件的工作應力均在容許值以內；中跨橋面體系的平面外剛度提高了約16%，邊跨橋面體系的平面外剛度提高了約32%，橋面動力特性得到明顯的改善[14]。

本橋新增加勁縱梁解決了橋面體系結構冗余度不足的問題，達到了預期的加固目標。在斷索工況下，橫梁的支撐力首先由錨栓提供，然后再傳遞至U型兜吊，通過加勁耳板增強兜吊與縱梁之間的連接，實現對斷索橫梁的保護。該新增縱梁設計在沈陽某橋上的應用如圖2所示。

(a)新增縱梁前的橫梁局部

但同時，該設計方案尚存在以下值得研究的問題：橫梁、U型兜吊與鋼縱梁構成的傳力系統較為復雜，橫梁為空心截面，錨栓的植入深度受限，錨栓抗剪和混凝土抗剪撬承載能力弱。作為重要的傳力構件，錨栓的安全冗余度值得商榷。

另一方面，鋼縱梁在橫梁處的彎拉應力大，對加勁耳板的傳力性能要求較高。U型兜吊與鋼縱梁分布在橋面的上下兩側，不便于施工安裝和后期檢修維護，且影響橋梁景觀。

1.2 樂山某橋新增加勁縱梁實例

四川樂山某橋為凈跨徑175 m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋，吊桿采用12Φ15.24 mm高強低松弛預應力鋼絞線，于2016年進行了增設縱梁的橋面體系加固設計。在兩側吊桿橫梁上方新增鋼縱梁，通過U型兜吊、高強螺栓與橫梁固結，橫梁上下表面與鋼結構之間放置滑板支座，新增縱梁構造示意如圖3所示。

(a)新增縱梁縱斷面

在斷索工況下，橫梁支撐力的傳力系統簡單明了，U型兜吊與加勁縱梁采取螺栓連接，避免了在橫梁上植入錨栓對混凝土結構造成損傷。橫梁上下表面設置滑板支座，使得鋼縱梁在受力體系上與橋面主要承重結構分離。

新增鋼縱梁僅在斷索時發揮保護橫梁不掉落的作用，正常使用期間鋼縱梁并不參與橋面體系的受力，所以有利于減小新增鋼縱梁的疲勞效應[15]。該新增縱梁設計在樂山某橋上的應用如圖4所示。

(a)新增縱梁施工現場

但是，由于該新增鋼縱梁未與橫梁直接固結，橋面的動力特性并不會得到明顯改善。加勁縱梁與U型兜吊分別位于橋面的上下兩側，同樣也存在著施工困難、后期檢修維護不便和影響橋梁景觀的問題。

2 優化后的新增加勁縱梁設計

分析了上述2座中承式拱橋的新增加勁縱梁設計方案后，現對橋面體系結構冗余度不足的問題提出以下設計目標:1)改善橋面體系的動力特性；2)斷索時橋面體系不垮塌；3)盡量減少新增縱梁對橋梁原結構造成的損傷；4)安裝和檢修維護的實施便捷；5)減少對橋梁景觀的影響。根據上述加固目標，對已有新增縱梁方案進行優化，現以重慶市合川區合陽嘉陵江大橋為例，介紹優化后的新增縱梁設計方案。

合陽嘉陵江大橋兩側引拱為跨徑58 m的上承式鋼筋混凝土拱橋，主橋跨徑為130 m+200 m+130 m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋，吊桿采用19Φ15.2 mm高強低松弛預應力鋼絞線，破斷力設計值為2 579 kN。2020年，主橋橋面體系進行了增設加勁縱梁設計與施工。在兩側吊桿橫梁之間增設鋼縱梁，通過對拉錨栓與橫梁固結，新增鋼縱梁構造如圖5所示。

(a)新增鋼縱梁橫斷面

新增鋼縱梁的所有構件均設在橋面下方，不會對橋梁景觀造成影響，同時便于施工和后期檢修維護，加勁縱梁在合陽嘉陵江大橋維修改造工程中的應用如圖6所示。

(a)加勁縱梁與橫梁連接局部

此外，新的加勁縱梁設計方案增強了橋面縱向剛度，錨栓的連接形式得以優化，滿足“索斷橋不垮”的設計要求，達到了提高結構安全冗余度的加固目標。

2.1 橋面體系的縱向剛度提升

新增加勁縱梁后的計算模型，鋼縱梁單元與橫梁單元通過共節點固結。為了簡明圖示，僅對合陽嘉陵江大橋主跨的動力特性進行說明。主跨原設計的前2階振型如圖7所示。第1階振型表現為拱肋側向撓曲，振動頻率為0.216 Hz；第2階振型表現為橋面縱橋向振動，振動頻率為0.358 Hz。

(a)原設計主跨第1階振型

由于橫梁間縱橋向沒有連接構件，橋面體系的縱向剛度僅次于拱肋的側向剛度，第2階振型表現為吊桿橫梁沿縱橋向擺動。橫梁縱橋向擺動時支座變形較大，帶動整個橋面體系同步振動，導致橋面的動力特性較差。

通過新增鋼縱梁的方式，加強了吊桿橫梁間的縱向聯系，加固后主跨的前2階頻率如圖8所示。第1階振型和原設計相同，振動頻率提高了約0.06%，即增設加勁縱梁不會對主跨拱肋的側向剛度產生影響。在第2階振型中，拱圈和橋面體系出現側向撓曲，振動頻率提高了約5.9%(現為0.378 Hz)，此時橋面體系的振型為橫橋向彎曲振動，表明橋面的縱向剛度大于橫向剛度，其動力特性得到改善。

(a)加固后主跨第1階振型

2.2 縱橫梁的連接

調研以往的橋面體系加固工程實例，鋼縱梁與橫梁的固結都是采用錨栓連接。一旦吊桿斷裂，錨栓剪力增大，會對混凝土造成剪撬破壞，失去錨固效果，進而造成更嚴重的后果。

以本橋加固工程為例，若鋼縱梁采用錨栓的形式，錨固深度180 mm，則混凝土發生剪撬破壞時的受剪承載力設計值VRd,cp為83.2 kN。斷索時，鋼縱梁的最大剪力為894.0 kN，平均每只錨栓受剪99.3 kN，混凝土抗剪撬承載力安全系數為0.84，鋼縱梁錨固能力嚴重不足。

由于混凝土和錨栓的強度差異，發生剪撬破壞時，錨栓端部沿著剪力反方向撬壞混凝土。本次設計鋼縱梁的連接方式為對拉錨栓，即錨栓孔貫穿橫梁截面，并控制錨栓的預拉力設計值為280 kN。該設計使得錨栓的拉力由兩端鋼縱梁平衡，提高了錨栓的抗拉承載能力。另外，體內通長錨栓不會形成端部受剪，從而避免了混凝土剪撬破壞的發生。在斷索工況下，對拉錨栓受拉剪應力較大，經計算，單只錨栓的安全系數由0.84提高至1.25。

2.3 斷索工況下整體結構計算

本橋加固后的荷載標準為城-B級，人群荷載3.1 kN/m2，管線荷載為4.0 kN/m。加勁縱梁在施工階段中新增到原橋結構，以考慮原拱橋結構的初始內力。經計算，其結果見表1。由表1可知，主跨3號吊桿的內力1 599.3 kN為最大值，3號吊桿的內力通過縱梁分攤到相鄰橫梁上，最終由相鄰吊桿承擔。因此，對于整體結構，主要關注鋼縱梁和相鄰吊桿在斷索工況下的應力狀態。

表1 不同吊桿在斷索前后的內力

3號吊桿斷索時兩側鋼縱梁的應力計算結果如圖9所示。在斷索橫梁處，鋼縱梁上邊緣壓應力為49.86 MPa；下邊緣拉應力為219.78 MPa。在相鄰橫梁處，鋼縱梁上邊緣受126.54 MPa拉應力，下邊緣受3.13 MPa壓應力。鋼縱梁材質均采用Q355C鋼，抗彎、拉設計強度為285 MPa，斷索時鋼縱梁的工作應力均在容許值之內。

(a)截面上邊緣應力

本橋吊桿采用19Φ15.2 mm鋼絞線，破斷力標準值為6 413 kN，斷索后吊桿2的安全系數為2.79，滿足JTG/T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》第5.8.1節吊索在持久狀況下安全系數2.5的設計要求。

綜上分析，在斷索工況下新增鋼縱梁和吊桿承載力均滿足設計規范要求，該方案滿足本橋加固設計目標。

3 結論

1)2座中承式鋼管混凝土拱橋新增加勁縱梁表明，吊桿拱橋在斷索工況下，新增加勁縱梁和橫梁形成框架體系并共同受力，能有效避免橫梁掉落及橋面垮塌。

2)通過取消U型兜吊，橫梁與縱梁采用錨栓連接，并將新增縱梁所有構件布置于橋面以下，對新增加勁縱梁的結構形式進行了優化設計。

3)將連接錨栓設計為對拉錨栓的形式，能提高錨栓的抗拉承載能力，避免混凝土受剪撬破壞，加強了橋面結構體系的整體剛度，優化后的加勁縱梁設計方案成功運用于合陽嘉陵江大橋維修改造工程，對吊桿拱橋新增加勁縱梁有一定指導作用。