負荷鋼桁橋節點連接加固設計方法研究

陳祖賀

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

社會經濟的發展，部分老橋通行能力逐漸不能滿足需求，通過對老橋進行拓寬改造，增加通行能力，已經成為一種經濟、有效的方法。對于鋼桁橋來講，結構加固主要包括桿身加固、節點連接加固兩個方面。由于鋼橋加固尚沒有專門的規范，其加固理論及計算方法不明確，已有研究[1-3]對具體的計算方法多論述不足；在國內幾座鋼桁橋的大修中[4-7]，多為在完全卸載的情況下進行的更換加固，采用了“修舊如舊”的理念，以新鉚釘更換原鉚釘，保證連接件的剛度匹配；鐵路鋼桁橋的加固[8-9]多為負載下的振動加固，針對的是橋梁整體性加固；王元清[10-14]對工民建鋼結構節點進行了較多研究，其中栓、焊混用連接加固研究較為充分，但其使用條件與橋梁運營環境有較大差別；《鋼結構加固設計標準》[15]為工民建鋼結構加固設計規范，內容詳實，但該標準采用對鋼材設計強度進行折減的方式考慮初始應力的影響，無法掌握加固件、原構件的最終受力情況，對節點連接的加固，其給出的加固方案與橋梁結構有較大差別，該標準應用在鋼橋加固上尚應進行論證。目前對負荷鋼桁橋節點連接加固設計計算研究相對較少，工程中容易因設計不規范導致安全事故，本文以松浦大橋大修工程為依托，圍繞節點連接加固設計，以控制既有原構件滿足現行規范要求為原則，在連接構造及計算方法等方面展開研究。

松浦大橋位于上海市松江區，建成于1976 年，是黃浦江上的第一座橋梁。原松浦大橋主橋為兩聯96 m+112 m 雙層公鐵兩用連續鉚接鋼桁橋，上層雙向兩車道公路橋寬12 m，下層為單線鐵路。隨著附近鐵路金山支線的建成，松浦大橋不再承擔鐵路營運職責。鑒于周邊公路交通需求，對其進行改造、加固。總體方案為在維持兩片主桁形式不變的條件下，上層由原雙向2 車道拓寬為雙向6 車道，橋面寬度由12 m拓寬為24.5 m，下層鐵路橋改為人行道及非機動車道，橋面寬13 m，見圖1。改造前后橋梁恒、活載有較大變化，總量增加31.5%，橋梁加固施工需在原位、負荷、不中斷交通的條件下進行。根據橋梁改造方案，對原主桁構件進行驗算，對不滿足現行規范要求的桿件進行加固，需要加固的位置見圖2，總體來講，本橋加固工作量大、在維持交通不中斷的條件下施工，難度較大[1]。

圖1 松浦大橋改造前后橫斷面對比（單位：m）

圖2 加固位置示意圖

1 節點連接加固構造方案

對于鉚接或栓接節點，為保證連接件剛度一致、受力協調，增加同類型的連接件數量為首選；為保證結構安全，負荷節點連接加固時，不宜過多拆除既有連接件，新增連接件沒有理想的連接位置，選擇合適的連接構造是確保加固方案合理、有效的前提。針對松浦大橋節點連接加固，本文給出四種構造方案，見表1。

表1 節點連接加固構造及應力云圖

方案1，拆除原鉚釘B，換成雙剪面新鉚釘、保留原鉚釘A，通過蓋板增加鉚釘數量；方案2，保留所有原鉚釘，通過擴大蓋板延長節點范圍；方案3，結合了方案一與方案二，拆除原鉚釘B 并通過擴大蓋板延長節點范圍；方案4，保留所有原鉚釘，通過擴大桿身加固件端頭及蓋板，延長節點范圍。前三種方案桿身上的新鉚釘同時連接著桿身加固件及原構件，不能控制加固件及原構件的內力分配，原鉚釘與桿身原構件內力存在超過規定值的可能，適用于加固要求不高的位置。方案4，擴大桿身加固件端頭，通過蓋板直接連接桿身加固件與節點板，新鉚釘連接桿身加固件，原鉚釘連接桿身原構件，傳力更明確。

通過有限元模型對上述4 個方案進行計算，僅為說明問題，模型簡化為平面模型，包括一塊節點板、桿身翼緣板、填板、蓋板及鉚釘。鋼板均采用板單元模擬，鉚釘采用直徑26 mm 的梁單元模擬，抗彎剛度放大105 倍，以保證鉚釘基本不產生彎曲變形；固定節點板水平及豎向自由邊，鋼板之間僅通過鉚釘進行連接，忽略鋼板之間的摩擦力；按照加固前、后兩個階段分別在桿端施加500 kN、2000 kN，合計2500 kN。

從表1 鋼板應力云圖可見，方案1 到方案4，節點板應力擴散逐步均勻（圖中黃色區域逐漸減小），節點板受力改善程度逐步提高；從圖3 鉚釘平均剪力計算結果來看，方案2 原鉚釘與新鉚釘剪力差距最大，可見該構造對原鉚釘加固效果最差、傳力極為不暢；方案1、3、4，原鉚釘剪力逐漸減小，新鉚釘剪力逐漸增大，方案1、3 原鉚釘內力均大于方案4，方案1 最大，原因在于拆除部分原鉚釘，導致未拆除鉚釘內力增加，因此連接負荷加固時應盡量減少原鉚釘的拆除量。4 個方案雖然增加了相同數量的新鉚釘，但受力分配卻相差較大，從節點板應力云圖及鉚釘平均剪力來看，方案4 對改善節點板及原鉚釘受力，均具有最優效果。

圖3 連接加固后原鉚釘及新鉚釘剪力

2 節點連接加固計算方案

在進行計算方案介紹前，先對負荷鋼桁橋的受力過程及內力分配情況進行簡要介紹。鋼桁橋負荷情況下進行加固，節點及桿身受力存在兩個狀態：加固前Ⅰ，加固件未安裝，內力全部由原構件承擔，此內力稱為第一批內力SI；加固后Ⅱ，加固件安裝完成，結構增加的內力由加固件、原構件承擔，此內力稱為第二批內力SII=SIIO+SIIn，加固桿身的內力S=SI+SII。原構件承擔的內力包括全部第一批內力SI和第二批內力中分配到原構件的部分內力SIIO，加固件只承擔第二批內力分配的部分內力SIIn，加固件、原構件內力分別為Sn=SIIn、SO=SI+SIIO。

節點連接加固與對應桿身加固一般會同時發生，加固計算應結合所選擇的連接構造，并考慮連接對桿身構件的支撐剛度，避免桿身加固件、原構件內力在桿端發生重分布，導致對安全不利的情況出現。松浦大橋主桁節點連接加固設計時，基于連接加固構造方案4，提出了3 種鉚釘連接加固計算方法，并進行了分析比較。

方案1，按照節點連接內力及鉚釘承載力進行設計。該方法只考慮鉚釘受力，直接增加鉚釘數量來加強節點連接，因負荷加固，原鉚釘承擔了兩個批次的內力，通過控制原鉚釘的內力，確定所需增加鉚釘的數量。詳細計算流程見圖4。

圖4 節點連接加固計算方案1

方案2，按桿身的承載力進行等強設計。松浦大橋前身為公、鐵兩用鋼桁橋，節點連接多數與桿身等強，節點連接與桿身加固仍可以采用等強原則設計，詳細計算如下：

式中：n 為節點連接加固后鉚釘群的鉚釘總量；no為加固節點原鉚釘群鉚釘總量；nn為加固節點新增鉚釘總量，nn= Rn/Rm；Rn為桿身加固件承載力；Rm為單個新鉚釘的承載力。

上述兩種方法僅考慮了鉚釘受力，但均沒有考慮加固后節點連接與桿身構件的傳力問題，若連接對桿身加固件支撐剛度不足，桿身加固件、原構件內力在桿端會發生重分布，加固件內力向原構件轉移。從解決上述問題出發，提出方案3。

方案3，按照桿身加固件實際內力及原鉚釘第二批內力（與新鉚釘內力相等）進行設計。該方案按照原鉚釘僅傳遞桿身原構件內力、新鉚釘僅傳遞桿身加固件內力的思路進行設計，通過桿身加固件內力及原鉚釘第二批內力來確定新鉚釘的數量。為避免新鉚釘的內力傳遞到桿身原構件上，新鉚釘與原鉚釘對桿身加固件、原構件的支撐剛度比應與桿身構件之間的剛度比相等。詳細計算流程見圖5。

圖5 節點連接加固計算方案3

3 算例分析

按照上述三種計算方案，選擇典型加固節點A15（A15E16 側） 進行說明。本橋原主桁鋼材為16Mnq，現場取材試驗分析評定其性能滿足Q345qD的要求，A15E16 桿身為焊接工字形斷面，斷面寬720 mm，翼緣680 mm×24 mm，腹板厚16 mm；加固方案為在翼緣板上栓接680 mm×20 mm 的鋼板，對稱加固，端頭擴大為1160 mm×20 mm 以與節點板連接，鋼材為Q345qD；節點采用鉚釘加固，鉚釘直徑為25 mm，孔徑26 mm，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》按照II 類孔計算單個鉚釘的抗剪承載力為71.7 kN，構造見圖6。各方案計算過程及結果見表2～表4。

表2 節點連接加固計算方案1

圖6 A15 節點連接加固構造示意圖

從表2、表3 及表4 計算結果可見，方案3 所需新鉚釘的數量最多，其次是方案2，最少的是方案1。

表3 節點連接加固計算方案2

表4 節點連接加固計算方案3

對于方案2 與方案3，假設桿身加固件承載力為F，鉚釘承載力為f，桿身加固件內力設計值為aF，新鉚釘內力設計值為bf，a、b 代表各自承載力的發揮水平。那么，方案2 中鉚釘數量為n2=F / f，方案3 中新增鉚釘數量為n3=aF / bf=a / b·n2，方案3 與方案2新鉚釘數量的多少取決于a / b 的值。就松浦大橋大修工程來講值基本在0.6 左右，b 值基本在0.5 左右，所以方案3 的鉚釘數量略大于方案2。方案3，桿身加固件與原構件剛度比（面積比）約為0.63，新鉚釘與原鉚釘的剛度比（數量比）約為0.61，兩者相近，符合設計要求。

4 成橋試驗校正

松浦大橋大修工程A15 節點連接加固采用構造方案4、計算采用方案3，施工完成后進行了主橋成橋試驗，取A15 節點的試驗數據，對設計進行校正。A15 節點的應變片布設考慮了4 條傳力路徑，分別測量記錄節點及桿身加固件、原構件的數據，應變片布設及路徑示意見圖7。

圖7 A15 節點應變片布置方案

為方便歸納總結，在數據處理時將路徑1、4 和路徑2、3 在同一斷面上的數據進行合并，統一用斷面位置進行表示。從斷面1 到斷面2，新板尺寸由680 mm×20 mm 變為1160 mm×20 mm，因內力向兩側擴散，應力從23.9 MPa 減小到13.1 MPa，但斷面2 應力非均勻分布，按應力平均值計算斷面軸力近似為257.4 kN，詳細結果見表5。

表5 成橋試驗結果

從表5 可以得到以下幾條信息：斷面1 新板應力為23.9 MPa，老板應力為24.1 MPa，二者幾乎相等，說明加固后桿身受力協調，可以共同受力；斷面1、斷面2 軸力合計分別為718.4 kN、729.2 kN，兩者幾乎相等，說明傳力路徑2、3 有效；斷面2、斷面3基本在蓋板鉚釘群的中間，軸力分別為151.9 kN 及174.5 kN，相差15%左右，考慮測點位置存在差異，可認為兩者軸力相同，路徑1、4 傳力有效；該軸力與新板斷面1 軸力比值分別為47%、54%，理論上蓋板鉚釘群中間位置應傳遞新板軸力50%，實測值與理論值基本相等，說明該連接構造可以完全傳遞桿身新板的軸力，與設計假定相符；從斷面1 到斷面2，老板軸力從393.3 kN 減小為319.9 kN，主要原因是新板在斷面2 處尺寸增大，加固效果增強，同時也說明新鉚釘對新板的支撐剛度與設計假定相符。

總體來看，該節點加固設計，兼顧了節點連接加固與桿身加固，保證桿身加固件內力順暢的傳遞到了節點區、在桿端沒有向桿身原構件重分布，鉚釘受力符合預期規律，較好的實現了設計意圖。

5 結 論

本文首先對4 種節點連接加固構造方案進行了分析，然后基于構造方案4，對三種節點連接加固計算方法進行了比較，并對計算方案3 進行了重點分析，最后通過成橋試驗數據對方案3 進行了校正，說明了其有效性。通過上述研究，可得出以下幾點結論：

（1）負荷節點連接加固應盡量不拆除既有連接件，否則會引起未拆除連接件內力的增大，導致加固量的增加。

（2）節點連接的加固應綜合考慮連接及桿身受力，并考慮與桿身的連接構造。

（3）節點連接加固計算時，新連接件應對桿身加固件提供足夠的支撐剛度，避免在桿端桿身加固件因支撐剛度不足，內力向原構件轉移。

（4）按照等強原則及考慮支撐剛度的方案3 計算的新增鉚釘數量相差不大，可通過新鉚釘及加固件承載力的發揮水平，按照本文分析方法進行確定。但無論采用哪一種計算方法，都應保證節點連接對桿身各構件具有匹配的支撐剛度。