系杆钢管拱桥桥面维修加固施工过程有限元分析

张 上,李凤芹

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

1 概述

1.1 工程概况

天津开发区彩虹大桥南起开发区东海路,跨北塘河口,北接汉北路。1996年8月6日开工,1998年10月31日竣工。桥梁全长1.2 km,其中主桥长504 m,宽29 m,为简支下承式柔性系杆刚性拱体系,共3孔,计算跨度160 m。公路等级为I级公路,双向四车道,桥面总宽29 m；设计荷载为汽-超20,限载550 kN。大桥建成使用后成为塘沽和汉沽的主要联系通道,并承载了大量的过境和疏港交通。如图1所示。

图1 主桥单孔全貌(单位：m)

通车12年来,彩虹大桥超重车辆日益增多,车辆载重远超过设计标准,车队组成极不规范,对彩虹大桥安全造成了严重危害。2010年6月7日凌晨,主桥汉沽至塘沽方向车行道纵梁发生破坏,一片混凝土纵梁由于超重车辆碾压而断裂,并导致相邻的两片混凝土纵梁均有不同程度损坏。检测单位提供的桥面系结构检测报告结论为：车行道纵梁存在严重的安全隐患。经过对行车道纵梁部分更换为钢筋混凝土纵梁及全部更换为结合梁2个方案进行技术比选,确定了车行道混凝土纵梁全部更换为结合梁的方案。

1.2 原结构介绍

彩虹桥处于软土地区,地基承载能力较差,主桥采用与桥墩基础承载能力相适应的刚性拱、柔性系杆自平衡结构体系,即在两拱脚之间设置强大的系杆以平衡拱的水平推力,这样该拱桥和简支梁桥一样没有水平推力。所以此桥式具有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基及温度力适应能力强的双重特点。原彩虹桥主要结构形式如下。

(1)拱肋：拱肋为哑铃状截面,在拱脚处为圆端形截面。钢管和腹腔内泵送C50 微膨胀混凝土。

(2)横向联结系：每孔系杆拱设8 道由横斜撑组成的K形横向连结系,在拱脚处设置连结两拱脚的箱形截面钢混凝土端横梁。

(3)吊杆：每孔拱桥每片拱肋下设18根吊杆,吊杆间距8.3 m,每根吊杆钢索由91根φ7 mm 镀锌低松弛预应力钢丝组成,安全系数3.5。

(4)系杆：每片拱肋在拱脚处共设8根高强度低松弛预应力钢绞线钢索,每根钢索由37根7φ5 mm钢绞线组成,设计初张力34 145 kN,运营后系杆内力32 698 kN,安全系数2.2。

(5)桥面系：桥面系采取悬浮体系,端部支承在桥墩支墩上,不与端横梁连接。桥面系由预应力混凝土中横梁、钢筋混凝土T形加劲纵梁和T形纵梁组成。中横梁通过吊杆和拱肋连接。每2根中横梁间设22片T 形纵梁和2片T形加劲纵梁。原桥面横断面见图2。

图2 原桥面横断面(单位：cm)

2 施工顺序及计算工况

新桥面采用结合梁方案,具有结构自重轻、整体性能好、安装架设方便等优点,本次将行车道中1～中16混凝土T形纵梁全部更换为钢纵梁,钢纵梁上设18 cm厚钢纤维混凝土桥面板,新桥面横断面见图3。

图3 新桥面横断面(单位：cm)

纵梁更换顺序采用“6+4+6”的方案,即先更换3孔主桥范围上游侧中1～中6处的纵梁及桥面板,再更换下游侧中11～中16处的纵梁及桥面板,最后更换中7～中10处的纵梁及桥面板。未施工部分作为小汽车通道继续通行。

由于工期非常紧张,混凝土桥面板所需要的施工工期较长,为了满足工期要求,在上游侧6片梁顶部的桥面混凝土分为5段3次施工完成后,下游侧6片梁和中间4片梁桥面混凝土拟采用分3段2次施工,施工顺序示意见图4。由于是非对称施工,在拆除一侧纵梁及桥面板时,施工侧桥面恒载减少,而非施工侧则作为小汽车通道仍有活载作用,造成两侧拱肋变形不协调。为控制结构的不协调变形,保证结构安全并为施工监控提供数据参考,对一跨168 m拱进行了整体检算,每个施工阶段考虑恒载、恒载+活载2种工况。

图4 上下游侧施工顺序示意

上游侧检算分以下5个阶段。

阶段1：上游侧跨中第10孔拆除6道混凝土纵梁和其上的桥面板,并安装了4片钢纵梁。

阶段2：上游侧第8孔～第12孔拆除6道混凝土纵梁和其上的桥面板,两侧各剩最后一个吊装节段的钢纵梁未安装,新的混凝土桥面板尚未灌注。

阶段3：上游侧第4孔～第16孔拆除6道混凝土纵梁和其上的桥面板,两侧各剩最后一个吊装节段的钢纵梁未安装,跨中已经灌注33.2 m的混凝土桥面板。

阶段4：上游侧的6道纵梁及其上的桥面板已经全部拆除,两侧各剩最后一个吊装节段的钢纵梁未安装,跨中已灌注99.6 m的混凝土桥面板。

阶段5：上游侧靠拱肋位置的6道纵梁已经全部更换完毕,并且新更换的钢纵梁部位已全部灌注混凝土桥面板,沥青铺装也已施工完毕。

下游侧检算分以下3个阶段。

阶段1：下游跨中7个节间已经拆除了6道混凝土纵梁及桥面板,两侧各剩最后一个吊装节段的钢纵梁未安装,新的混凝土桥面板尚未灌注。

阶段2：下游侧继续向两侧拆除6道混凝土纵梁和其上的桥面板,两侧各剩最后一个吊装节段的钢纵梁未安装,跨中已经灌注54 m的混凝土桥面板。

阶段3：下游侧中11～中16共6道纵梁及其上的桥面板已经全部更换完毕,并且新更换的钢纵梁部位已全部灌注混凝土桥面板,沥青铺装也已施工完毕。

3 上游侧施工过程静力计算

采用Midas程序对主桥施工过程进行计算分析,计算模型如图5所示。

图5 桥梁空间结构离散图

模型中节点总数2 658个,杆单元总数38个,梁单元总数2 590个,板单元总数1 156个。模型建立时,拱肋、纵梁、横梁等均离散为梁单元,其中拱肋钢与混凝土组合截面采用双单元共用节点；现浇结合梁桥面板及横梁顶部的整体化层离散为板单元；系杆和吊杆离散为杆单元。

3.1 活动端拱脚纵向位移变化值

彩虹桥拱脚间采用强大的端横梁连接,端横梁采用组合梁结构,即型钢包裹混凝土。当更换纵梁时,施工侧和非施工侧荷载的不协调会造成活动端拱脚的相对位移,从而使端横梁产生变形。如果相对位移过大,端横梁则可能出现裂缝,端横梁与拱脚的焊接接头也可能发生破坏。综合1998年施工时的控制数据,本次采用20 mm为拱脚相对位移限值,恒载作用下活动端拱脚相对纵向位移见表1。

表1 恒载状态下活动段拱脚相对位移 mm

注：拱脚纵向位移以向拱外侧移动为正,向拱内侧移动为负,下同。

由表1可知,当施工侧桥面自重减小时,两侧拱脚均向内移动,但换梁侧拱脚位移大,造成两拱脚间的相对位移。在第三阶段,更换纵梁较多,而新桥面板仅灌注了跨中4孔,桥面自重变化最大,拱脚相对位移最大值发生在此阶段,达到了9.8 mm。对于阶段4,桥面自重变化也较大,但由于此阶段自重变化部位靠近拱脚,对拱脚位移影响较小。

当非施工侧作用满布两车道汽车荷载(2 kN/m2)及行人荷载(1 kN/m2)时,两拱脚相对位移依然是在第三阶段达到最大,结果见表2。

表2 恒载+活载状态下活动端拱脚相对位移 mm

由表2可知,当非施工侧有满布活载作用时,拱脚位移绝对值减少,但两拱脚相对位移增大,达到17.3 mm,没有超过限值。值得注意的是,由于拱肋的相对变形,端横梁还受到一个扭矩,最大值为867 kN/m,但端横梁截面较大(2.5 m×2.2 m),且为钢-混凝土组合结构,此扭矩对端横梁影响较小。

3.2 吊杆内力变化值

吊杆由固定端拱脚至活动端拱脚依次命名为吊1～吊18。恒载状态下各阶段吊杆内力变化见表3。

由表3可见,当施工侧桥面自重减轻时,两侧的吊杆内力均减小,但施工侧内力减小值远大于非施工侧。桥面荷载减少位置的吊杆内力变化显著,吊杆内力最大变化值为296 kN,占吊杆内力总值的19%,考虑到吊杆有较大的安全储备,施工过程中吊杆内力变化在安全范围内。同拱脚位移一样,吊杆内力最大变化值也发生在第三阶段,则第三阶段在恒载+满布活载工况下,吊杆内力变化值见表4。

表3 恒载状态下吊杆内力变化值 kN

注：内力及应力以受拉为正,受压为负,下同。

表4 阶段3恒载+活载工况下吊杆内力变化值 kN

由表4可知,当非施工侧满布活载时,非施工侧吊杆内力较恒载工况下增大较多,施工侧也有所增大,但不明显,这是因为活载加载在下游侧中11～中16纵梁及非机动车道和人行道,距施工侧拱肋较远。

3.3 拱肋竖向位移变化值

吊杆吊1～吊18对应的拱肋上的点依次命名为A1～A18。恒载状态下拱肋位移变化值见表5。

由表5可知,拱肋竖向位移最大值并没有发生在桥面自重变化最大的第三阶段,而是发生在更换跨中5孔纵梁的第二阶段。这是因为对于桥面自重变化引起的拱肋竖向变形,拱顶位置比其他位置敏感,第二阶段恰好是更换拱顶位置下的5孔纵梁及桥面板。恒载+活载状态下,拱肋位移仍在安全范围内,不再赘述。

表5 恒载状态下拱肋竖向位移 mm

注：拱肋竖向位移以向上为正,向下为负。

3.4 系杆内力及端横梁和拱肋应力变化值

恒载及恒载+活载状态下内力及应力值见表6、表7。

表6 恒载状态下系杆内力及端横梁和拱肋应力变化值

表7 恒载+活载状态下系杆内力及端横梁和拱肋应力变化值

在恒载状态下,系杆内力变化最大值为1 635 kN,约为总内力值的5%,作用活载后,系杆内力变化幅度有所减小。而拱肋应力和端横梁应力变化幅度也均在10%以内,均在安全范围内。

综上,恒载工况下,阶段3桥面系纵梁更换的较多,而桥面混凝土仅灌注4孔,桥面自重变化最大,吊杆内力、系杆内力及拱脚活动支座位移和端横梁应力变化最大值均发生在本阶段,阶段2跨中5孔纵梁大部分更换,桥面混凝土尚未灌注,拱肋应力和位移变化最大值发生在阶段2。恒载+活载工况下,非施工侧满布活载, 所以非施工侧的吊杆内力及系杆内力均有所增大,与换梁前相比,分别增加了11%和2%。由于活载布置距离换梁侧拱肋较远,对换梁侧拱肋应力和变形的影响不大,但换梁侧桥面自重减小的最多,而非施工侧桥面活载增加的最多,2片拱肋的变形不协调性也最大,活动支座最大纵向位移差达到17.3 mm。

4 下游侧施工过程静力计算

由于施工工期非常紧张,将下游侧桥面板混凝土灌注由分5段3次灌注完成,纵向分段长度(34.2+3×33.2+34.2)m,调整为分3段2次灌注完成,纵向分段长度(57.0+54.0+57.0)m。恒载状态结构各项数据见表8。

表8 恒载状态下结构各项数据

由表8可见,桥面板分2次灌注相对于分3次灌注的施工方案,由于桥面恒载减少的较多,上、下游拱肋的竖向相对位移和拱脚活动支座纵向相对位移均有所增加,下游施工侧拱肋吊杆内力也有所减小,但与上游侧施工时变化数据相比,差距不大。

恒载+活载状态下结构各项数据见表9。

表9 恒载+活载状态下结构各项数据

在恒载+活载状态下,结构各项数据变化较大,这主要是由于活载加载位置及加载范围的变化引起的。在施工上游侧桥面时,下游侧中11～中16位置(约6 m宽)作用两车道小汽车荷载,非机动车道(3 m宽)和人行道(1.25 m宽)作用人群荷载；而施工下游侧桥面时,中1～中3位置(约3 m宽)作用一车道小汽车荷载,非机动车道(3 m宽)作用一车道小汽车荷载,人行道(1.25 m宽)作用人群荷载。非施工侧系杆内力和拱脚位移较上游侧施工时变化很大,则是工况不同引起的,这两项数值在上游侧施工时在第4阶段达到最大变化值,这时施工位置靠近拱脚,恒载减少对拱的影响有限,活载作用更加明显。

5 结论

主桥整体结构内力和变形分析结果表明,无论桥面混凝土分3次灌注还是2次灌注,主桥结构受力安全,施工方案可行。但是分2次灌注时桥面板长度较长,混凝土收缩可能对桥面板受力产生不利影响,因而采取了增强养护、增加混凝土钢纤维用量等措施。对于最后施工的中7～中10纵梁,处于桥梁中心位置,桥梁不存在偏载问题,且桥面恒载减小少,不再计算。

由于施工时桥上荷载变化较大,不易确定,所以采用的均是最不利加载方式,即施工侧仅考虑了吊车荷载,其他施工机具及荷载均未考虑,而非施工侧活载则是将汽车荷载和行人荷载同时满布,这种工况在实际中发生的可能性极小,因而桥梁实际变形及应力均应小于计算结果。现在彩虹桥施工已经完成,从检测单位反馈的检测结果看,各项数据均小于计算结果,与假设情况相同,结构受力安全可靠。

[1] 周四思.天津开发区彩虹大桥设计[C]∥中国铁道学会桥梁委员会论文集.1997：176-185.

[2] 陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2007：599-608.

[3] 李 乔.桥梁工程·第二分册[M].成都：西南交通大学出版社,2001：140-175.

[4] 中华人民共和国交通部.JTG D60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[5] 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[6] 吴 冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社,2006.