张春雷
(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市 2 00092)
浙江路桥鱼腹式铆接钢桁梁大修设计
张春雷
(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市 2 00092)
上海市浙江路桥跨越苏州河,为鱼腹式简支钢桁梁结构。在使用超过100 a后,整体移运至岸边进行大修。结合交通需求和结构承载能力,加宽主桁间距,增强交通功能。主桁杆件大部分保留,对锈蚀严重的构件予以更换。对桥面系结构进行更新,并改进防水细节构造,增强耐久性。桥门架、上平联恢复为原有的桁架式结构,人行道栏杆也按原样恢复。大修后,浙江路桥能继续使用50 a。
钢桁梁;鱼腹式桁架;铆接;桥梁大修;文物
上海市浙江路桥建成于1908年,由英国人设计,属于上海市市级不可移动文物(见图1)。浙江路桥一跨跨越苏州河,主梁为鱼腹式简支钢桁梁,下部结构为木桩基础上设置重力式桥台。钢桁梁为铆接结构,跨径59.75 m,总宽14.352 m。主桁间净距6.8 m,设一个单向机动车道。主桁外为2.16 m宽非机动车道和1.08 m宽人行道。桥面系为钢结构纵横梁体系,上设混凝土桥面板和沥青混凝土铺装。
图1 浙江路桥全貌
浙江路桥在一百多年运营过程中,进行了多次改造加固,机动车桥面、人行道、风撑等构件经历过更新或更换[1]。2015年,根据桥梁病害检测和评估情况[2],浙江路桥再次进行大修。根据桥梁病害情况,综合考虑周边道路交通、苏州河通航、桥梁文物价值和功能价值、铆接施工工艺等情况,确定了大修总体方案,即:钢桁梁整体移运至岸边,搭设厂房进行维修;两岸桥台、基础保持原状,但要求上部结构大修后荷载不增加[1]。
浙江路桥大修工程的目标为:通过结构拓宽和道路线形调整,适当提高桥上车辆、行人通行和桥下通航能力;修旧如旧,恢复桥梁历史风貌;通过大修工程,更换损坏严重的构件,修复较小的缺陷,保证结构安全;增强结构防腐体系,保证结构耐久性;通过桥面附属、灯光改造,增强景观效果并与周边环境协调;确保大修后浙江路桥能继续安全运营50 a。根据大修目标,钢桁梁需进行一定的改造,并根据检测和疲劳剩余寿命评估对杆件、节点进行加固或更换。
钢桁梁大修相关技术标准如下:
(1)道路等级:城市支路;
(2)桥面宽度:2.476 5 m(人行道,含栏杆)+ 0.533 m(主桁区域)+8.5 m(机动车、非机动车道)+ 0.533 m(主桁区域)+2.476 5 m(人行道,含栏杆)= 14.519 m;
(3)汽车荷载等级:城-B级;
(4)设计速度:30 km/h。
浙江路桥已建成超百年,鱼腹式钢桁梁的主桁、桥面纵横梁、人行道托架等构件仍是百年前的原始构件,不可避免地存在病害,主要是锈蚀。为描述方便,对钢桁梁杆件节点进行编号,如图2所示。
图2 杆件节点编号图
锈蚀以桥面以下最为严重(见图3),主要原因是桥面不具有桥面混凝土路缘石侧面,与主弦杆之间存在很小的缝隙,对桥面以下的钢结构起不到防水作用,经常处于潮湿状态且容易积聚腐蚀性垃圾。L5、L6、L7主桁节点位于桥面以下,主桁节点板和下弦杆锈损严重。其余竖吊杆与钢桁梁的连接节点也有锈蚀。L0、L12桥门架竖杆下端及支座,由于伸缩缝防水较差,桥台易于保留垃圾和湿气,锈蚀情况严重。钢桁梁杆件为铆接组合截面,缝隙较多且不宜维护,缝隙部位锈蚀及铆钉头锈蚀较为普遍。由于构造容易积水,第二节间的U1M2、U2M1、U10M11、U11M10斜杆与主桁的连接部位及交叉节点部位锈蚀严重,用于连接的角钢肢几乎完全锈烂。
图3 桥面以下节点板、杆件和铆钉锈蚀严重
钢结构疲劳是指在循环应力作用下材料产生局部组织永久变化,并在经历一定循环次数之后形成裂纹,继而扩展,最终剩余受力材料发生断裂的过程。钢桁梁结构受拉构件的铆钉和螺栓孔边易于萌生疲劳裂纹,并逐步扩展导致整个构件突然失效断裂。此类病害一旦出现,将严重危害到浙江路桥的安全运营,因此,有必要对该桥的疲劳敏感构件进行疲劳寿命分析与评估。
应用断裂力学理论对浙江路桥的剩余寿命和安全性进行了评估,并确定了疲劳敏感构件的检测时间间隔。预测剩余寿命及安全性的过程可分为以下几步:(1)确定疲劳敏感构件(杆件或节点板);(2)计算疲劳敏感构件的临界裂纹长度;(3)模拟疲劳荷载加载过程;(4)分析疲劳敏感构件在反复加载下,其中的孔边裂纹随使用年限增长而扩展的长度,计算从初始裂纹长度a0至临界裂纹长度的扩展时间,并比较裂纹扩展时间是否超过正常可接受的检测间隔。
鱼腹式钢桁梁的吊杆、下弦杆在恒活载作用下,截面应力均为拉应力,且一旦破坏将导致整个鱼腹梁变为机构而丧失承载力,因此作为疲劳敏感构件进行分析。根据评估结果(评估时间为2012年),疲劳敏感构件中剩余寿命最低的是竖吊杆M3L3,剩余寿命52 a;竖吊杆M2L2剩余寿命85 a;主桁下弦杆剩余寿命大于100 a。建议对疲劳敏感构件裂纹检测时间间隔取为6 a。
鱼腹式钢桁梁大修结构设计根据大修总体目标和原则、大修技术标准、钢桁梁病害情况以及剩余寿命评估结论进行。
5.1 连接构造
浙江路桥建成时是一座铆接钢桥,全桥绝大多数杆件为铆接型钢组合构件,所有节点均为铆接节点。原结构钢材生产于一百年前,当时的钢材硫、磷含量普普遍偏高,不适合焊接,因此大修中老钢材与老钢材之间、老钢材与新钢材之间的连接均采用铆接。对于新增的构件,桥面以上因“修旧如旧”的需要采用铆接,桥面以下考虑耐久性尽量采用焊接连接。
5.2 主桁间距调整
为了增强桥面机动车及行人通行能力及行车安全性,主桁净距从6.8 m拓宽为8.5 m,主桁间设单车道及两侧非机动车道。主桁外侧在原始托架宽度范围内设人行道,取消历史上改造过程中增加的1.08 m宽度。大修后总桥宽比大修前增加了0.167 m。图4为调整后横断面。
5.3 机动车桥面系
图4 调整后横断面(单位:mm)
原桥面系为纵横梁体系上现浇混凝土桥面板再设沥青铺装。从检测情况看,桥面系构造不合理是造成桥面下钢结构锈蚀严重的主要原因。因此改变桥面系的结构形式,采用正交异性钢桥面系。桥面系横梁高度与原横梁高度一致。横梁与主桁的连接构造也与原结构保持一致,采用双角钢铆钉连接。改用正交异性钢桥面系还可以减轻上部结构荷载,桥面结构高度减小约0.1 m,有利于通航。
钢桥面结构布置见图5。横梁位置与下弦节点(竖杆)对应,间距为4.978 m,横梁高度为 0.53 m。由于横梁间距超过了桥面板闭口加劲合适的跨度(通常不大于4 m),所以设置了 3道小纵梁,并在每个节间的中间位置设置一道横向分配梁,以改善桥面刚度和承载能力。小纵梁、分配横梁底板与横梁底板平齐。桥面板厚16 mm。U形加劲肋厚8 mm,高280 mm,上口宽300 mm,间距 600 mm。在靠近主桁处U肋内部设置填板,增加其抗剪强度。横梁与主桁下弦节点的连接采用与原结构相同的方法,用两片角钢夹住横梁腹板,采用铆钉连接。桥面系钢材采用Q345D。
5.4托架和人行道
图5 钢桥面平面和横断面(单位:mm)
原人行道托架存在变形、锈蚀等病害,此次大修予以更换,采用与原托架具有相同外形尺寸的焊接变截面工字形构件,托架根部高0.457 m。托架与竖吊杆连接处,托架上、下翼缘采用焊接,腹板采用铆钉连接。托架上设三道工字形小纵梁,小纵梁上铺设厚10 cm的木质人行道板。人行道栏杆在历次大修中已被更换,此次按最初的斜缀条网格形式恢复,并设布置扶手。
人行道与机动车道之间的主桁区域设置防水盖板,盖板与木人行道板顶面平齐,在主桁节点或竖吊杆处按实际形状切割,保持盖板与主桁构件或竖吊杆之间的缝隙小于5 mm,并用密封胶填充。
5.5 锈蚀构件更换
为了保留文物信息,浙江路桥主桁钢结构大部分杆件考虑保留。部分构件锈蚀严重,为保证桥梁结构安全,则予以更换。更换的构件采用Q235C钢材。
(1)部分下弦节点下弦杆
M4至M8之间的5个下弦节点和4个节间下弦杆由于锈蚀严重,予以更换。新构件和老构件的构造尺寸一致,节点板厚16 mm,下弦杆腹板厚32 mm。
(2)第二节间的格构式斜杆(U1M2、U2M1、U10M11、U11M10)
第二节间的格构式斜杆构造较为复杂,由角钢、钢板和缀条铆接组合而成。检测发现斜杆节点处杆件截面严重削弱,故予以更换。新构件断面中,用焊接槽形截面代替角钢与钢板组合截面,仍采用缀条连接,在保持外观不变的同时,减少了构件缝隙以减缓锈蚀。
(3)中间三个竖杆的下半部分(U5M5、U6L6、U7M7)
中间三个竖杆底部位于下弦节点板中,截面锈损严重,而上半部分锈蚀较少。对竖杆的下半部分予以更换,更换长度约为2.2 m。竖杆原截面为角钢和钢板铆接形成的工字形截面,更换的新构件采用焊接工字形截面,新老构件之间采用节点板和铆钉进行连接。
(4)端门柱(U0L0、U12L12)下半部分
端门柱下半部分由于与桥面交界部位的渗水等原因,锈蚀严重。端门柱底部截去1.855 m长,更换成新构件。新构件外形尺寸及构造形式与老构件一致,板厚作了增强,腹板厚度由32 mm增加为50 mm。新老构件的连接位置位于桥面以上,采用节点板和铆钉连接。
(5)主桁与桥面之间的竖吊杆
根据检测,吊杆桥面以下部位锈蚀较严重,部分吊杆已进行过加固。在鱼腹式钢桁梁中,桥面依靠吊杆与主桁相连。吊杆将桥面荷载传递至主桁,以受拉为主,同时伴有次弯矩,在全桥中属疲劳敏感构件。根据疲劳寿命预测,吊杆与其他主桁杆件相比疲劳寿命较低。对于横梁体系桥面,吊杆破坏将导致桥面垮塌,造成严重后果。此次大修将吊杆全部更换。原吊杆为铆接组合工字形截面,新吊杆为焊接工字形截面。
(6)支座
钢桁梁4个支座均为钢制辊轴支座。支座临近水面,在使用百年后出现了较严重的锈蚀。对4个支座(包括销轴、辊轴)均予以更换,参照原结构进行设计,北岸为固定支座,南岸为活动支座。
5.6 桥门架和风撑构造恢复
在历次大修过程中,桥门架、风撑构件已作过更换,并非原始构件,且外观变动较大。本次大修方案主桁间距加大,拆除现有上平联构件,参照原设计图纸,按最初的风格设计桁架式构件,恢复浙江路桥的历史面貌,使它以真实面貌流传于世。新的桥门架和风撑为角钢、节点板组成的铆接桁架结构。由于主桁间距加大引起杆件长度增加,桥门架和风撑杆件截面尺寸根据受力和稳定要求确定,大于原结构截面。
5.7 钢桥面铺装
浙江路桥机动车道采用正交异性钢桥面板,桥面铺装采用双层SMA体系,即防水粘结层(0.5 cm)+高弹性改性沥青SMA-10(4 cm)+SBR改性乳化沥青粘层+高弹改性沥青SMA-13(4.5 cm),总厚度9 cm。
5.8 防腐涂装
钢桁梁保留的老构件采用环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆的涂装方案,新制构件采用电弧喷铝+环氧封闭漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆的涂装方案。
浙江路桥历史超过百年,采用独特的鱼腹式钢桁梁结构,是具有交通功能的文物。2015年对钢桁梁进行了大修,既保留、恢复了其文物特征,又更新、改造了原有结构。大修保持桥梁总宽不变,主桁间距加宽,交通功能得到改善。主桁构件大部分保留,对锈蚀严重的杆件、节点予以更换。桥面系和上平联全部得到更新。桥门架、风撑、人行道栏杆均按最初的样式进行恢复。大修后,浙江路桥能继续使用50 a。
[1]魏明光,方亚非,宋凯.上海市浙江路桥修缮方案研究[J].上海公路,2015(4):18-22.
[2]同济大学桥梁工程系,等.浙江路桥检测评定报告[R].上海:同济大学桥梁工程系,2013.
晋豫新桥——运宝高速公路黄河大桥加紧施工
运(山西运城)宝(河南灵宝)高速公路黄河大桥目前正加紧施工。运宝高速公路黄河大桥是连接晋豫两省的重要桥梁,是国家高速公路规划网呼和浩特至北海的重要组成部分。大桥全长1 690 m,总投资9.65亿元。采用6车道标准建设,设计速度80 km/h,是世界在建最大跨度的波形钢腹板矮塔斜拉桥。工程预计2018年2月完工,目前已完成总投资任务的75%。
U445.6
B
1009-7716(2017)01-0086-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.024
2016-10-11
张春雷(1980-),男,江苏通州人,硕士,高级工程师,从事桥梁设计工作。