钢桁梁文物桥改造设计研究

李克然

（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116024）

0 引言

作为古建筑、古遗址的典型代表之一，文物桥梁是宝贵的历史遗产，也是无法再生的历史资源[1]。我国现存的文物桥梁大多数已历经百年的风雨洗礼[2]。由于修筑年代久远，文物桥梁大多出现了结构表面大范围风化剥落、材质劣化严重等问题。同时，由于受当时的技术水平限制，古桥设计标准过低、结构体系不合理，承载能力已无法满足当前日益增长的交通需求[3]。因此，选择恰当的维修加固和改造措施，对文物桥梁的维护管养和现实需求均有重大的意义。以某地文物桥梁工程为例，对该文物桥梁进行跨径改造设计，并通过有限元计算软件模拟了整个改造过程，对桥梁改造过程进行了结构安全性验算，对钢桁梁文保桥梁跨径改造的有效性与可行性进行了研究。

1 项目概况

1.1 项目背景

某地桥梁建成于1930 年，大桥跨江，是城市路网的重要组成部分，也是连通大江两岸的重要通道。由于该桥修建年代早、运营时间长，当前存在着较大的安全隐患，无法继续满足使用要求，因此在该桥下游位置重新建设了一座相同结构类型的新桥，于近年建成通车。新旧桥梁均为公铁两用桥，下层铁路桥，上层公路桥。目前旧桥已经退出服役，车辆均在新桥运行。

新桥的设计与建造均是在旧桥拆除的前提下做出的，但在新桥项目建设过程中，旧桥被列入未定级不可移动文物，省文化厅根据论证会的结论明确提出不同意拆除旧桥的意见，并得到了省政府的支持，因此无法按最初的建设方案拆除旧桥。

旧桥无法拆除导致新桥的多个设计标准无法达标，最主要的问题是一个通航孔存在新老桥墩相互交错的问题，导致桥区内水流紊乱、航宽不够，不符合内河Ⅲ级航道通航标准，无法进行涉航专项验收工作，严重影响工程竣工决算、国家验收等重要工作的开展。因此，必须对旧桥进行改造，使其满足桥位航段的通航标准，使整体项目工作得以继续推进。

1.2 旧桥概况

旧桥上部结构采用钢桁梁结构，桥宽6m，桥梁全长1065.8m，共15 跨，跨径布置为2×65m+(80m+96m+80m)+10×65m。其中，通航孔采用80m+96m+80m 大跨度连续钢桁梁结构，其余孔跨均为简支钢桁梁结构。桁架弦杆中心高度为9m，中心宽度为5m，所有杆件均为角钢、槽钢和钢板组合拼接而成，钢结构之间用铆钉连接。

旧桥上层公路桥桥面采用13cm 厚钢筋混凝土桥面板，上面铺设4cm 沥青混凝土，设计载荷按6t 汽车考虑。旧桥下层为单线铁路桥。桥下通航净高度为9.8m，能满足当时各种内河船只通行。桥墩为钢筋混凝土空心墩，下部截面为尖端形，上部截面为矩形；桥墩基础为钢筋混凝土气压沉箱基础，截面为三孔矩形。

检测单位对旧桥进行检测后认定：旧桥钢梁各主要杆件剩余寿命严重不足、病害性状明显；钢桁梁病害较多，主要杆件剩余寿命较短，桥墩存在如下严重病害：裂缝、钢筋锈蚀、混凝土剥落、墩顶横向振幅超限，通航界限不满足Ⅲ级航道通航标准。

1.3 新桥概况

由于旧桥成为危桥，给江两边的交通联系带来了极大不便，为满足经济发展需求，加强区域交通联系，构建方便快捷的交通网络格局，决定在旧桥下游建设新桥替代旧桥。新桥采用公铁合建形式（双线铁路+六车道公路），钢桁梁结构，跨径布置为2×96m+(96m+2×144m+96m)通航孔跨+6×96m。

2 改造设计

2.1 设计原则

2.1.1 满足通航要求

从航运发展的角度考虑，除旧桥外江段，其他桥梁均达到Ⅲ级航道通航要求，因此对旧桥进行改造的首要原则就是使其满足Ⅲ级航道通航要求，以促进江上运输事业的长远发展，繁荣地区经济。

2.1.2 “安全第一”原则

旧桥为城市的发展和建设发挥了巨大作用，但在长期运营后出现了较多病害，直接影响了桥梁的安全性和耐久性。改造设计在桥跨布置、结构设计和施工方案选择上，需要确保结构的安全性及实施的可行性，充分考虑抗风、抗震、防撞等方面的要求，尽可能采用能够充分保证结构安全的设计及施工方案[4]。

2.1.3 “文物保护”原则

作为20 世纪30 年代的工业产物，旧桥是中国20世纪工业化进程的重要见证，是城市近现代重要的史迹及代表性建筑，历史价值弥足珍贵。改造方案的设计应遵循“文物建筑保护”的基本原则，尽量减少对原结构形式的改变，最大限度地保留原桥风貌，保持改造前后的风格统一。

2.1.4 满足游人观光要求

旧桥承载了该城市近百年的历史，见证了种种社会变迁，市民对旧桥有着深厚的情感。在改造方案中，除了要保留旧桥独特的景观，还要对其进行功能性改善，使其成为可供游人上桥游览、观光及追忆历史的旅游景点，为旅游产业的发展继续做出贡献。

2.2 总体思路

旧桥改造工程的改造范围集中在原桥Z1～Z3联，旨在通过对原有桥梁结构的顶升，以及顶升之后对结构形式和跨径布置的改造，使改造后的旧桥通航孔与新桥通航孔位置协调一致，满足内河Ⅲ级航道的通航标准。同时，对旧桥进行功能性改造，主要功能由原来的交通功能转换成旅游功能和文化功能。

2.3 结构形式和跨径布置

结构形式和跨径布置的改造是该旧桥改造的核心内容，新旧桥梁布置如图1 所示。新桥在跨度为144m 的两个主跨内分别设有1 个通航孔，旧桥的1#、2#和3#桥墩位于新桥的两个通航孔内，造成通航孔内新老桥墩相互交错。

图1 新桥与旧桥相对位置关系立面布置图（单位：cm）

旧桥的原Z1、Z2 联为简支钢桁梁，原Z3 联为连续钢桁梁。改造方案是对原Z1～Z3 联伸缩缝处钢桁梁进行连接，使其变为连续结构，形成新的Z1 联。根据航道走向，对应新桥23#墩的位置新建Ⅱ#桥墩，在旧桥0#桥台侧新建Ⅰ#桥墩，拆除1#、2#和3#桥墩，由此旧桥形成4 跨连续钢桁梁结构的新Z1 联，跨径布置为48.5m+129.5m+128m+80m，改造后旧桥的两个主跨（129.5m+128m）和新桥两个主跨（144m+144m）位置协调对应，在旧桥两个大跨内布设新通航孔，满足内河Ⅲ级航道115m 的净宽要求。

2.4 梁体顶升

旧桥通航净高为8.5m，内河Ⅲ级航道通航净高要求为10m，对原Z1～Z4 联进行顶升，各联桥均顶升1.5m。原Z1 和Z4 联只进行单侧顶升，以便和原线路位置相接，原Z1 和Z4 联顶升后形成2.3%的纵坡。

顶升施工需采用智能液压顶升控制系统，具备多点同步顶升的功能，顶升时需保证各台液压千斤顶位移控制的同步性，同时要保证各千斤顶顶升力的平衡性。

2.5 桥墩改造

旧桥桥墩部分改造内容为“拆3 建2”，即拆除阻碍航道的1#、2#和3#桥墩，新建与新桥通航孔跨位置相对应的Ⅰ#和Ⅱ#桥墩。根据通航净高需要增加的高度，对4#和5#桥墩进行加高处理，加高高度为1.5m。

2.6 玻璃人行道

取消旧桥公铁两用的交通功能，转换成旅游功能和文化功能。在旧桥上层拆除公路桥面后设置玻璃人行观光通道，使游人在上层行走时可以欣赏到旧桥独特的结构景观，人行道净宽3.2m，人群荷载取值为3kN/m2，桥面玻璃板采用匀质钢化夹胶玻璃，承载能力不低于20kN/m2。

2.7 施工步骤

施工准备—拆除旧桥原Z1～Z3 联钢桁梁桥上层公路混凝土桥面板、桥面铺装及上层人行道—解除原Z1～Z5 联各相邻联铁轨之间的连接—对原Z1～Z4联钢桁梁进行顶升—对4#、5#桥墩进行加高改造—对原Z1 联与Z2 联，Z2 联与Z3 联伸缩缝处钢桁梁进行连接，使其变为连续结构，形成新Z1 联—施工新建Ⅰ#、Ⅱ#桥墩的桩基、承台及墩身—建立新建桥墩和钢桁梁的支撑连接—对钢桁梁部分关键受力部位的杆件进行改造补强—拆除1#、2#、3#桥墩，完成体系转换—施工上层玻璃人行道—其余设施施工—改造工程完成。

3 结构验算

3.1 施工全过程结构验算结果

对旧桥原结构和改造施工全过程进行有限元受力分析，计算结果如表1 所示。

表1 旧桥改造全过程计算结果

3.2 结构验算结论

根据施工全过程计算结果，应对结构应力较大的杆件进行补强加固，加固杆件位于新建Ⅰ#、Ⅱ#桥墩处的主梁竖腹杆和Ⅱ#桥墩处的主梁下弦杆。加固改造后的结构在恒载+活载的基本组合下，杆件最大应力为147.77MPa，而原结构的最大组合应力为196.83MPa，因此得出结论：加固改造后的桥梁结构杆件受力小于桥梁原始结构，计算结果结论为改造后的桥梁结构受力安全[5]。

4 结论

经计算，旧桥经过构件加固和跨度改造后，结构受力安全且能够满足游人观光的运营需求，旧桥的跨径改造方案具有可行性和现实意义，同时能够最大限度地保留文物桥梁的原始风貌。

旧桥加固技术可提高桥梁承载力，避免重新修建成本过高的问题，具有较好的经济效益和社会效益。而那些修建于20 世纪20、30 年代，运营已近百年之久的桥梁，除了为人们提供了交通便利，还见证了一个城市的兴衰演变，具有重要的历史意义及人文价值。随着改革开放四十余年的发展，以及我国城市化建设的持续推进，越来越多的旧桥需要加以维护修缮。目前，我国基础设施建设行业不仅在新建工程上属于国际领先，在旧有结构维修加固领域也取得了长足发展。然而在旧桥加固方面，主要针对现代桥梁的加固理论研究有所突破，对近代具有文保性质的桥梁加固和改造的研究还较少。以某地文物桥梁为工程为例，通过对桥梁的加固改造设计及结构验算，证明作为文保桥梁改造维护手段之一的跨径改造方式具有有效性与可行性，以期为其他文保桥梁的维护与改造提供思路。