某悬索桥加固方案的设计与分析

尹华

(广东省建筑设计研究院，广东广州 510010)

某悬索桥加固方案的设计与分析

尹华

(广东省建筑设计研究院，广东广州 510010)

伴随着我国经济的快速发展，国内已建桥梁的维修、加固已成为亟待解决的问题，所以开展相关问题的研究是非常必要的。通过对某主跨240 m悬索桥结构加固方案的研究，提出了具体的解决措施和方法，分析结果可为悬索桥加固改造工程提供参考建议。

悬索桥；吊拉组合体系；加固改造；静力特性

1 工程概述

某大桥为悬索桥体系，桥梁全长477.23 m，桥梁跨径布置为18.5 m+24.1 m+3×20.5 m+240 m+ 4×20.5 m(见图1)。主跨为加劲钢桁架，为234 m× 12 m×2.7 m空间体系。左岸锚碇为重力锚，右岸锚碇为岩锚；引桥为无粘结预应力空心板；主塔采用C40混凝土。主缆采用19×91φ5 mm平行高强镀锌钢丝束，直径240 mm。全桥吊杆共39对，采用61φ7 mm成品高强钢丝索，梁上索距6 m。原桥设计荷载为汽-超20，挂-120，双向两车道；横断面布置为净9+2×1.0 m人行道+2×0.5 m防护带，全宽12.6 m(见图2)；抗震设防标准为6度。

图1 大桥立面布置图(单位：cm)

图2 大桥主梁断面图(单位：cm)

原桥自1998年底建成已运营十多年，自通车后车辆超载严重，对全桥结构造成的病害也越来越严重。这些病害主要表现在大桥主桁钢桁架加劲梁纵向呈S形变形；实测主缆与设计索力不符，并且不对称；吊杆力与理论计算设计值明显离散；在车辆荷载作用下振动明显；检查中发现桁架一些重要构件较多缺失。桥梁结构总体技术状态评定为较差。

2 加固方案的研究与设计

对旧桥危桥的加固方法和技术有很多，但其基本原理却是相同的。归纳起来都是遵循力学的基本原理，从桥梁结构的外界因素和内在状况进行考虑［1］。一般在判断和鉴定原桥现阶段实际受力状况后，根据出现的病害特征选取切实有效的加固方案，并结合加固方案对加固之后的承载能力进行计算和分析。目前桥梁上部结构的加固方法主要包括改变结构受力体系加固法、增大截面与配筋加固法、体外预应力加固法、粘贴加固法、增加辅助构件加固法等［2］。

2.1 原桥受力体系计算分析

采用MIDAS有限元分析软件建立全桥有限元模型，模型中边界条件处理为主缆端部及塔底固结，塔顶处主缆与塔采用刚性连接，加劲梁无纵向与转角约束，横桥向有约束，主缆线形控制见图3。

图3 主缆线形控制参数示意图

通过对原桥静力和动力特性方面的计算分析，存在的问题主要表现在以下几个方面：

(1)主缆的安全系数均小于2.5，不满足规范要求。

(2)主桁个别杆件的应力值接近或超过允许应力值，安全储备较小。

(3)原桥主桁弦杆尤其是跨中的应力幅值已过允许幅值，构件存在疲劳破坏的危险。

(4)主桁刚度偏小，跨中挠度为96.3 cm ＞60 cm，不满足规范的要求。

2.2 悬索桥加固方案设计

加固方案采用吊拉组合体系来改善桥梁受力状态［3］。加固改造的内容主要包括：改善主梁下挠；减轻主缆、吊杆负担，让斜拉索、主缆、吊杆共同受力；维修桥面；提高桥梁承载能力；改善桥梁动力性能等，加固方案立面见图4。具体加固措施如下：

(1)索塔锚固区采用型钢设计两个支承框架，将框架安装在塔顶索鞍两侧；斜拉索锚固在钢板承托上。

图4 加固方案立面布置图(单位：cm)

(2)边跨拉索每侧为4束61φ7 mm平行钢丝索，分别锚固在原主缆锚箱锚室的两侧，左岸借助原来的混凝土横墙做岩锚，右岸则是在原主缆锚室前方两侧浇锚板做岩锚。中跨共16对37φ7 mm平行钢丝斜拉索，索距12 m；并采取可行的构造措施将主跨斜拉索直接锚固于桁架节点位置，以减少斜拉索对主桁的影响。

(3)主梁钢桁架下弦采用2束10×7φ5 mm公称强度1 860低松弛无粘结钢绞线体外预应力束加固。

(4)桥面板底部采用环氧砂浆粘贴钢板加固，并修复桥面板。

3 加固前后桥梁受力结果分析

加固后模型以梁单元模拟主梁和索塔，索单元模拟吊索和主缆及体外预应力钢绞线；边界条件处理为主缆端部及塔底固结，塔顶处主缆与塔采用刚性连接，斜拉索与塔顶刚性连接，以及斜拉索与桁架刚性连接，见图5。

图5 加固方案有限元模型

加固方案以原桥受力状态为基础，并考虑原桥已存在的变形。 模型中以恢复原桥线形以及成桥状态时的预拱度为目标来确定新增斜拉索的理想索力。下面通过对加固前后桥梁的内力、应力、疲劳性及刚度等方面进行比较，阐述加固方案的可行性。

3.1 主缆及吊杆系统

经计算，原桥主缆在恒载作用下已接近其安全系数状态下允许的应力值。将恒载作用下主缆内力与原桥状态下主缆、吊杆内力进行比较，可得出结论：在保持原桥悬吊系统不变的情况下，新增斜拉索在分担恒载方面对主缆系统内力的影响不大，主缆、吊杆内力改善值仅为5%左右。因此，主缆的安全系数提高将是比较困难的。但从桥梁结构承受活载作用方面看，新增斜拉索对于主缆系统内力的改善效果明显，具体见图6～图7。

图6 加固前后主缆内力改善状况示意图

图7 加固前后吊杆内力改善状况示意图

通常斜拉悬吊组合体系存在端吊杆疲劳问题［4］。由于在改造中采用的是先悬索后吊拉组合的成桥顺序，并且斜拉体系与吊杆交叉布置，这种组合使得斜拉区和悬索区大量重合，消除了常规斜拉悬吊组合体系主梁在交接区刚度变化引起的活载下吊杆应力幅值增大的效应，所以吊杆应力均匀，没有很大的应力幅。通过疲劳强度验算均不存在疲劳问题。

3.2 主桁弦杆以及横梁

由原桥受力分析可知主桁杆件的问题主要在于个别杆件应力值接近其允许应力，并且上下弦杆应力幅值已超过规范要求，有发生疲劳破坏的危险。新增斜拉索后，斜拉索的水平分力会对主桁上弦杆产生附加压应力。这将进一步增大杆件的应力值。而且对于跨中杆件，会出现整体受拉抬升的趋势。通过增加体外预应力以及增大主桁构件截面的措施来改善主桁的受力。表1～表2分别给出了主桁及横梁在荷载组合下的最大应力情况。

表1 主桁杆件最大应力表

表2 横梁杆件最大应力表

对于各构件疲劳计算，选取的杆件位置仍为加劲梁在跨中位置与1/4跨位置的弦杆。根据计算，主桁及横梁弦杆加固前后最大应力幅值分别为214.5 MPa、143.6 MPa ，可见在采取加固措施后杆件疲劳性能得到了明显改善，均满足规范要求。由此说明这些加固措施切实可行，达到了改善主桁内力的目的。

3.3 加固后对构件刚度的影响

原桥结构体系主桁刚度偏小，在汽车荷载作用下挠度限值不满足规范要求。通过加固措施提高主桁的刚度是关键所在。加固前后主桁测点挠度值见表3。

表3 汽车荷载组合下挠度表(单位：cm)

加固后，主桁在汽车荷载作用下正负挠度的绝对值之和最大发生在加劲梁1/4跨附近，最大值为39.12 cm＜60 cm，满足荷载规范的要求。并且在恒载作用下主桁控制高程达到设计值，说明其加固措施切实可行。

4 结语

本文结合悬索桥加固改造的研究，将原桥由单一的悬索体系转换为吊拉组合体系。在体系转换前，原桥已经处于成桥运营状态，再增加斜拉索改变原桥体系时，必须充分考虑原悬索桥在此时的初始刚度［5］。通过计算分析出新增斜拉索对原桥内力重分配的影响，得出一些有益的结论，便于对同类工程的设计施工提供借鉴。这种加固方法受力明确，加固措施新颖独特，设计灵活，切实可行，在旧桥尤其是悬索桥加固改造中有广阔的应用空间。

［1］ 蒙云,卢波.桥梁加固与改造［M］.北京∶人民交通出版社,2004.

［2］ 陈开利,王邦楣,林亚超.桥梁工程鉴定与加固手册［M］.北京∶人民交通出版社,2005.

［3］ 王伯惠.斜拉一悬索协作体系桥［J］.辽宁省交通高等专科学校学报,2000(3)∶1-6.

［4］ 王培晓.斜拉悬吊组合体系在桥梁改造工程中的应用与研究［D］.辽宁大连∶大连理工大学,2007.

［5］ 胡隽.大跨度吊拉组合索桥的理论研究［D］.北京∶北方交通大学, 2000.

U448

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1009-7716(2015)08-0055-03

2015-04-10

尹华(1983-)，男，广东广州人，工程师，从事桥梁工程设计工作。