以鋼橫梁受力為主的拱橋橋面系病害分析與加固方案探討

王石磊，高 巖，張 勇

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

目前國內部分中承式或下承式的鋼管混凝土拱橋橋面系采用吊桿懸吊以橫梁受力為主的結構形式，橋面系結構由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成，橋面荷載直接由鋼橫梁與橋面板組成的組合梁承擔。荷載由組合梁傳遞給吊桿，最后傳遞給拱肋。該類型橋面系結構受力明確，施工方便，但整體性較差，抗風險能力弱，本文以廣州一座特大中承式鋼管混凝土系桿拱橋為背景，結合該橋橋面系的目前病害狀況，建立有限元模型對該類型橋面系病害成因進行分析，進而對采用大縱梁體系的加固方案進行了探討。

1 橋面系構造

該橋橋面系鋼橫梁為工字形，焊接制造，縱向間距8 m，懸吊于吊桿的單根標準橫梁長38 m，高度由線路中心線處1.974 m向兩端線形變化至1.729 m，鋼橫梁上翼緣設有三排剪力鍵，以保證鋼橫梁與混凝土縱梁有效連接。鋼縱梁采用熱軋H型鋼，高140 mm，橫向共設置四組，主要用于支承橋梁檢查車和增強橋面的整體性。鋼縱梁與鋼橫梁通過高強螺栓栓接連接。橋面板采用π形鋼筋混凝土縱梁，橫向共由10片梁組成。橋面系布置見圖1。

2 主要病害及成因分析

2.1 病害概況

該橋橋面系目前病害集中在鋼縱梁與鋼橫梁的連接部位，主要狀況如下:①橫梁腹板與其下翼緣焊縫焊趾處存在開裂現象，部分裂紋已裂透腹板，裂紋形態見圖2。②高強螺栓存在松動、脫落、剪斷的現象，鋼縱梁已塌落在橫梁翼緣板之上，狀況見圖3。

該橋橋面系縱橫梁連接部位病害發展迅速，2009年相比2006年檢查的結果發現連接角鋼斷裂比例由17%增至28%，橫梁腹板焊縫開裂比例由18%增至32%。

2.2 成因分析

結合運營單位提供的資料和該橋面系結構的特點，推斷病害原因主要有以下兩個方面:

圖1 橋面系結構布置(單位:mm)

圖2 鋼橫梁腹板與翼緣交接部位裂紋形態

圖3 連接角鋼斷裂、脫落、縱梁塌落狀況

1)超載車輛作用。據運營單位調查發現，目前車流量每天約11萬輛，車輛超載情況也十分嚴重，其中55 t的車每天平均1萬輛，100 t以上的車也較為普遍，車輛最大超載率達500%。超載車作用使橋面系局部受力偏離了設計狀態。

2)鋼縱梁參與了結構整體受力。小縱梁設計時主要用于支承橋梁檢查車，設計時只考慮其加勁作用，而不參與結構的面內受力。管理單位曾委托相關單位對該橋橋面系進行了荷載試驗，結果表明在設計荷載作用下鋼縱梁會對縱梁連接部位產生70 kN的面外往復作用力，在此力的循環作用下導致橫梁腹板同下翼緣連接部位焊縫可能存在疲勞開裂。

為了了解橋面系結構局部受力的特點，明確病害產生的原因，對橋面系建立有限元模型進行受力分析。

2.2.1 計算模型

模型縱向選取5個橫梁節間進行分析，模型縱向長度為40 m(0.5×8.0+4×8.0+0.5×8.0)，并利用橫向對稱性，建立半幅模型。小縱梁同鋼橫梁剛性連接。吊桿采用梁單元，混凝土板采用六面體實體單元，鋼橫梁、小縱梁、大縱梁均采用板單元進行模擬。結構計算模型見圖4。

2.2.2 加載圖示

計算采用移動荷載加載模式，從模型跨中橫梁左側4 m處開始，每1 m加載一次，直至橫梁右側4 m處，共加載9個工況，加載方式見圖5。計算時按照三車道靠中于同一斷面布置有6個輪載，每個輪載采用規范20 t標準車后軸輪重65 kN進行分析，移動荷載輪載橫向布置見圖6。

圖4 橋面系加固前計算模型

2.2.3 結果分析

圖7給出了各工況下中橫梁內側小縱梁腹板所在位置處橫梁腹板各節點相對面外變形示意圖。結果表明在橫梁前、后側由于小縱梁約束作用，橫梁腹板產生局部的往復變形。J W Fisher曾建議用如下公式計算小間隙處面外變形產生的應力σ

式中，M為計算位置彎矩;yc為中性軸至計算位置處距離;E為鋼材彈性模量;tw為腹板厚度;Δ為面外變形差;L為小間隙高度，如圖8所示。通過上式算得縱橫梁連接處局部應力幅可達206 MPa，模型中僅考慮了20 t車輛作用，若考慮超載車輛的影響，應力幅值將會更大，計算結果表明此處焊縫開裂應為高應力幅狀態下的材料疲勞破壞。

綜上所述，鋼縱梁參與了橋面系的整體受力，令鋼橫梁腹板同下翼緣連接部位承受頻繁的往復作用力，同時超載車又強化了這種力的作用，導致了縱橫梁連接部位出現了疲勞開裂。

圖5 移動荷載縱向加載工況

圖6 移動荷載輪載橫向布置(單位:m)

3 加固方案及效果

3.1 方案概述

針對目前該橋面系的病害情況，主要采用增設大縱梁并釋放小縱梁同橫梁連接處軸向約束的方案，另外考慮到該橋超載車較為頻繁，并對鋼橫梁下翼緣加厚處理。增設的兩道大縱梁位于橫梁端部，大縱梁高1.719 m，利用高強螺栓同原有橫梁連接;通過小縱梁及鋼橫梁連接翼緣上開設橢圓螺栓孔方式實現二者之間相對軸向自由活動，僅保留其懸掛檢查小車的功能。加固后橋面系概況見圖9，改造后小縱梁同鋼橫梁連接部位構造見圖10。

圖7 橫梁腹板各節點相對面外變形

圖8 小間隙處面外變形應力計算

圖9 增設大縱梁后橋面系概況

圖10 縱橫梁連接改造后構造(單位:mm)

3.2 效果分析

3.2.1 橫梁受力分析

由于該橋重車較多，考慮活載按6車道不折減計算，同時組合恒載應力及溫差應力，對荷載組合下的鋼橫梁應力進行分析，用以考察加固后橫梁應力是否滿足規范要求。

1)計算模型及荷載。①恒載采用加固前模型計算，并結合橫梁施工方式考慮組合截面的共同受力作用;②活載(6車道公路I級車輛荷載不折減，考慮1.3的沖擊系數)、混凝土橋面板與橋面系鋼梁間溫差(±15℃)由加固后截面(凈截面)承擔并與加固前恒載計算結果組合。

2)計算結果。考察圖11所示橫梁控制截面應力，給出主要荷載組合下各控制截面橫橋向正應力計算結果如表1所示。由表1可知，在考慮各荷載組合下容許應力提高系數后，加固后橫梁各控制截面應力均滿足《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》要求。

3.2.2 大縱梁受力分析

對大縱梁在溫差荷載、活載、單根吊桿及橫向雙根吊桿退出工作三種工況下的受力進行了分析，用以考察大縱梁在正常使用及極端工況情況下的受力性能。

1)計算模型及荷載。①溫差荷載采用半幅橫向對稱模型，考慮混凝土橋面板與鋼梁溫差±15℃;②活載橫向一側偏載采用全幅模型，6車道55 t重車不折減;③加固后恒載索力推算為1 250 kN左右，考慮2倍動力系數，施加2 500 kN吊桿反向集中力于半幅橫向對稱模型。

圖11 橫梁控制截面示意(單位:mm)

表1 主要組合下橫梁各控制截面應力 MPa

2)計算結果。主要荷載工況下鋼縱梁應力計算結果見表2。結果表明鋼縱梁在正常受力條件下，大縱梁的應力水平較低，而在施加吊桿反向力的極端工況下，大縱梁應力也不大于屈服應力。

表2 主要荷載工況下鋼縱梁應力狀況 MPa

4 結語

該橋橋面系小鋼縱梁參與了結構的整體受力，令鋼橫梁腹板同下翼緣連接部位在車輛過往時存在前后往復變形，而超載車又加重了這種變形作用，導致了縱橫梁連接部位焊縫處存在較高的應力幅，出現了材料的疲勞破壞。采用上述加固方案后，橫梁腹板可自由變形，釋放了小鋼縱梁同橫梁連接部位力的作用，同時由于增設了大縱梁提高了橋面系的整體性，另外避免了一根吊桿退出工作所懸吊橋面板整體墜落的事情發生，提高了大橋正常運營的安全系數。鑒于國內目前較多類似橋梁采用此種以橫梁為主的懸吊橋面系結構，本文的分析及相應的加固措施對類似橋梁的維修養護具有一定的指導意義。

［1］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國交通部.JTJ 025—86 公路橋涵鋼結構及木結構設計規范［S］.北京:人民交通出版社，1986.

［3］中華人民共和國交通部.CECS 77:96 鋼結構加固技術規范［S］.北京:人民交通出版社，1996.