钢管混凝土拱桥动态悬吊式主梁结构改造技术

'学兔兔www.xuetutu.com桥梁建设!!"#$年第%$卷第!期!总第!&"期"()*+,-./012)342*/0#5/67%$#8/7!#!"#$!9/2:66;8/7!&""#"&文章编号!#""&<%"!!!!"#$""!<"#"&<"$钢管混凝土拱桥动态悬吊式主梁结构改造技术张!武#!!!吴运宏#!!!#7中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司"湖北武汉%&"""%$!7桥梁结构健康与安全国家重点实验室"湖北武汉%&""&%#摘!要!沈阳浑河长青大桥主桥为"#!">#%!>#!"#A的中承式钢管混凝土拱桥!桥面系由横梁与桥面板组成!其主梁体系采用动态悬吊式结构!由于缺乏纵向联系!桥梁整体性及动力特性较差!存在较大的安全隐患$为提高该桥的整体安全性!在混凝土横梁间增设!道钢纵梁和=道混凝土纵梁!分别采用抱箍和植筋方式与横梁连接!使一个拱圈内的动态悬吊式主梁体系变为空间纵横梁框架连续体系!并采用GT^C_软件建立改造后的全桥有限元模型!分析=种工况下吊杆)拱肋)钢纵梁的应力及结构整体动力特性$结果表明,加固后桥梁的安全储备显著提高!各构件受力均满足要求!动力特性及自振频率得到极大改善!竖向位移明显减小$关键词!钢管混凝土拱桥%动态悬吊式结构%主梁结构%纵梁%有限元法%桥梁加固中图分类号!B%%@7!!$B%%=7"!文献标志码!C;+,5?)J)%5%)"#*+(,#)-"+$."&WA#5O)(5JJA0"$N+#3+345)#2)&3+&0%&"(%"&+".5!C0*>&(,6&)31+##!#51?#"$/7"(##!894+,5#!#7M3D:0()*+,-_K-4*:69-4D0/6/,;./7#L2+7#.D*0:E:*6F:;G:H/)()*+,-I0,*0--)*0,J)/3K#M3D:0%&"""%#.D*0:$!7_2:2-d-;L:N/):2/);O/)b-:62D:0+_:O-2;/O()*+,-_2)3423)-1#M3D:0%&""&%#.D*0:">?$%&5(%%9D-A:*0N)*+,-/O2D-.D:0,X*0,()*+,-/R-)b30D-E*R-)*0_D-0;:0,*1:D:6OS2D)/3,D4/04)-2-SO*66-+12--623N-!.W_9":)4DN)*+,-F*2D1K:0:)):0,-A-02!#!">#%!>#!""A79D-O6//)1;12-A/O2D-N)*+,-*1/)*,*0:66;4/AK/1-+/O2D-4/04)-2-4)/11N-:A1:0++-4U16:N1:0+2D-12)3423):61;12-A/O2D-A:*0,*)+-)*12D-+;0:A*4:66;131K-0+-+12)3423)-7W/)6:4U/O2D-6/0,*23+*0:6N):4*0,1;12-A1#2D-*02-,)*2;:0++;0:A*4K)/K-)2*-1/O2D-N)*+,-:)-K//):0+2D-N)*+,-D:1D:+):2D-)1-R-)-D*++-01:O-2;+:0,-)79/*AK)/R-2D-*02-,):61:O-2;/O2D-N)*+,-#2D-N)*+,-F:1)-D:N*6*2:2-+:0+N-2F--02D-4/04)-2-4)/11N-:A1#-:4D!12--6:0+=4/0S4)-2-12)*0,-)1F-)-:++-+#2D-:++-+12)*0,-)1:0+2D-4)/11N-:A1F-)-4/00-42-+)-1K-42*R-6;N;2D-,*)+6-1:0+N;F:;/O*AK6:02*0,2D-)-*0O/)4-A-02:0+2D-+;0:A*4:66;131K-0+-+A:*0,*)+-)1;12-A*0::)4D)*0,F:12D314D:0,-+*02/:4/02*03/311;12-A/O2D-1K:2*:64)/11N-:A:0+12)*0,-)O):A-79D-1/O2F:)-GT^C_.*R*6F:131-+2/1-23K2D-O*0*2--6-A-02A/+-6O/)2D-FD/6-N)*+,-/O2D-)-D:N*6*2:2-+N)*+,-:0+2D-12)-11/O2D-131K-0+-)1#:)4D)*N1:0+12--612)*0,S-)1:0+2D-12)3423):6*02-,)*2;:0++;0:A*4K)/K-)2*-130+-)=6/:+4:1-1F-)-:0:6;Q-+79D-)-S13621/O2D-:0:6;1*11D/F2D:22D-1:O-2;A:),*0/O2D-)-D:N*6*2:2-+N)*+,-*11*,0*O*4:026;*ASK)/R-+:0+2D-O/)4-4/0+*2*/01/O2D-R:)*/314/AK/0-0214:0A--22D-)-X3*)-A-02179D-+;0:A*4K)/K-)2*-1:0+0:23):6R*N):2*/0O)-X3-04*-1:)-,)-:26;*AK)/R-+:0+2D-R-)2*4:6+*1K6:4-A-02*11*,0*O*4:026;)-+34-+7@+A8"&3$%4/04)-2-SO*66-+12--623N-:)4DN)*+,-$+;0:A*4:66;131K-0+-+12)3423)-$A:*0,*)+S-)12)3423)-$12)*0,-)$O*0*2--6-A-02A-2D/+$N)*+,-12)-0,2D-0*0,收稿日期!!"#=<#"安全隐患较大)为提高该桥的整体安全性#对其动#%!>#!""A中承式钢管混凝土拱桥#如图#所示)态悬吊式主梁体系进行改造)该桥净矢高&%7="!A#矢跨比为#&%7"Y&#拱轴线为悬链线#拱轴由!条分离式平行拱肋组成#两肋间设F!动态悬吊式主梁体系改造技术置"处横向联系!以提高桥梁的稳定性")拱肋钢材为提高沈阳浑河长青大桥桥面系的整体刚度及为#$G0钢#拱肋钢管内灌注.="混凝土)该桥桥抗风险能力#减小车辆通行过程中桥梁的动力响应#面系由横梁与桥面板两部分组成)吊杆采用#=7#改善桥面系的行车舒适度#综合考虑该桥各项检测的镀锌高强钢丝#每根吊杆设#YY根钢丝#钢丝外加指标后#改造方案最终确定为在原预应力混凝土横*!+黑色高密度`I护套)吊杆采用镦头锚#上端通过梁间增设"道纵梁#其中#!道为钢纵梁!钢纵梁横隔板支承于下弦管#下端锚固于横梁底#使桥面成采用抱箍形式与混凝土横梁连接"#=道为混凝土纵为整体飘浮体系)中跨吊杆!#对#边跨吊杆#Y对#梁!取消对应位置横梁上的简支板#通过植筋与横梁全桥共=Y对吊杆)该桥于#YY=年$月开工##YY"连接"#通过设置"道纵梁使一个拱圈内的动态悬吊年"月建成通车)式主梁体系变为空间纵横梁框架体系#具体布置如沈阳浑河长青大桥主梁体系为动态悬吊式结图!所示)构#该体系具有构造简单,受力明确,施工便捷等特单根纵梁在一个拱圈内通长#通过抱箍或植筋点#但由于缺乏纵向联系#桥梁整体刚度不足#行车与横梁有效连接)纵梁的增设使原来一个拱圈内的*#+舒适度较差#加之多年超负荷运营#经检测发现该动态悬吊式主梁体系变为空间纵横梁框架连续体桥具有以下问题%#桥梁阻尼比偏小#结构的自振系#使桥面系具备了整体纵向刚度#避免吊杆断裂导频率偏低#结构耗散外部能量输入能力差$$车辆致桥面系垮塌)另外#在改变主梁体系前#先对吊杆通过桥梁时#主跨结构的竖向位移响应较大#结构的进行详细的诊断#对存在安全隐患的吊杆先进行更*&+安全储备不足$%监测数据显示近年来桥梁的主跨换#然后对主梁进行体系改造)位移响应幅度有增大的趋势#车桥耦合振动产生的F7B!新增钢纵梁振动波和噪声问题明显)该桥桥面系大面积破坏#新增钢纵梁布设于原非机动车护栏处#将原外图B!沈阳浑河长青大桥主桥立面布置C)1DB/J+<5%)"#".45)#6&)31+".!,5#1-)#16&)31+"<+&M"#,+;)<+&)#0,+#A5#1图F!悬吊式主梁增设纵梁布置C)1DF>&&5#1+O+#%".>33+30%&)#1+&$%"WA#5O)(5JJA0"$N+#3+345)#2)&3+& 学兔兔www.xuetutu.com钢管混凝土拱桥动态悬吊式主梁结构改造技术!!张!武#吴运宏#"=侧#道混凝土防撞护栏置换成钢纵梁#其横桥向位置紧靠吊杆外侧)钢纵梁通过耳板和横梁底板托板*%+抱箍与横梁连接#钢纵梁内设置纵,横加劲肋)新增钢纵梁构造如图&所示)单根钢纵梁在桥梁单跨内通长#在原伸缩缝处断开#全桥共分为=段)当单根吊杆临时解除或断裂时#该处的钢纵梁可承担桥面恒载和动载#并分配荷载至该吊杆两侧的吊杆上#钢纵梁可作为后期更换吊杆的分配梁使用)图G!新增钢纵梁构造C)1DG0%&"(%"&+".>33+30%++J0%&)#1+&为适应沈阳冬季低温的气候条件#钢纵梁材质选用c&%=I#钢纵梁高#7!&A,宽"7%A#采用部分工厂预制,部分现场拼装的方式施工#钢纵梁现场安装如图%所示)钢纵梁分为预制段和现场拼装段两部分)钢纵梁预制段根据设计图纸在工厂加工制造#整体运至现场)在钢纵梁预制段安装前#需测量所有横梁索图K!钢纵梁现场安装导管顶部标高#根据测得的单侧同跨所有标高值拟C)1DKH#$%5JJ5%)"#".0%++J0%&)#1+&$)#C)+J3*=+合推算出一个合理的线形#将横梁顶部统一凿毛至此线形标高)在钢纵梁预制段定位后#通过测量相邻钢纵梁端头间的净距和相对位置确定钢纵梁现拼段下料尺寸)具体安装时#先安装不需更换吊杆处的钢纵梁#再安装需要更换吊杆处的钢纵梁)钢纵梁拼装过程中#根据各跨横梁的实际偏差调整每节段钢纵梁的三维空间安装位置#保证钢纵梁沿顺桥向线形平图Q!新增混凝土纵梁构造*$+顺)在单跨内钢纵梁全部定位后#统一进行焊接#C)1DQ0%&"(%"&+".>33+3!"#(&+%+0%&)#1+&在早晨低温时段进行合龙施工)F7F!新增混凝土纵梁混凝土纵梁横桥向共分为=道%每道钢纵梁两G!体系改造后的计算分析侧各!道#宽度分别为"7$A和"7YA$桥轴线设置G7B!有限元模型在原预应力混凝土横梁间增设纵梁将主梁由原#道#宽!A)混凝土纵梁均采用吊模施工#混凝土纵梁在横梁两侧设置牛腿#钢纵梁与混凝土纵梁接来的动态悬吊体系改造为空间纵横梁框架体系#为触处设置剪力钉连接#采用B形钢筋连接混凝土预了分析钢管混凝土拱桥动态悬吊式主梁结构的改造制桥面板*"+#以保证钢纵梁,混凝土纵梁和原预制桥效果#采用GT^C_软件建立改造后的全桥结构计面板的整体性和横向刚度)新增混凝土纵梁构造如算模型#如图$所示#分析荷载作用下吊杆,拱肋,钢图=所示)纵梁等构件的安全储备以及结构整体动力特性) 学兔兔www.xuetutu.com#"$桥梁建设!()*+,-./012)342*/0!"#$#%$!!"图T!改造后的沈阳浑河长青大桥计算模型C)1DT!5J("J5%)"#4"3+J."&;+,5?)J)%5%+3!,5#1-)#16&)31+"<+&M"#,+;)<+&)#0,+#A5#1!!在进行计算分析时#全桥除吊杆外均为杆系结G7F7F!拱肋计算构$因吊杆在顶端拱肋和下端横梁的索导管均采用=个计算工况下#拱肋在边跨#Y号吊杆和中跨浇筑混凝土防护#故吊杆顶端与拱圈,下端与混凝土#号吊杆处均为应力最大位置#计算得到中跨及边横梁均采用固结$混凝土横梁为预应力混凝土#拱脚跨拱肋最大应力如表!所示)由表!可知#沈阳浑*@+固结#增设的钢纵梁与混凝土横梁共节点)河长青大桥改造后#工况#,工况!的拱肋最大应力荷载按照横向布置%个车道考虑#为计算出一均小于#$G0钢的容许应力!**+i!""G`:"$工况侧吊杆的不利状态#车道布置为偏载)混凝土预制&&=的拱肋最大应力小于#$G0钢的#7!=倍容许板以均布荷载!&&@7=U8&A"的方式加载)应力!#7!=**+i#7!=?!""G`:i!="G`:#因&个桥梁原设计规范为-公路桥涵设计通用规范.工况中含有挂车或温度荷载#其容许应力提高系数!9"!#<@Y"#计算荷载为汽车<超!"级,挂车为#7!="#桥梁运营阶段的受力满足原设计规范要求)<#!",人群,升温#@k,降温!Yk,恒载)计算荷*Y+表F!拱肋最大应力载按=个工况取值%#工况#为#7"恒载$$工*5?DF45X)O"O0%&+$$".>&(,;)?$况!为#7"恒载>#7"人群>#7"汽车<超!"级$工况位置最大应力&G`:%工况&为#7"恒载>#7"人群>#7"汽车<超!"边跨#Y号吊杆处<#=@7"#中跨#号吊杆处<#="7=级>#7"升温$(工况%为#7"恒载>#7"人群>边跨#Y号吊杆处<#"=7"汽车<超!"级>#7"降温$)工况=为#7"恒!中跨#号吊杆处<#""7Y载>#7"挂车<#!")边跨#Y号吊杆处<#""7"&G7F!计算结果中跨#号吊杆处<#"%7#G7F7B!吊杆计算边跨#Y号吊杆处<#@%7!%中跨#号吊杆处<#@%7#=个计算工况下#边跨#号吊杆和中跨##号吊边跨#Y号吊杆处<#$$7#杆的应力最大#结果如表#所示)因温度变化对吊=中跨#号吊杆处<#"#7"*Y+杆应力的影响甚微#表#中未统计工况&,工况%!注%表中负号表示压应力)的数值)由于吊杆钢丝抗拉强度标准值+为#=""KUG7F7G!钢纵梁计算G`:#当桥梁处于运营状态时#吊杆的安全系数应不因钢纵梁是在成桥后增设的#在恒载状态下钢小于!7=#由表#可知#沈阳浑河长青大桥改造后#纵梁不受力#计算得到钢纵梁的最大,最小应力如表吊杆安全系数均大于!7=#受力满足原设计规范要求)&所示)由表&可知#沈阳浑河长青大桥主梁体系表B!吊杆最大应力改造后#工况!的钢纵梁的拉,压应力均小于*5?DB45X)O"O0%&+$$".0"$N+#3+&$c&%=I钢的容许应力!**+i!#"G`:"$工况&&=工况位置应力*&G`:安全系数!+KU&9"边跨#号吊杆%#&7!&7@的钢纵梁的拉,压应力均小于c&%=I钢的#7!=倍#中跨##号吊杆%!"7=&7"容许应力!**+i#7!=?!#"G`:i!$!7=G`:#因&边跨#号吊杆=!Y7@&7"!个工况中含有挂车或温度荷载#其容许应力提高系中跨##号吊杆=!$7Y&7"数为#7!="#桥梁运营阶段的受力满足原设计规范边跨#号吊杆=="7=!7Y=中跨##号吊杆==&7=!7@要求) 学兔兔www.xuetutu.com钢管混凝土拱桥动态悬吊式主梁结构改造技术!!张!武#吴运宏#""表G!钢纵梁应力*+7桥梁建设#!"#!#%!!!"%#&