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摘要：在工程建设中，由于设计缺陷，施工突发状况，外部环境等给桥梁结构带来损害。笔者结合本桥工程实际，探讨由于施工不当及环境侵蚀原因造成钢结构构件失稳，桥梁产生破坏的原因。对于钢桥，稳定问题比强度问题更加突出，强度问题要求结构或构件截面上产生的最大应力不得超过材料的强度极限，而稳定性要求构件有更优的连接和组合方式。提出改造方案，结合钢结构的特点进行分析，加强桥梁结构的整体连接作用，有效维护和提高了桥梁的承载能力。
关键词：钢桥加固；强度；稳定性；
Consolidation Analysis of Continuous Steel Truss Bridge
Chen Xin
(School of Civil Engineering & Construction.,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)
Abstract：In the engineering construction, due to the design defects and construction unexpected situation, damage to the bridge structure. In this paper, the author combined with the bridge engineering practice, to explore the reasons for the failure of the steel structural member caused by improper construction and environmental erosion. For steel bridges, the stability problem of specific strength problem more prominent, strength requirements section of a structure or component produced the largest stress shall not exceed the ultimate strength of the material and stability requires the component has better connection and combination. Put forward the reform scheme, combined with the characteristics of the steel structure analysis, strengthen the overall connection of the bridge structure, the effective maintenance and improve the bearing capacity of the bridge.
Key words：steel bridge reinforcement；intensity；stability
0 引言
钢结构由于有优良的力学性能被广泛使用在桥梁、高层建筑、工业厂房、体育馆，运动场等结构中。由于钢结构的强度高，钢制构件比较细长，钢板比较薄，明显的节约了材料，提高了经济效益。但是容易发生失稳破坏，即使强度足够的情况下，结构也有可能发生失稳破坏。
在工程建设中，由于设计缺陷，环境因素，给桥梁结构带来损害，如结构锈蚀，构件退出工作等，尤其是发生失稳时，钢桥的使用性能和安全性能更令人关注。笔者以安徽某钢桁梁桥为例，对存在的安全问题进行分析，通过增大截面的方法对钢桥加固，使其能满足现有工程所需，达到最大的经济效益和社会效益。
1 工程概况
本钢架桥为安徽某地河沙运输通道，最大跨径为15m，总长66m。结构最大高度8m，最大宽度7m，支撑桥墩为1000mm×10mm钢管柱，建成距现在已有20多年。该钢桥由于常年浸泡在水中，日常缺少维护，导致出现大面积锈蚀。同时由于车辆通行增多，重车荷载增大，导致桥面板破坏，部分杆件发生屈曲，出现严重的安全问题。经检测单位对结构现状检测，发现桥墩及杆件上出现大量锈蚀麻点，严重的构件锈蚀深度已有2mm；部分杆件的屈曲导致9片桁架中的3片退出工作，竖向最大挠度达到100mm，整体稳定性遭到破坏。专家组提出旧桥加固和拆除重建两个方案，经过论证分析，认为重建新桥耗时、不经济，因此决定采用替换原有截面，增大部分截面，加强横向联系，刷漆防锈等措施进行加固。
图1 钢桥面板破坏
Fig.1 Steel deck damage
2 加固方案
为了保证加固杆件与原有杆件能有良好的共同工作，避免焊接时的热量引起内力对结构产生不利影响，加固前卸除所有荷载，禁止车辆及无关人员通行通行。
杆件加固应按照合理的顺序，主要分三个方面：替换破坏杆件，加强整体联系，刷漆防锈。
经检测，钢桥桥墩上部腹杆发生屈曲，部分杆件焊缝处出现裂缝，这是由于焊接施工不良导致的。用切割机拆除原损坏杆件，焊接时采用合理的焊接顺序，减弱焊接应力对结构的影响。在桥墩上部腹杆处焊接节点加强杆，节点加强杆采用10号槽钢，同腹杆共同受力；拆除原有桥面板，在原有桥面分配梁上通过焊接增加桥面板分配梁，桥面板分配梁采用8号工字钢截面，只要目的是减小钢桥面板计算宽度，增加钢板局部刚度，防止屈曲；相邻两片桁架之间增设横向联系，原有横梁联系较弱，在原有联系梁之间和下部增设横向联系，加强整体性。
图3 加固后横截面
Fig.3 The cross section of reinforcement
3 结构整体模型的建立
3.1 钢桥结构基本参数
本次结构计算分析采用桥梁结构专业软件Midas/civil。模型建立的基本要求是在计算机硬件允许的情况下，尽可能完整精确的模拟结构及连接，以确保与实际工程误差最小。考虑到本钢架桥梁的结构形式及特点，该模型采用线弹性静力分析。桥梁结构单元选用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟。钢架之间用节点板焊接，使得杆件的计算长度相比轴线间长度要短，在模型建立时，直接采用轴线间长度，忽略梁端刚域带来的影响。根据相关资料，是否释放梁端刚域对结果的影响并不大。桥面板单元与梁单元采用共结点方式连接。桥面板及分配梁和柱顶分配梁采用Q235钢，弦杆和腹杆采用16Mn钢。
根据加固方案，在柱顶分配梁上添加腹杆加强腹杆，在横桥向添加支撑架，以便于更好的发挥结构整体作用。加强腹杆和支撑架均使用Q235钢，计算模型如图2。
图4 结构模型
Fig.4 Structure mode
3.2 荷载加载
原桥梁设计采用老规范加载，荷载等级明显偏小，显然是不行的。此次计算车辆荷载按照《城市桥梁荷载设计规范》-JTJ2011中车道荷载加载，同时计入25t施工履带吊及12.25t施工运输车辆的作用。
4 结果分析
4.1 竖向受力构件强度及稳定性
主要分析加固后桥梁各构件的强度及稳定性是否满足要求。对于钢结构构件，稳定问题比强度问题更加突出。强度问题要求结构或构件截面上产生的最大应力不得超过材料的强度极限。因此，强度问题是某一截面或某一点的应力问题；二稳定问题是要找出荷载与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，并要求避免进入这种状态。将杆件按照梁端固结计算，可以求出钢结构杆件的临界应力。
根据上式的计算结果，受压杆件的临界应力最小值应为371.5MPa，而根据有限元结果，在最大荷载作用下得到的应力不会达到临界应力，因而确定结构的稳定性满足要求。
由于钢桥面板前期发生破坏，着重分析了钢桥面板在荷载作用下的内力分布，发现在吊车作用下桥面板应力和变形最大，但由于加了桥面板分配梁，桥面整体受力性能好，局部应力虽然较大，都在限值要求之内，表明对桥面板的加固是可行的。
图5 桥面板应力分布
Fig.5 The stress distribution of bridge decks
4.2 结构位移分析
本桥中，当履带吊在前跨吊装时，结构产生最大挠度，最大挠度为15mm，挠跨比为1/1434，满足要求。
4.3 桩基础稳定性
经加固后，桥梁整体重量增加，同时由于验算荷载的提高，应对桩基稳定进行验算。该工程地质情况较好，第一层淤泥，层厚为-10.4m，流塑，具高含水量、高压缩性，抗剪强度低，物理力学性质差的特点；第二层为粘性土圆粒层,层厚-10.4—13.4.0m；第三层为黏土、含粘性土圆砾、粉土夹层，层厚-13.4—22.6m，软塑、可塑，物理力学性质较好，第四层为黏土及冲积圆砾层、卵石层，层厚约6m，物理性质较好。
表2 单桩内力计算结果
Table 2 The calculation results of single pile internal force
根据计算结果，桥梁基础整体承载能力符合规定，在加固后，按照较大荷载进行分析，地基可以满足使用条件。
5 结论
1、横向联系的结构形式和布置数量根据桥梁的整体刚度和弦杆的横向失稳来确定，横向联系将各个主梁连成整体，并且要求有足够的刚度。加固后桥梁整体承载能力明显提升。
2、桥面板分配梁有效的提高了桥面板整体刚度，对提高钢板稳定性起到重要作用。
3、合理的焊接顺序和施工质量有效的提高了结构的刚度，应避免因焊接缺陷造成构件内部应力过大。
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论文作者:陈扬
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/22
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