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摘要：以綦江河上的一座预应力混凝土拱桁桥为例，介绍了本桥存在的病害情况，分析了病害的成因；预应力混凝土拱桁桥跨中剪力铰失效，桥梁结构体系发生变化，对桥梁结构的安全造成危害；通过计算论证，提出了针对性的加固处治措施，为此类桥梁的加固设计提供了参考。
关键词：预应力混凝土、拱桁桥、剪力铰、限位支撑
引言：预应力混凝土拱桁桥具有受力合理、稳定好、自重轻、用料省等优点，对于大跨径桥梁，更具有良好的经济效果。本文以綦江河上的一座预应力混凝土拱桁桥为例，着重分析了预应力拱桁桥因跨中剪力铰失效，桥梁结构体系发生变化，造成了桥梁结构的诸多病害，通过恢复桥梁结构体系，达到延长结构寿命的目的。
一、桥梁概况
本桥建成于上世纪70年代，桥孔布置为36.4m（边跨）+72.8m（主跨）+36.4m（边跨）+2×16m，全长177.6，总长195.5m。主桥为拱桁结构，每个桥墩两边对称设置四个悬臂拱片，每个悬臂片与片之间设置上、下横系梁及两道剪刀撑。上弦、斜杆为拉杆，竖杆及拱为偏心受压构件。拉杆采用预应力，偏心受压构件根据吊装要求配置钢筋，桥面采用现浇微弯板。主跨计算跨径70.12m，矢跨比1:9.35。下部结构为重力式墩、台，扩大基础。设计荷载：汽-15级、挂-80。
桥梁的病害主要有：①主跨跨中所有剪力铰都已锈蚀，剪力铰锁销已被拔出，剪力铰被破坏不能正常工作。②因剪力铰的破坏，导致跨中两侧所有桁片均有不同程度竖向、横向错位。③边跨4片桁片向跨中收缩明显，其端部榫头已从桥台中拔出。④桥梁出现明显下挠迹象，第一跨下弦杆下挠已达到2.9cm。由于跨中两侧桁片已相互脱离，弦杆相对错位量约3cm，第三跨桁片在端部也出现下挠，桥梁下挠趋势在增大。
二、主要病害成因分析
1、剪力铰失效。跨中的剪力铰为钢制的竖向连杆铰，施工时剪力铰定位器的安装精度不足，造成行车时，剪力铰处有颤动和水平搓动，长期作用对钢制结构造成疲劳破坏。大桥运营30多年，历经风雨侵蚀，剪力铰锈蚀严重，近年来超重车辆的增加，远远超出桥梁的设计荷载，随着超限荷载的反复作用，剪力铰螺栓被拔出，剪力铰被破坏失效。
2、桁片错位。因剪力铰失效，桥梁原设计的结构体系发生改变，跨中部位无有效的连接，T构的悬臂端部无约束，处于自由状态。两侧T构不能共同受力，在超载车辆反复冲击作用下，桁片发生横向及竖向的错位。
3、桁片端部上榫头脱出。原设计为了避免因温度影响，悬臂端部上挠引起支座与台帽脱离，在拱桁悬臂上用条石作为压重防止牛腿上挠，现场发现未设置压条，而是在台帽上预留上榫口，将上弦的上榫头置入台帽或盖梁的上榫口，以达到限位作用。施工时牛腿上缘的橡皮垫安装时没有得到有效预压，牛腿顶部与橡皮垫没有完全密贴，造成行车时上部出现不规则振动，加上上榫头受温度作用产生变形，使上榫头从榫口中脱出。
三、桥梁加固内容及要点
根据业主单位的要求，本桥加固后仅作为人行桥梁。
加固设计荷载：满布人群-3.5KN/m2。
加固设计思路：加固设计的目标为能够满足较长期通行人群的要求，因此按保证桥梁耐久性的思路进行设计，具体处理措施如下：
（1）剪力铰恢复。维持老桥的结构体系，将失效的剪力铰更换。因跨中实际预留的空间有限，为了尽可能减少对老桥的破坏和方便施工，本方案在桁片横桥向的两侧，种植锚栓，粘贴钢板，焊接钢板制作剪力铰。桁片一侧安装一个剪力铰，四片桁片共安装8个剪力铰。
（2）边跨限位支撑构造。采用原桥边孔支座可顺桥向自由伸缩的结构形式，在横向及竖向增设限位支撑装置。对边跨支撑位置进行限位的措施如下:
①设置竖向限位支撑装置：在台帽或桥墩盖梁上种植锚栓，粘贴钢板，在钢板上焊接定制钢板，定制钢板上缘焊接水平支撑钢板，水平支撑钢板上设置橡胶支座，起限位作用。
②设置横向限位挡块：为了将桁片横向发生偏移锁死，在1#、4#桁片端部牛腿外侧设置横向限位挡块，限位挡块通过植筋与台帽或盖梁连成整体，限位块与牛腿侧面间放置橡胶块。
③设置边支点牛腿顶面限位构造：首先对台帽或桥墩盖梁上桁片牛腿处槽口顶面至桥面间的混凝土进行拆除并保留原结构钢筋，凿除的槽口尺寸为横桥向凿除65cm，顺桥向凿除50cm，竖向凿除约70cm，拆除完毕后，将桁片端部牛腿顶面处理清洁平整，在桁片端部牛腿顶面上设置板式橡胶支座，然后恢复拆除部分的钢筋，并在凿除面上植筋，然后浇筑混凝土，浇筑混凝土时应保证橡胶支座顶面与新浇筑部分混凝土紧密贴合。
四、加固前后验算结果比较
（1）上部主体结构计算
加固前，原结构跨中剪力铰失效，桥梁结构由桁架拱桥变为两个完全独立的T构，因此计算模型模拟了原结构剪力铰失效这一过程，在加固前为两个独立的“T”构，取一个“T”构建模计算；加固后剪力铰恢复，取全桥建模计算。
加固后各构件应力基本满足要求，加固后除桁片实腹段的个别单元拉应力有所增大外,其余构件应力状况均有所改善。
由加固前后各工况最不利荷载组合作用下构件的应力对比可知，加固前后，上弦杆除实腹段外均未出现拉应力,出现压应力的单元截面加固后压应力均有所增大；实体段截面下缘拉应力有所增大。
加固前后，下弦杆除与实腹段相连的单元出现拉应力外其余单元均未出现拉应力；下弦杆其它单元的上下缘均为压应力，加固后压应力较加固前均有所减小。
竖杆应力加固后较加固前均有所减小；斜腹杆截面应力状况有所改善，加固前构件下缘出现拉应力的杆件在加固后仍存在拉应力，但有所减小；桥墩应力状况加固后有所改善。
（2）跨中剪力铰及边跨支点处竖向限位装置计算
本次加固对跨中剪力铰结构和边跨支点处竖向限位装置均进行了结构计算，结果如下：
制作跨中剪力铰的材料采用40Cr调制热处理的高强度螺栓及Q345钢板，高强螺栓的性能等级为9.8S，螺栓型号采用M45，其抗剪承载力为445.3kN，跨中在最不利荷载作用下剪力为111.6kN，螺栓的抗剪承载力可以满足要求；固定钢板用的锚栓为HAD-T M16/40,单根锚栓的抗剪承载力为36.3kN，单侧钢板上有8根锚栓，抗剪承载力为290.4kN，大于111.6kN，满足抗剪要求。
边支点竖向限位支撑装置构造采用Q345钢板焊接制作，焊缝采用角焊缝。边支点在最不利荷载作用下的支点反力为112.8kN，经计算，在支点反力作用下，竖向钢板上的焊缝边缘应力为45.2MPa，小于规范要求的200MPa，满足要求；固定钢板用的锚栓为HAD-T M12/30,单根锚栓的抗剪承载力为19.5kN，单侧钢板上有12根锚栓，抗剪承载力为234.2kN，大于112.8kN，满足抗剪要求。
五、结语
（1）剪力铰失效后，对跨中剪力铰位置是固结处理还是恢复剪力铰使用功能进行了计算和论证，若将跨中剪力铰拆除后固结跨中，桥墩应力将增大，固结会对桥墩产生不利影响；跨中固结，新浇筑的混凝土的收缩变形受到老桥的约束，较易开裂；当年的设计并未考虑设置跨中合拢钢束，也未预留孔道，较难保证固结混凝土与老桥共同受力；跨中实际预留的空间有限，若固结跨中，需要凿除部分旧桥端头，种植钢筋，对老桥的破坏较大，且老桥端头部位有预应力锚头，凿除混凝土时存在破坏预应力钢束的风险。
（2）边跨支撑部位的上榫头完全由榫口脱出，对边跨支撑部位是进行固结处理还是增加横、竖向限位装置进行了计算和论证，得出的结论是：如果边孔支座固结后，部分斜杆会出现拉应力；桥墩处、桥墩与下弦杆连接处拉应力增大也较为显著。
参考文献：
[1] JTG D62－2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范
[2] JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范
[3] JTG/T J23－2008，公路桥梁加固施工技术规范
论文作者:赖波,韩耕文
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/21
标签：剪力论文; 应力论文; 桥梁论文; 钢板论文; 预应力论文; 结构论文; 混凝土论文; 《基层建设》2016年第34期论文;