大跨径钢管混凝土系杆拱桥改造技术

1 工程概况

武汉市长丰桥（江汉五桥）是武汉城区三环线西段跨越汉江的一座特大桥，于2001年建成通车，其主桥为大跨径中承式钢管混凝土拱桥，跨度布置为60.5 m+251 m+60.5 m=372 m，主桥宽度31.9 m，原设计荷载为汽–超20级。

大桥主跨拱肋采用四管格构式钢管混凝土桁架结构，腹杆为空心钢管，拱肋轴线采用悬链线，其拱轴系数m=1.5。拱肋宽2.4 m，高4.5 m，上、下弦杆各为2根直径1 000 mm×14 mm的钢管，拱肋弦杆内灌注50号混凝土；上、下弦2根并列钢管间采用12 mm厚缀板连接，腹杆为直径500 mm×10 mm的空钢管。

主桥桥面设柔性吊杆、钢横梁、桥面板及平衡主拱推力的预应力系杆。吊杆纵向间距为6.0 m，采用LM15–151平行钢丝成品拉索，钢丝为直径为5 mm的镀锌钢丝，标准强度为1 570 MPa；吊杆横向间距27.5 m，吊杆横梁采用钢箱梁结构；原桥的桥面系为悬挂漂浮体系，桥面系为钢筋混凝土简支T梁放置于钢横梁上，通过桥面铺装形成结构简支、桥面连续的悬挂漂浮体系；系杆由24束OVM15–31低松弛钢绞线（直径为15.24 mm，1 860 MPa）组成。主桥主拱墩及承台为分离式实体钢筋混凝土结构，基础采用钻孔桩基础。

2 病害情况

长丰桥建成于2001年，至今已运营20余年，主桥吊杆、系杆均已达到原设计使用年限，处于超期服役状态。根据现场踏勘，并结合最近几年的桥梁检测报告显示，桥梁的主拱肋、横向连接等主要构件基本良好，处于正常工作状态，但主桥拱肋内混凝土粘结密实度较差；主桥钢横梁、吊杆锈蚀严重，主桥系杆存在钢绞线断丝；主桥拱座及边跨混凝土拱肋均存在裂缝；主桥桥面系存在大量的铺装破损、凹槽等问题。

桥梁原设计荷载等级为汽–超20级标准，原桥设计时的远期交通流量预测为5.7万辆/d（2025年）。但随着城市的快速发展，长丰桥现已是武汉市三环线重要的快速过江通道，根据最新统计数据显示，目前长丰桥的年均日交通流量已达到约11万辆，同时作为武汉中心城区唯一允许货车通行的桥梁，桥上货运物流车辆密集，实际超限、超重车辆无法有效控制，在长期的超负荷交通荷载运营下，原桥梁产生了大量的结构性病害及损伤，桥梁综合技术状况较差，结构严重的安全隐患，因此及时对病害桥梁进行维修加固改造是必须的、迫切的。

3 改造方案设计

3.1 桥面系结构改造

现状主桥的桥面主梁体系采用悬挂漂浮式体系，即将桥面纵向小混凝土T梁结构简支于吊杆处的钢横梁上，通过混凝土现浇层形成桥面连续。在长期车辆荷载作用下，易造成此处桥面铺装受力超限，混凝土发生开裂损坏，如仅进行沥青混凝土面层的铣刨重铺，不改变桥面结构体系，则难以从根本上解决问题。

本次桥面系的改造方案为将现状悬挂漂浮式桥面体系调整为整体固结连续钢结构桥面体系，以增强桥面整体性，新建桥面系利用原有钢横梁向上加高横梁，新旧横梁之间采用焊接方式，以形成整体钢结构桥面体系。施工完成后，形成整体性较强桥面体系，既可从根本上解决桥面铺装病害，又能加高原有钢横梁高度，进一步提高原有钢横梁的应力和刚度储备。

新建桥面铺装自上而下采用5 cm厚高粘高弹SMA13+5 cm厚超高性能混凝土，该铺装方案既兼顾行车舒适性，又改善钢桥面正交异性板的疲劳问题。

3.2 吊杆改造方案

原有长丰桥的吊杆下端锚固在钢横梁内，与钢横梁上缘顶板相交处通过将军帽、减振橡胶等措施进行密封，但此种将吊杆锚头置于钢横梁内的构造措施，造成吊杆检修极其不便；同时在不断的交通动荷载作用下，其密封性不能得到有效保障，锚箱内易积水，进而引起吊杆锚头锈蚀，影响结构安全。

新建吊杆采用钢绞线整束挤压吊杆索，吊杆索体采用22（27）束的1 960 MPa级、直径为15.2 mm环氧喷涂无粘结钢绞线，同时将吊杆下端改造后锚固于钢横梁下缘，此锚固方案避免了因锚箱积水而引起锚头锈蚀的难题，方便后期吊杆检修。

3.3 系杆改造方案

长丰桥设计于1998年，由于原设计时的规范及理念因素，原设计时将系杆按照体外预应力束考虑，安全系数仅为1.3。桥梁自建成通车至今已运营20余年，系杆已超过设计使用年限，且根据现场检测，原有系杆的预应力束钢绞线存在断丝现象，桥梁结构存在较大的安全隐患。

新换系杆采用37孔可换索式系杆，索体采用环氧喷涂钢绞线成品索，钢绞线强度为1 960 MPa级。

3.4 其他改造方案

（1）主拱圈密实度修复，对于拱肋内混凝土不密实区域，采用负压辅助注浆对混凝土不密实部位进行填充加固处理。

（2）主桥的现状钢横梁存在锈蚀现象，对钢横梁除锈并重新进行防腐涂装。

（3）对于混凝土的裂缝、破碎等病害，采用结构胶或环氧砂浆修复。

4 关键施工方案

4.1 桥面系主梁更换施工

与常规的梁桥改造不同，钢管混凝土拱桥的拆除和新建不具有可逆性。改造前需了解现状桥梁受力情况，需对原桥的建设全过程进行分析，并在此基础上再进一步进行本次“拆建”改造分析。同时传统大跨径拱桥的桥面安装施工多采用缆索吊装施工，但由于本项目工期较紧张，重新搭设缆索吊装系统将会耗时费力。设计过程中通过深入研究、优化，从设计方案层面提出“拆建”同步 ，即边拆除旧桥面，同步边安装新桥面（图1），同时配合松、张系杆，实现了利用现状桥面作为桥梁改造中的运输通道，节约工期，降低工程成本。

图1 桥梁改造施工过程

4.2 系杆更换施工

用于平衡主拱水平推力的系杆，是桥梁结构整体安全的生命线，桥梁既有系杆已达到设计使用年限，处于超期服役状态，经检测，部分系杆甚至存在钢绞线断丝现象，时刻威胁着桥梁安全。本次提升改造中，对既有系杆进行更换，但由于主桥桥面系永久荷载的变化，新旧系杆的张拉力也发生了较大变化。为保障桥梁整体安全，通过有限元程序对各个施工阶段进行结构计算和安全性验算。同时，在施工阶段，根据施工组织的不断调整，进行了同步跟踪精确计算分析，根据不同施工工况，施工阶段进行了多次模拟计算，优化系杆张拉索力，控制主拱墩水平推力变化和位移量，以达到控制结构安全的目的。针对旧桥的实际边界条件限制，巧用改造的“空间与时间”，将系杆更换与桥面系改造穿插进行，利用桥梁施工过程引起的受力变化作为“时机”，合理进行方案设计及施工组织，穿插实现新旧系杆的更换，该方案避免设置临时系杆，缩短施工周期，降低了施工成本。

5 改造效果有限元分析

5.1 有限元模型

采用midas Civil建立杆系有限元模型,其中系杆、吊杆采用只受拉的桁架单元,其余构件均采用空间梁单元，主拱圈采用钢混组合截面模拟，桥面系采用纵横梁体系建模，桩基边界采用m法模拟桩–土效应。建立全桥的空间有限元模型如图2所示。

图2 桥梁有限元模型示意

5.2 有限元分析结果

针对长丰桥改造工程建立了有限元模型，通过对桥梁进行了受力分析，表明结构内力及刚度均满足现行的规范指标要求。

（1）承载能力极限状态受力分析。

1）主拱圈单管受压承载能力最小抗力系数为1.33，满足要求。2）主拱圈组合截面承载能力最小抗力系数为1.07，满足规范要求。3）主拱圈抗剪安全系数为7.3，满足规范要求系杆应力为890 MPa，安全系数2.2，大于2.0，满足规范要求；吊杆应力为471 MPa，安全系数4.1，大于3.0，满足规范要求；风撑及腹杆等节点构件最大应力为118 MPa，相应强度满足要求。4）基本组合下，混凝土边拱肋的强度满足相应的规范要求。

（2）正常使用极限状态结果。

1）在正常使用状态并考虑长期及短期效应组合下，正常使用阶段荷载组合下，拱肋钢管最大应力为206 MPa；风撑及腹杆最大应力为81 MPa；主拱圈内混凝土最大压应力为22 MPa，均满足规范要求。

2）正常使用阶段荷载组合下，边拱肋混凝土最大应力为15 MPa；边拱肋为偏心受压构件，其混凝土截面的e/h<0.55，根据现行设计规范可不进行裂缝宽度验算。

（3）刚度。主桥在车道荷载作用下拱肋最大挠度为47 mm；梁体最大挠度为71 mm，均满足刚度要求。

（4）稳定性。主桥在改造后的稳定安全系数为7.51，大于4，满足规范稳定性要求。

（5）抗震性能。主桥结构在E1及E2地震作用下，结构仍处于弹性状态，结构满足规范要求。

6 结论

（1）与常规的新建桥梁不同，改造工程受既有结构边界限制，改造方案既需考虑改造过程中原有结构受力情况，又要考虑设计方案的可行性，及施工组织的便利性，同时兼顾后期管养可达、可检、可修。

（2）主桥的原桥面主梁为悬挂漂浮式体系，结构整体性较差。针对该问题，本次利用原有钢横梁叠加钢纵梁，形成正交异性板桥面体系，该方案既提高了桥面的整体性，又增强了桥面系结构刚度，并从根本上解决桥面铺装的病害问题。

（3）本项目的改造方案减轻桥面系永久荷载约3 800 t，极大地提高了桥梁的安全储备；同时桥梁永久荷载变化，主拱推力随之变化，对应新系杆的张拉力也需相应调整。

（4）预应力柔性系杆作为系杆拱桥的生命线，维持着主桥结构的整体平衡。系杆张拉力除应考虑径向力、锚固损失等外，还应充分考虑环境温度的影响，其对飞燕拱及边墩的影响较大，应予以重视。

（5）飞燕拱的边拱肋为偏心受压混凝土构件，在改造施工过程中，随着系杆力及边拱区域桥面荷载变化，边拱肋下缘可能出现较大拉应力，可通过优化设计及施工组织方案，避免施工过程中引起结构病害。

（6）目前本项目已竣工通车，该项目是国内特大型钢管混凝土拱桥改造中规模最大、技术难度最复杂的旧桥改造工程。本工程的实施，消除结构安全隐患，提高了桥梁通行荷载标准，对提升城市交通韧性，分流过境车辆，减轻市区交通压力具有重要意义。