浙江路桥鱼腹式铆接钢桁梁大修设计

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摘要：1 工程概况上海市浙江路桥建成于1908年，由英国人设计，属于上海市市级不可移动文物（见图1）。浙江路桥一跨跨越苏州河，主梁为鱼腹式简支钢桁梁，下部结构为木桩基础上设置重力

1 工程概况 上海市浙江路桥建成于1908年，由英国人设计，属于上海市市级不可移动文物（见图1）。浙江路桥一跨跨越苏州河，主梁为鱼腹式简支钢桁梁，下部结构为木桩基础上设置重力式桥台。钢桁梁为铆接结构，跨径59.75 m，总宽14.352 m。主桁间净距6.8 m，设一个单向机动车道。主桁外为2.16 m宽非机动车道和1.08 m宽人行道。桥面系为钢结构纵横梁体系，上设混凝土桥面板和沥青混凝土铺装。 图1 浙江路桥全貌 浙江路桥在一百多年运营过程中，进行了多次改造加固，机动车桥面、人行道、风撑等构件经历过更新或更换[1]。2015年，根据桥梁病害检测和评估情况[2]，浙江路桥再次进行大修。根据桥梁病害情况，综合考虑周边道路交通、苏州河通航、桥梁文物价值和功能价值、铆接施工工艺等情况，确定了大修总体方案，即：钢桁梁整体移运至岸边，搭设厂房进行维修；两岸桥台、基础保持原状，但要求上部结构大修后荷载不增加[1]。 浙江路桥大修工程的目标为：通过结构拓宽和道路线形调整，适当提高桥上车辆、行人通行和桥下通航能力；修旧如旧，恢复桥梁历史风貌；通过大修工程，更换损坏严重的构件，修复较小的缺陷，保证结构安全；增强结构防腐体系，保证结构耐久性；通过桥面附属、灯光改造，增强景观效果并与周边环境协调；确保大修后浙江路桥能继续安全运营50 a。根据大修目标，钢桁梁需进行一定的改造，并根据检测和疲劳剩余寿命评估对杆件、节点进行加固或更换。 2 大修技术标准 钢桁梁大修相关技术标准如下： （1）道路等级：城市支路； （2）桥面宽度：2.476 5 m（人行道，含栏杆）+ 0.533 m（主桁区域）+8.5 m（机动车、非机动车道）+ 0.533 m（主桁区域）+2.476 5 m（人行道，含栏杆）= 14.519 m； （3）汽车荷载等级：城-B级； （4）设计速度：30 km/h。 3 钢桁梁病害 浙江路桥已建成超百年，鱼腹式钢桁梁的主桁、桥面纵横梁、人行道托架等构件仍是百年前的原始构件，不可避免地存在病害，主要是锈蚀。为描述方便，对钢桁梁杆件节点进行编号，如图2所示。 图2 杆件节点编号图 锈蚀以桥面以下最为严重（见图3），主要原因是桥面不具有桥面混凝土路缘石侧面，与主弦杆之间存在很小的缝隙，对桥面以下的钢结构起不到防水作用，经常处于潮湿状态且容易积聚腐蚀性垃圾。L5、L6、L7主桁节点位于桥面以下，主桁节点板和下弦杆锈损严重。其余竖吊杆与钢桁梁的连接节点也有锈蚀。L0、L12桥门架竖杆下端及支座，由于伸缩缝防水较差，桥台易于保留垃圾和湿气，锈蚀情况严重。钢桁梁杆件为铆接组合截面，缝隙较多且不宜维护，缝隙部位锈蚀及铆钉头锈蚀较为普遍。由于构造容易积水，第二节间的U1M2、U2M1、U10M11、U11M10斜杆与主桁的连接部位及交叉节点部位锈蚀严重，用于连接的角钢肢几乎完全锈烂。 图3 桥面以下节点板、杆件和铆钉锈蚀严重 4 剩余寿命评估[2] 钢结构疲劳是指在循环应力作用下材料产生局部组织永久变化，并在经历一定循环次数之后形成裂纹，继而扩展，最终剩余受力材料发生断裂的过程。钢桁梁结构受拉构件的铆钉和螺栓孔边易于萌生疲劳裂纹，并逐步扩展导致整个构件突然失效断裂。此类病害一旦出现，将严重危害到浙江路桥的安全运营，因此，有必要对该桥的疲劳敏感构件进行疲劳寿命分析与评估。 应用断裂力学理论对浙江路桥的剩余寿命和安全性进行了评估，并确定了疲劳敏感构件的检测时间间隔。预测剩余寿命及安全性的过程可分为以下几步：（1）确定疲劳敏感构件（杆件或节点板）；（2）计算疲劳敏感构件的临界裂纹长度；（3）模拟疲劳荷载加载过程；（4）分析疲劳敏感构件在反复加载下，其中的孔边裂纹随使用年限增长而扩展的长度，计算从初始裂纹长度a0至临界裂纹长度的扩展时间，并比较裂纹扩展时间是否超过正常可接受的检测间隔。 鱼腹式钢桁梁的吊杆、下弦杆在恒活载作用下，截面应力均为拉应力，且一旦破坏将导致整个鱼腹梁变为机构而丧失承载力，因此作为疲劳敏感构件进行分析。根据评估结果（评估时间为2012年），疲劳敏感构件中剩余寿命最低的是竖吊杆M3L3，剩余寿命52 a；竖吊杆M2L2剩余寿命85 a；主桁下弦杆剩余寿命大于100 a。建议对疲劳敏感构件裂纹检测时间间隔取为6 a。 5 结构设计 鱼腹式钢桁梁大修结构设计根据大修总体目标和原则、大修技术标准、钢桁梁病害情况以及剩余寿命评估结论进行。 5.1 连接构造 浙江路桥建成时是一座铆接钢桥，全桥绝大多数杆件为铆接型钢组合构件，所有节点均为铆接节点。原结构钢材生产于一百年前，当时的钢材硫、磷含量普普遍偏高，不适合焊接，因此大修中老钢材与老钢材之间、老钢材与新钢材之间的连接均采用铆接。对于新增的构件，桥面以上因“修旧如旧”的需要采用铆接，桥面以下考虑耐久性尽量采用焊接连接。 5.2 主桁间距调整 为了增强桥面机动车及行人通行能力及行车安全性，主桁净距从6.8 m拓宽为8.5 m，主桁间设单车道及两侧非机动车道。主桁外侧在原始托架宽度范围内设人行道，取消历史上改造过程中增加的1.08 m宽度。大修后总桥宽比大修前增加了0.167 m。图4为调整后横断面。 5.3 机动车桥面系 图4 调整后横断面（单位：mm） 原桥面系为纵横梁体系上现浇混凝土桥面板再设沥青铺装。从检测情况看，桥面系构造不合理是造成桥面下钢结构锈蚀严重的主要原因。因此改变桥面系的结构形式，采用正交异性钢桥面系。桥面系横梁高度与原横梁高度一致。横梁与主桁的连接构造也与原结构保持一致，采用双角钢铆钉连接。改用正交异性钢桥面系还可以减轻上部结构荷载，桥面结构高度减小约0.1 m，有利于通航。 钢桥面结构布置见图5。横梁位置与下弦节点（竖杆）对应，间距为4.978 m，横梁高度为 0.53 m。由于横梁间距超过了桥面板闭口加劲合适的跨度（通常不大于4 m），所以设置了 3道小纵梁，并在每个节间的中间位置设置一道横向分配梁，以改善桥面刚度和承载能力。小纵梁、分配横梁底板与横梁底板平齐。桥面板厚16 mm。U形加劲肋厚8 mm，高280 mm，上口宽300 mm，间距 600 mm。在靠近主桁处U肋内部设置填板，增加其抗剪强度。横梁与主桁下弦节点的连接采用与原结构相同的方法，用两片角钢夹住横梁腹板，采用铆钉连接。桥面系钢材采用Q345D。 5.4托架和人行道 图5 钢桥面平面和横断面（单位：mm） 原人行道托架存在变形、锈蚀等病害，此次大修予以更换，采用与原托架具有相同外形尺寸的焊接变截面工字形构件，托架根部高0.457 m。托架与竖吊杆连接处，托架上、下翼缘采用焊接，腹板采用铆钉连接。托架上设三道工字形小纵梁，小纵梁上铺设厚10 cm的木质人行道板。人行道栏杆在历次大修中已被更换，此次按最初的斜缀条网格形式恢复，并设布置扶手。 人行道与机动车道之间的主桁区域设置防水盖板，盖板与木人行道板顶面平齐，在主桁节点或竖吊杆处按实际形状切割，保持盖板与主桁构件或竖吊杆之间的缝隙小于5 mm，并用密封胶填充。 5.5 锈蚀构件更换 为了保留文物信息，浙江路桥主桁钢结构大部分杆件考虑保留。部分构件锈蚀严重，为保证桥梁结构安全，则予以更换。更换的构件采用Q235C钢材。 （1）部分下弦节点下弦杆 M4至M8之间的5个下弦节点和4个节间下弦杆由于锈蚀严重，予以更换。新构件和老构件的构造尺寸一致，节点板厚16 mm，下弦杆腹板厚32 mm。 （2）第二节间的格构式斜杆（U1M2、U2M1、U10M11、U11M10） 第二节间的格构式斜杆构造较为复杂，由角钢、钢板和缀条铆接组合而成。检测发现斜杆节点处杆件截面严重削弱，故予以更换。新构件断面中，用焊接槽形截面代替角钢与钢板组合截面，仍采用缀条连接，在保持外观不变的同时，减少了构件缝隙以减缓锈蚀。 （3）中间三个竖杆的下半部分（U5M5、U6L6、U7M7） 中间三个竖杆底部位于下弦节点板中，截面锈损严重，而上半部分锈蚀较少。对竖杆的下半部分予以更换，更换长度约为2.2 m。竖杆原截面为角钢和钢板铆接形成的工字形截面，更换的新构件采用焊接工字形截面，新老构件之间采用节点板和铆钉进行连接。 （4）端门柱（U0L0、U12L12）下半部分 端门柱下半部分由于与桥面交界部位的渗水等原因，锈蚀严重。端门柱底部截去1.855 m长，更换成新构件。新构件外形尺寸及构造形式与老构件一致，板厚作了增强，腹板厚度由32 mm增加为50 mm。新老构件的连接位置位于桥面以上，采用节点板和铆钉连接。 （5）主桁与桥面之间的竖吊杆 根据检测，吊杆桥面以下部位锈蚀较严重，部分吊杆已进行过加固。在鱼腹式钢桁梁中，桥面依靠吊杆与主桁相连。吊杆将桥面荷载传递至主桁，以受拉为主，同时伴有次弯矩，在全桥中属疲劳敏感构件。根据疲劳寿命预测，吊杆与其他主桁杆件相比疲劳寿命较低。对于横梁体系桥面，吊杆破坏将导致桥面垮塌，造成严重后果。此次大修将吊杆全部更换。原吊杆为铆接组合工字形截面，新吊杆为焊接工字形截面。 （6）支座 钢桁梁4个支座均为钢制辊轴支座。支座临近水面，在使用百年后出现了较严重的锈蚀。对4个支座（包括销轴、辊轴）均予以更换，参照原结构进行设计，北岸为固定支座，南岸为活动支座。 5.6 桥门架和风撑构造恢复 在历次大修过程中，桥门架、风撑构件已作过更换，并非原始构件，且外观变动较大。本次大修方案主桁间距加大，拆除现有上平联构件，参照原设计图纸，按最初的风格设计桁架式构件，恢复浙江路桥的历史面貌，使它以真实面貌流传于世。新的桥门架和风撑为角钢、节点板组成的铆接桁架结构。由于主桁间距加大引起杆件长度增加，桥门架和风撑杆件截面尺寸根据受力和稳定要求确定，大于原结构截面。 5.7 钢桥面铺装 浙江路桥机动车道采用正交异性钢桥面板，桥面铺装采用双层SMA体系，即防水粘结层（0.5 cm）+高弹性改性沥青SMA-10（4 cm）+SBR改性乳化沥青粘层+高弹改性沥青SMA-13（4.5 cm），总厚度9 cm。 5.8 防腐涂装 钢桁梁保留的老构件采用环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆的涂装方案，新制构件采用电弧喷铝+环氧封闭漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆的涂装方案。 6 结语 浙江路桥历史超过百年，采用独特的鱼腹式钢桁梁结构，是具有交通功能的文物。2015年对钢桁梁进行了大修，既保留、恢复了其文物特征，又更新、改造了原有结构。大修保持桥梁总宽不变，主桁间距加宽，交通功能得到改善。主桁构件大部分保留，对锈蚀严重的杆件、节点予以更换。桥面系和上平联全部得到更新。桥门架、风撑、人行道栏杆均按最初的样式进行恢复。大修后，浙江路桥能继续使用50 a。

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