飞虹旧貌换新颜——宜宾市金沙江南门大桥加固维修改造设计

四川省宜宾市金沙江南门大桥于1990年7月建成通车，宜宾南门大桥为主城区跨越金沙江的一座特大桥，距金沙江与岷江汇合处约1000m，是城区南北两岸进出的咽喉通道，是宜宾市城区标志性建筑之一。主桥为中承式劲性骨架钢筋混凝土肋拱桥，主跨243.367m，拱肋净矢高48m，矢跨比为1/5。主拱拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.756，主拱结构为两条分离式平行拱肋无铰拱，两拱肋用K撑和X撑连接。桥面纵板为预应力混凝土空心板，吊杆横梁为预应力混凝土结构，纵板与横梁固结。

图1 金沙江南门大桥

2001年11月7日凌晨5点左右发生了桥塌事件，其中南岸32#、40#、48#和北岸32#吊杆突然断裂，导致相应桥面整体垮塌，并于2002年7月维修加固后通车。

2011年对主拱肋、门架墩及横梁表面防腐涂装、混凝土缺陷修复与补强,横梁端部加固补强、并增设吊杆索力监测系统和桥梁限高设施，并对引桥支座进行更换。

图2 2001年11月吊杆断裂、桥面垮塌

图3 原桥总体立面布置图

主要技术标准和设计原则

1.原桥设计标准：

设计荷载:汽车—超20,挂车—120,人群荷载3.5KN/m2。

主桥桥面布置：3.25m(人行道)+13m（3车道+非机动车道）+3.25m(人行道)，总宽20.2m。

地震设防烈度：Ⅶ度。

图4 原桥标准横断面（单位：m）

2.加固设计标准：

设计荷载:公路-Ⅱ级、城-B,人群荷载3.5KN/m2。

主桥桥面布置：车行道宽13m（4车道），（人行道+非机动车道）净宽2×4m，总宽24.6m。

图5 加宽改造后标准横断面

3.加固设计原则

①本次设计主要解决中承式拱桥吊杆+横梁支撑简支桥面结构体系的安全可靠度问题，采用连续结构桥面体系提高其安全性能，并解决吊杆变形协调性、可检性，增强桥面系的连续性、强健性，防止吊杆失效的桥面系坠落或垮塌，并对其他部位进行耐久性维修。

②在经充分论证的前提下，对桥面进行加宽，将非机动车道与机动车道分离，增加机动车车道数，并对桥面车行道、非机动车道、人行道重新进行划分，提高其通行能力。

③通过采用钢-混凝土组合桥面板，减轻恒载自重，减轻主桥主梁重量，提高主桥承载能力，同时增加车道数也需要减轻桥道系重量。

各构件加固维修改造设计

桥道系处治设计

小南门大桥的桥道系采用以横梁受力为主的简支体系，其整体性差，在汽车荷载作用下单根吊杆的应力幅较大，易出现疲劳损伤，严重时会造成桥梁垮塌。国内已有数座相同桥梁体系在吊杆失效后，发生桥面系坠落或者出现多例垮塌病害案例，同时桥道系病害也较多。

本次加固拟采用纵横梁+组合桥面板桥道系，从根本上解决桥道系的安全问题，因此拟全部更换主桥桥道系，将简支结构改成连续结构，形成纵横梁的整体结构，防止吊杆失效的桥面系坠落或垮塌。

原桥为桥面连续的多跨静定体系，受原设计构造空间的局限，无法采用加吊杆的方式进行加强，一根吊杆的损坏即会造成相邻两跨塌孔。改为纵横梁连续超静定体系，能防止桥道系塌孔。

改为结构连续超静定体系后，组合结构桥道系能有效解决桥面板受局部冲击荷载大、开裂严重、支座脱空变形移位及桥面震动大等弊端，摒除在横梁上设置小牛腿的设计缺陷。

1.吊杆悬吊区及立柱支承区桥道系处治：桥面每侧加宽两米，将非机动车道与车行道分开，布设在吊杆外侧，拆除现有桥道板及吊杆横梁。采用纵横钢格子梁+混凝土桥面板构造，制作并安装钢纵横梁，形成纵横钢格子梁体系，预制混凝土桥面板，现浇湿接缝，最后浇筑沥青混凝土桥面铺装。

2.拱肋与桥面交界处横梁设计：需拆除拱肋外侧横梁悬臂部分，再新设钢结构牛腿。钢结构牛腿通过锚栓与横梁连接，施工时先实测横梁高度及截面尺寸，以精确定位牛腿位置和校核钢结构安装尺寸。

3.钢格子梁主要构造设计：桥道钢格子梁为双主纵梁式，钢主纵梁布设在拱肋外侧，吊杆段钢主纵梁横向中心间距18.41m，钢主纵梁为工字形等截面，高1.2m，中间设三道次纵梁为工字形等截面，除24#横梁外两边次纵梁梁高0.8m、中间次纵梁高0.9m，24#横梁处次纵梁高0.36m。次纵梁横向间距为6.52m。最外侧边纵梁梁高0.3m、0.5m（拱肋附近）。

图6 标准段钢格子梁吊杆横梁处横断面

图7 标准段钢格子梁平面图

图8 标准段纵梁、横梁立面图

钢纵梁通过钢牛腿支撑在门架顶面、24横梁侧面、拱肋侧面。割除并重做24#、8#、16#、0’#、8’#、16’#门架的现有盖梁，在改造后的盖梁顶设支座，24#、24’#横梁牛腿设置在横梁纵向两侧，拱肋附近牛腿设置在拱肋上下游侧。钢纵梁间腹板通过高强螺栓连接，顶底板现场焊接相连。

主钢横梁为变高度工字形截面，高1.2～1.3m，中间设二道次横梁为变高度工字形截面，高0.8～0.9m；在标准段主、次钢横梁长24.6m，在拱肋附近从24.6ｍ渐变到26.46m。拱肋内侧次横梁长13.44m，拱肋上下游侧主次横梁长4.25m。标准段主横梁纵向间距10.14m，次横梁纵向间距3.38m。

钢梁材质采用Q345C。

主桥桥面板采用18cm厚的预制桥面板，纵向、横向通过现浇湿接缝连接成整体。主桥横向为两块预制桥面板，纵向支撑在横梁和次纵梁顶面。

4.门架立柱改造设计：为保证纵梁在通过立柱区域截面高度，因此拟切除原门架盖梁部分后采用劲性骨架混凝土横梁。门架切割时应尽量保留原立柱竖向钢筋，如有破坏应植筋恢复或焊接结长，保证原立柱钢筋与门架盖梁的劲性骨架有效连接。

5.伸缩缝改造设计：原桥主桥伸缩缝设置在拱肋与24#横梁交界桥面处，靠近24#横梁处短吊杆在长期活载作用下，疲劳应力幅大。为了改善短吊杆受力状况，本次改造将伸缩缝设置在0#门架顶处桥面，主桥范围内采用连续钢格子梁组合桥面板体系。

图9 原桥主桥伸缩缝设置位置

图10 改造后主桥伸缩缝设置位置

吊杆的处治

1.原吊杆体系现状

主桥中部180m，共设置17对吊杆，吊杆间距10.14m。在2002年的恢复工程中将全桥原有吊杆全部更换为PES7成品索，原加长横梁的吊杆为109φ7、抗拉强度1670Mpa的高强平行镀锌钢丝束，总破断力为7005KN；普通横梁的吊杆采用91根φ7、抗拉强度为1670Mpa的平行钢丝束，总破断力为5848KN，外套PE防护材料及镀锌铁皮，钛合金不绣钢管装饰。采用镦头锚于拱肋上端和横梁的下缘，吊杆横梁采用预应力混凝土结构。吊杆钢丝均采用现场镦头。原吊杆体系存在以下问题：普通镦头锚抗动荷载以及耐疲劳性差，而且下吊点镦头无法检查；横梁内吊索及连接件也无法检查；国内相同吊索的病害发生案例较多。

原桥通车已12年左右，据统计目前国内拱桥吊杆的破断寿命约10年左右，本桥部分吊杆钢丝存在轻微的腐蚀损伤，吊杆下锚头钢棒螺母、钢棒螺纹存在不同程度的锈蚀，对结构使用存在较大的安全隐患，且吊杆疲劳可靠度指标出现降低的趋势，使用寿命将大为缩短。考虑到结构使用的安全性及耐久性，因此拟全部更换吊杆。新的吊杆结构下端采用外露的销接式构造以便于检查。

2.吊杆型式确定

本次设计推荐采用钢绞线整束挤压吊杆，全桥吊杆共计34根。吊杆索体采用1860MPa级、φ15.2mm2环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后外挤HDPE。

钢绞线整束挤压吊杆是采用挤压方式锚固钢绞线，具有锚固可靠，张拉调索方便，尤其是锚头结构尺寸小，具有优异的抗疲劳性能和超强的索体防腐性能，适用于作为拱桥的吊杆用成品索。

吊杆上端采用挤压锚，上锚点为张拉端，设置于拱上，下端采用挤压锚与叉耳板螺纹连接的销接式构造。

图11 新吊杆构造图

图12 静力计算模型图

结构验算

1.计算模型

采用Midas Civil建立三维有限元模型模拟桥梁上部结构，分阶段对南门大桥从现状到逐步改造完成并通车运营的整个过程进行模拟。模型中,采用桁架单元模拟吊杆,板单元模拟桥面板,弹簧单元模拟支座,梁单元模拟其余构件。

2.受力分析

改造前后拱肋关键截面受力对比如表1。从表1中可知，改造后拱肋受力有了明显改善。

改造过程中对6个工况关键截面内力和变形进行了分析。原桥道系拆除及新桥道系安装施工各阶段拱肋各截面承载能力均能满足规范要求，除拱脚区域外，拱肋均为全截面受压，拱脚为整个施工过程中的受力控制截面。

成桥后，拱肋承载力、拱肋刚度满足有关规范要求。在荷载标准值组合下，钢格子梁应力分布较为均匀，钢横梁与次纵梁应力水平较高，其余部分应力水平均较小，钢结构最大正应力为135.5MPa，最大剪应力为73.1MPa，纵横钢格子梁各钢构件最大应力均小于规范容许值。

吊杆在最不利荷载工况下安全系数最小为3（短吊杆处），均大于规范容许值2.5。

恒载作用下，原桥主跨桥道系中每延米重量为323.5KN，改造后每延米重量为195.3KN，自重减轻39.6%。

3.吊杆失效情况下结构安全性分析

分别考虑32#吊杆（短吊杆）、96#吊杆（跨中吊杆）意外失效两种工况进行计算。分析时偏于安全地考虑活载均按最不利布置。计算结果表明：吊杆意外失效后，结构安全性仍能得到保证。

①32#吊杆失效情况下结构安全性分析

a.钢主梁承载能力

32#吊杆失效时，纵梁最大拉压应力均小于规范容许值210MPa。钢梁剪应力最大为90.2MPa，小于规范120MPa的要求。

b.桥面系挠度

桥面系在原32#吊杆下吊点位置出现局部下挠，失效后下挠约39.4mm；门架区域相邻段出现局部上挠，失效后上挠约30mm。下挠值在规范容许范围内。

c.剩余吊杆受力

32#吊杆失效时，40#吊杆的内力明显增大，各剩余吊杆的安全系数均大于3.0，吊杆仍有足够安全储备，通过临时中断交通、快速更换吊杆及时消除安全隐患。

②96#吊杆失效情况下结构安全性分析

a.钢主梁承载能力

96#吊杆失效时，纵梁最大拉压应力均小于规范容许值210 MPa。钢梁剪应力最大为81.9MPa，小于规范120MPa的要求。

b.桥面系挠度

96#吊杆失效时，纵梁在原96#吊杆下吊点位置出现明显下挠，失效后下挠约97mm，下挠值在规范容许范围内。

c.剩余吊杆受力

96#吊杆失效时，88#吊杆的内力明显增大，各剩余吊杆的安全系数均大于3.0，吊杆仍有足够安全储备，通过临时中断交通、快速更换吊杆及时消除安全隐患。

4.动力计算与稳定计算

①动力特性分析表明结构刚度满足规范要求,如表12。

②桥梁整体弹性稳定系数均大于4.0，满足规范要求，如表13。

总体施工方案

悬吊区域桥道系改造

1.从跨中向两端对称拆除桥面铺装、人行道护栏及挑梁等桥面附属设施。

图13 拱下桥道系改造施工工艺流程图

2.每侧两块空心板采用汽车吊运从端横梁向跨中逐跨拆除，每跨先拆边板再拆次边板。

3.采用条带法从跨中向两侧拆除剩余6块空心板，按照横梁最大偏载不超过2块空心板的原则，采用双导梁对称吊运拆除。

图14 双导梁横断面布置

4.悬吊区域拱下钢格子梁和桥面板安装。每完成一孔桥面板拆除后进行横梁和吊杆拆除，拱上设置滑车组吊点卷扬机起吊吊装原横梁，最大吊装重量按照60t控制，通过船运至指定地点处理。同步从跨中往两侧进行新吊杆安装和钢结构及桥面板吊装，钢格子梁、人行道及非机动车道钢构件和预制桥面板拼装成吊装单元，船舶运输至桥下，拱上滑车组吊点卷扬机起吊吊装，最大吊装重量按照150t控制。在每个拱肋吊杆上锚点附近设置吊点位置，用56工字钢等型材制作吊点扁担梁，安放在原拱上吊杆平台上，两端横向挑出拱肋，在两端通过吊带销接连接滑车组，卷扬机布设在桥台处。

门架立柱区域桥道系改造

图15 拱上桥道系改造施工工艺流程图

1.空心板拆除

从24#（24#’）横梁向边跨用汽车吊逐跨对称拆除每侧两块空心板；用双导梁拆除中间六块空心板。

2.门架立柱区域拱上钢格子梁和桥面板安装

0#～16#门架每跨钢格子梁均在靠引桥侧单件吊装至拼装平台，然后纵向滑移至设计位置，完成格子梁间连接后，整体顶升，拆除滑道，落梁就位。

16#～32#门架间钢格子梁在拼装平台上拼装就位，纵移至设计位置，采用靠江侧的拱上吊点和靠岸侧吊车抬吊落位。

图16 门架区域钢格子梁安装布置图

全桥加固维修改造总工期11个月。南门大桥加固维修改造采用纵横钢格子梁连续组合桥道系和外露销接式构造新吊杆，钢结构工厂制作，现场采用在拱肋上设置吊点吊装，节段间采用螺栓连接安装，施工工期短，结构强度、变形、稳定性能均能满足规范要求，又满足了景观要求，对同类型桥梁加固维修改造具有重要借鉴意义。

本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志

2019年 第2期 总第6期

作者 / 卢小锋

作者单位 / 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院

编辑 / 陈晖

美编 / 赵雯

责编 / 陈晨

审校 / 盛超 廖玲

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