宁波招宝山大桥主桥局部拆除重建方案研究(精).doc

文章编号:1003-4722(200103-0001-07宁波招宝山大桥主桥局部拆除重建方案研究吕忠达1,秦顺全2,朱华民3,孟庆标3(1.宁波兴业大桥有限公司,浙江宁波315801;2.中铁大桥局集团有限公司,湖北武汉430050;3.中铁大桥勘测设计院,湖北武汉430050摘要:介绍了宁波招宝山大桥主桥主梁压溃事故后,永久性处置方案研究过程中各种方案的研究情况和永久性处置方案的形成过程。关键词:斜拉桥;预应力混凝土梁;拆除;桥梁加固;桥梁改建;方案比较中图分类号:U445.6;U445.7+2文献标识码:AR esearch on the Project of P artial 2dism antling and R ehabilitationof the Main B ridge of Zhaobaoshan B ridge in NingboLU Zhong 2da 1,QIN Shun 2quan 2,ZHU Hua 2min 3,M EN Qing 2biao 3(1.Ningbo X ingye Major Bridge C o.,Ltd.,Ningbo 315801,China ;2.China Zhongtie Major Bridge Engineering G roup C o.,Ltd.,Wuhan 430050,China ;3.China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance and Design Institute ,Wuhan 430050,China Abstract :The conditions of the researches on various alternative designs for the permanent treatment after the occurrence of the accident of buckling of the main girder of the main bridge are described.The formation process of the design project for the permanent treatment is introduced.K ey w ords :cable 2stayed bridge ;prestressed concrete girder ;disassembling ;bridge reinforcement ;bridge reconstruction ;project com paris on 收稿日期:2001-03-09作者简介:吕忠达(1963-,男,高级工程师,1983年毕业于长安大学工程力学专业,工学学士,1987年毕业于上海理工大学振动专业,工学硕士。1概述宁波招宝山大桥位于宁波市甬江入海口,其主桥为带有协作体系的双索面预应力混凝土独塔斜拉桥,主跨258m ,跨度布置自招宝山到金鸡山为:74.5m +258m +102m +83m +49.5m ,总长567m ,桥面宽29.5m ,主跨分25个节段采用牵索挂篮施工,见图1。大桥于1998年9月24日在主梁悬浇至23号块时,发生压溃断裂事故,主梁16号块位置底板、直腹板和斜腹板被压溃。有关部门对事故原因进行了调查分析,在基本查清主梁断裂原因的基础上,建桥各方围绕断口局部加固方案进行了深入的研究和探讨。鉴于许多影响方案实施的难点和疑点在经过长时间的研究后仍拿不出好的解决方法,为拓宽思路,开始同步进行主梁局部拆除重建方案的研究工作。为研究事故的永久性处置对策,恢复原结构的使用功能,宁波兴业大桥有限公司委托大桥局勘测设计院进行“宁波招宝山大桥主桥局部拆除重建方案的研究”工作。在局部拆除重建总体方案确定后,原设计单位也参加了重建方案的研究。鉴于大桥永久性修复方案面临较多的不确定因素而难以制定,加上在主梁断裂后,结构状态不断恶化,为防止台风侵袭等不利因素造成更大的损失,在大桥断口局部加固方案和局部拆除重建方案研究的同时,业主在1998年12月底作出了拆除23号块卸载保桥的决定。修复加固方案和局部拆除重建方案研究完成后,经专家论证和咨询机构复核,认为:断口局部加固修复方案不确定因素较多,一些关键性施工工艺难以解决,施工安全和永久性安全缺乏保证。而局部拆除重建方案充分考虑了主梁压溃破坏对结构造 成的严重影响,避免了将无法探明的损伤情况带入运营阶段,确保结构的安全性,方案比较安全、可靠、可操作性强。根据“立足大桥的长远质量和安全,确保原设计的使用功能和使用寿命的思路”,业主于1999年4月确定了主梁局部拆除加固重建的总体方案 。图1主桥总体布置2原设计情况2.1原设计的技术标准(1桥面布置全桥桥面宽29.5m,桥面布置如下:1.5m(隔离带+11.25m(车行道+ 4.0m(灰管区+11.25m(车行道+1.5m(隔离带。(2荷载标准活载:汽超20级,挂车120。风载:基本风压800Pa,最大风压1200Pa。地震荷载:基本烈度6度,验算烈度7度。电厂排灰管荷载:273mm钢管共8根,6根运行,2根备用。每根灰管运行时重2.176kN/m,停运时1.676kN/m。自来水管荷载:800mm共2根,每根重5.6kN/m。(3通航标准航道等级:5000吨级;通航净空:32m;通航宽度:200m(要求桥跨不少于250m。(4线形标准线形等级:城市快速路;纵坡:主桥3%,竖曲线半径R=6145m;横坡:1.5%。2.2原设计主梁断面形式主梁截面分为标准截面、非标准截面和过渡截面。2.2.1标准截面标准截面为单室双箱开口箱形截面,梁高(桥轴处2.5m,宽29.5m,设双向1.5%横坡,顶板厚22cm,斜腹板厚18cm,底板厚18cm,竖腹板厚25cm。每4m设1道横隔梁,横隔梁宽25cm。主梁的纵向和斜向采用32高强度精轧螺纹钢筋,横向在每个横梁上配置了2束19股的钢绞线。采用标准截面的梁段为18号块至18号块,见图2 。图2标准截面2.2.2非标准截面(1带斜腹板的双室双箱截面,采用此截面形式的梁段为19号块至25号块和20号块至25号墩间,见图3。(2协作体系的招宝山侧的连续梁采用变截面直腹板双室双箱截面,截面梁高由5.0m渐变到2.5m,见图4。2.2.3过渡截面从标准截面到双室双箱之间设置了过渡截面,即底板由单室渐变到双室。主跨跨中合龙段由斜腹板双室双箱截面过渡到直腹板双室双箱截面。 图3 斜腹板双箱双室截面图4直腹板双箱双室截面2.3索、塔布置(1主塔为钢筋混凝土结构,混凝土C50,主塔高148.4m ,塔柱截面为矩形八面体箱形断面,塔顶截面尺寸5m 6.5m ,塔底7m 10m 。(2斜拉索采用双索面扇形布置,梁上标准索距为8.0m ,塔上2.0m ,塔两侧各25对斜拉索,主塔位置设0号索,全桥共102根斜拉索,斜拉索采用7mm 高强度低松弛钢丝和PE 挤压护套的平行钢丝束,钢丝强度R by =1670MPa ,最大索为301丝,最小索109丝,锚具为冷铸锚。塔上C1C5,C1C5直接锚固在塔壁上,C0索直接锚固在主塔上的横梁上,其他各索锚固在主塔内锚固钢横梁上。3局部拆除方案研究3.1对原结构的研究为了对局部拆除重建工程提供科学依据,制定安全可靠,切实可行的方案,必须对原结构进行认真系统地研究,包括原结构施工及运营中结构各阶段各部份的受力状况、全桥刚度情况、结构安全储备、构造细节处理等进行全面系统地分析。经审阅原结构设计图纸、变更设计图纸及对原结构安装、成桥两个阶段的计算,基本上查清了原结构中存在的问题,为局部拆除加固重建设计奠定了基础。3.2局部拆除可行性研究3.2.1拆除阶段计算模型的建立首先对原结构及架设过程进行认真的研究,模拟原监控计算过程,按原设计所给的索力及施工控制过程一步一步安装到23号块混凝土浇灌完毕状态。在模拟该桥安装过程中,发现从安装11号块开始,主梁前端的竖向位移很大,至浇注完23号块,梁端竖向计算位移高达2.0m ,主梁15号17号块底板平面计算应力超过24.0MPa 。通过对结构安装过程和结构现状分析,利用“斜拉结构软件系统SC DS 程序”模拟原结构主梁安装架设,16号块处主梁压溃破坏和断口加固的全过程,建立了局部拆除初始计算模型。3.2.2局部拆除的目标(1确保主梁拆除过程结构安全。由于结构破坏严重,状态难以掌握,任何不慎都可能导致桥毁人亡的严重后果。(2主梁能保留的部分,尽量保留,前提是经过加固,保留部分满足永久结构强度和耐久性要求。(3制定局部拆除方案,必须考虑原有斜拉索的利用,以减少经济损失。3.2.3局部拆除的控制原则在整个拆除过程中以断口补强底板处应力变化(断裂后加固补强底板零应力为初始值是否超限(断口应力控制在-1.01.0MPa 和全桥索力、线形、应力的测试结果来判断结构是否处于安全状态。应力变化幅值通过控制索力调整、卸载吨位(荷载变化、支架支顶的位置及时机和反力大小来控制。在拆除过程中为防止结构出现大的扰动,原则上只允许对称调整最前端两对斜拉索。块件拆除利用原有的悬浇牵索挂篮,块件凿除分块前,必须先进行结构体系转换,把主跨悬臂最外端一根斜拉索转换成牵索锚固于挂篮之上。由于牵索挂篮本身结构受力的限制,锚固于挂篮上的牵索最大索力不能超过3000kN ,所以结构体系转换前必须将最外索的索力调整至3000kN 以下。出于控制主梁受力特别是断口处底板应力的考虑,在放松最外侧斜拉索的同时,必须同步张拉近临的第二对斜拉索。3.2.4拆除的可行性研究计算在拆除起始点的基础上,从23号块起按每块4个大的步骤模拟拆除到15号块(14号块保留。在整个拆除模拟过程中,为防止83m 锚跨主梁上下缘应力过大而出现裂纹,对83m 锚跨的支架的位置和支架支顶的时机反复试算以确定最佳位置和时机。局部拆除主梁控制计算结果表明:在拆除主梁的过程中断口的应力变化、主梁上下缘的应力都未超限,各支架的支反力均可控制在2000kN 以内。同时通过调整临时支架支顶反力、斜拉索索力和控制桥上临时荷载等措施,主梁局部拆除过程中不会对结构产生大的影响,既有结构保留部分不会产生新的缺陷,局部拆除方案是可行的。4重建方案研究4.1重建方案设计原则重建设计方案基于确保桥梁结构功能、外观、使用寿命“三不变”的原则,并兼顾经济性与合理性相结合而制定。局部重建方案遵循以下设计原则:(1满足原桥梁结构的使用功能,符合原设计技术标准。(2确保重建结构和保留结构在施工及运营中安全可靠。(3重建结构满足设计耐久性要求。(4对原结构可利用的部分尽量保留,以减少经济损失。(5重建结构的外观与保留结构的外观保持一致。(6对保留结构存在构造缺陷之处通过采取加固措施和改善结构受力状况进行处理。4.2重建方案研究基于上述设计原则,考虑到原设计的结构形式和结构现状,对局部重建工程主梁考虑采用预应力混凝土结构、钢箱梁结构、结合梁结构三种结构形式进行比选研究。4.2.1钢箱梁方案钢箱梁每延米重13.9t ,由于保留结构混凝土箱梁每延米重42t ,因此必须在83m 锚跨增设1个辅助墩,主桥跨度布置为74.5m +258m +102m +40.5m +42.5m +49.5m 。23号墩改造成拉压支座,新增辅助墩设置抗压支座,其它各墩支座布置同原设计,其总体布置见图5。主梁从16号块至25号块采用钢箱梁,15号块为现浇混凝土箱梁过渡段,招宝山侧21号墩悬浇3m 段为混凝土过渡段。钢箱梁梁高2.5m (桥中线,横桥向设1.5%横坡,外形与原结构保持一致。钢箱梁的顶板、底板,直腹板及斜腹板板厚12mm ,外腹板板厚24mm ,顶、底板采用U 形加劲肋,板厚8mm ,腹板上采用角钢加劲肋。钢箱梁部分斜拉索锚固间距8m ,锚点与原结构保持一致,每个索距设3道横梁,间距为2.7m +2.6m +2.7m 。横梁腹板板厚12mm ,有索横梁与外腹板相连接处局部加厚至32mm 。钢箱梁的外侧腹板,有索横梁局部加厚腹板及锚箱锚板的材料采用14MnNbq ,其余钢材采用16Mnq 。钢箱梁标准断面见图6。钢箱梁方案主要研究结论:(1由于在主跨跨中部位采用抗拉能力较强的钢结构,重建工程在安装阶段可以在较低的应力状态下进行。(2重建部分采用钢箱梁方案,钢结构的应力水平较低,重建结构本身是可行的。(3重建采用钢箱梁方案,由于重量减轻,主跨保留部分混凝土梁的应力状态得以根本改善。(4由于锚跨处斜拉索索力减小,锚跨跨中下 图5钢箱梁方案 图6钢箱梁方案标准断面 图7结合梁方案缘拉应力加大,范围较广,必须采用体外预应力束。(5招宝山侧协作跨主梁局部范围下缘压应力过大,须对此跨加压重处理。(6由于钢箱梁自重较轻,斜拉索的索力很小,索的应力水平很低,最小应力仅为184.6MPa 。索的换算弹性模量很小,垂度很大,C25索中部垂度达到2.41m ,重建部分斜拉索必须改造。4.2.2结合梁方案结合梁每延米重27.8t ,由于保留结构混凝土箱梁每延米重42t 左右,因此,必须在83m 锚跨增设1个辅助墩,主桥跨度布置为74.5m +258m +102m +40.5m +42.5m +49.5m 。23号墩改造成拉压支座,其他各墩支座布置同原设计。其总体布置见图7。主梁从16号块至25号块采用结合梁,15号块为混凝土过渡段。结合梁梁高2.5m (桥中线,其中结合混凝土板厚22cm ,与保留结构混凝土箱梁顶板板厚保持一致,以保证全桥顶板受力顺畅。钢箱梁梁高2.28m ,横向设1.5%的横坡。钢箱梁顶板、底板、直腹板及斜腹板板厚12mm ,外腹板板厚24mm ,箱梁顶板采用板式加劲肋,底板采用U 形加劲肋,加劲肋板厚8mm ,腹板上采用角钢加劲肋。结合梁部分斜拉索锚固间距8m ,每个索距设3道横梁,间距为2.7m +2.6m +2.7m ,横梁腹板板厚12mm ,有索横梁与外腹板相连处腹板局部加厚至32mm 。钢箱梁的外侧腹板,有索横梁局部加厚腹板及锚箱锚板的材料采用14MnNbq ,其它结构钢材采用16Mnq 。主梁横断面布置见图8。结合板采用钢筋混凝土结构,混凝土C50,采用现浇施工。钢箱梁顶板上焊有直径22mm 的剪力钉,通过剪力钉使混凝土结合板与钢箱梁共同作用。6 桥梁建设 2001 年第 3 期 图8 结合梁断面 结合梁方案主要研究结论 : ( 1 主跨跨中部分主梁采用结合梁 , 其抗正弯 矩能力得到加强 , 同时结合梁的收缩徐变远小于混 凝土梁 ,重建工程可以避免在高负弯矩状态下施工 , 改善了主梁的受力状态 。 ( 2 重建部分采用结合梁 , 钢结构及混凝土结 合板的应力均较小 , 结合板在施工及运营中总体均 不会产生拉应力 ,重建结构本身是可靠的 。 ( 3 结合板只在局部轮压作用下横梁处略有拉 应力 ,范围窄 ,数值很小 , 结合板可以采用钢筋混凝 土结构 。 ( 4 结合梁方案斜拉索应力水平较好 , 换算弹 性模量和垂度与原设计相差不多 , 主梁局部拆除的 斜拉索可以直接利用 。 4. 2. 3 预应力混凝土梁方案 凝土加固重建方案 。与原结构相比较 , 加固重建方 案有以下特点 : ( 1 结构体系调整 。在 22 号墩设水平限位支 座 ,23 号墩改造为拉压支座 , 塔上钢横梁在二恒完 成后予以固定 。 ( 2 保留部分采用在闭口箱室的角隅处增加劲 性骨架混凝土小纵梁加固 。加固范围为河侧 14 号 块至岸侧 20 号块 。直腹板处小纵梁 50 cm 高 、 5 66. cm 宽 ,斜腹板处小纵梁 50 cm 高 、 129 cm 宽 。 45 劲性骨架由二片 28c 组成 , 槽钢上焊接剪力钉 , 加 强与混凝土的连接 。通过采用高配筋率的小纵梁方 案 ,解决了新老混凝土龄期相差很大的技术难题 。 通过工艺试验解决了在强约束条件下 , 加固小纵梁 和斜腹板加厚部分的开裂问题 。 通过一系列的构 造措 施 解 决 了 加 固 结 构 与 保 留 结 构 共 同 受 力 的 问题 。 ( 3 减少双箱双室断面的布置范围 。斜拉桥主 梁剪力较小 ,无需布置双箱双室断面 ,仅为断面过渡 需要 。原 19 号 25 号块为双箱双室断面 , 重建设 计仅 25 号块为双箱双室断面 。由此减少的恒载重 量用以加强重建部分双箱重建部分双箱单室断面 , 使主梁总的恒载水平基本保持不变 。 ( 4 重建结构断面加强 。底板厚度由原结构的 18 cm 增加至 28 cm , 斜腹板厚度由原结构的 18 cm 采用与原设计相同的桥式布置 , 即五跨带协作 体系的独塔斜拉桥 ,主桥跨度布置为 74. 5 m + 258 m + 102 m + 83 m + 49. 5 m 。 对重建主梁 ,采用加厚底板 、 斜腹板和横隔梁厚 度及调整纵向预应力布置等措施 , 同时尽量缩短双 箱双室截面的长度 ,并将原设计无索区的 26 号块 ( 3 m 段 移至招宝山侧 21 号墩连续梁上悬浇 。 对有索区保留的主梁 , 采用在梁体闭口箱室内 加设以劲性骨架为主 , 外包混凝土小纵梁的加固方 式 ,有效地控制有索区保留主梁的应力水平 。为解 决在桥梁运营阶段荷载的横向作用产生斜腹板开裂 的问题 ,对有索区保留结构斜腹板也作了加厚处理 。 5 加固重建方案 增加至 22 cm , 横梁厚度由原结构的 25 cm 增加至 28 cm 。 (5 重建结构构造上改变 。顶板 、 底板 、 腹板和 横隔梁由两层钢筋之间增设拉筋 。 ( 6 优化预应力系统布置 。32 精轧螺纹钢筋 标准强度 R y = 750 MPa ,单根张拉力 N y = 542. 9 kN ; 钢绞线标准强度 R y = 1 860 MPa ,19 孔钢绞线的单 束张拉力 N y = 3 710 kN , 重建设计把原结构同一断 面布置 140 根预应力精轧螺纹钢筋减少为 64 根 。 通过对上述修复方案论证比较和重建方案的多 次深化研究 ,在解决了降低有索区保留结构主梁应 力水平等技术难点后 ,经专家评审和咨询机构复核 , 综合技术和经济等各方面分析 , 决定采用预应力混 宁波招宝山大桥主桥局部拆除重建方案研究 吕忠达 ,秦顺全 ,朱华民 ,孟庆标 7 预应力钢筋的布置仅满足施工阶段梁体的受力需 要 ,运营期主梁内力由体内布置的合龙预应力钢绞 线束来提供 。 ( 7 预应力精轧螺纹钢筋锚固螺母外径 75 mm , 其锚固接长时必须套用 80 mm 的波纹管 , 为减少 装阶段主梁应力水平 。 6 结 语 结构与保留结构共同受力的问题 。 重建节段采用双箱单室断面 , 替代原设计双箱 双室断面 ,减少安装阶段预应力筋数量 ,并加厚原结 构过薄的底板 、 斜腹板和横梁的厚度 ,既提高了结构 的安全度 ,又利用了原有的斜拉索 ,大幅度地降低了 重建工程的造价 ,综合解决了结构的合理性 、 安全性 和经济性问题 。 在重建结构悬浇施工过程中 , 通过多次调索和 优化控制手段 ,使安装阶段负弯矩由原 87 000 kN m 减少到 37 000 kN , 使安装过程主梁应力保持在 m 17. 5 MPa 以内的较低应力水平 , 确保了重建结构悬 精轧螺纹钢筋锚固接长对结构断面的削弱 , 除增加 结构板厚外 ,采用交错锚固接长的方式 。 ( 8 为防止斜腹板在主梁悬浇施工阶段和后期 运营阶段出现开裂 , 斜腹板预应力精轧螺纹钢筋由 原结构的每 8 m 节