摘 要

随着我国陆路运输量的不断增长，各种桥梁维修问题开始大量出现。本文以枝城长江大桥的后期维修加固为研究背景，通过对大桥进行实地考察发现其节点板处的竖直角钢上端与上弦角钢翼缘处存在未磨光顶紧以及托架横梁出现裂缝的病害情况。针对其后期次生病害特点，研究其维修加固后期次生病害发生机理，分析了公路托架上弦角钢开裂途径。对其局部结构进行传力路径分析后，提出了共分为三项措施的维修加固方案。并对本方案进行了计算复核，计算了T型钢板螺栓连接强度，分析了新增设垫板与原节点板螺栓连接的可靠性。绘制出了维修加固方案的CAD施工图。完成了对枝城长江大桥局部结构病害问题的维修加固方案的设计。

关键词：钢桁架桥；维修加固；上弦角钢

Abstract

With the continuous increase of land transportation volume in China, various bridge maintenance problems have begun to appear in large numbers.In this paper, the post-maintenance and reinforcement of Zhicheng Yangtze River Bridge is taken as the research background.Through on-the-spot investigation of the bridge, it was found that there were unpolished tops and cracks in the bracket beam at the upper end of the vertical angle steel at the gusset plate and the upper flange steel flange.According to the characteristics of its secondary secondary diseases, a three-dimensional refined finite element model was established by finite element software to determine its reasonable boundary conditions.The mechanism of secondary disease occurrence in the later stage of maintenance and reinforcement was studied, and the cracking path of the upper angle steel on the road bracket was analyzed.After carrying out the force path analysis of its local structure, a maintenance and reinforcement scheme is proposed which is divided into three measures.The calculation and review of the scheme were carried out, the bolting strength of the T-shaped steel plate was calculated, and the reliability of the bolt connection between the newly added pad and the original gusset plate was analyzed.A CAD construction drawing of the maintenance reinforcement scheme is drawn.The design of the maintenance and reinforcement scheme for the local structural diseases of the Zhicheng Yangtze River Bridge was completed.

Key Words：Steel truss; Repair reinforcement;Upper angle steel

目 录

第1章 绪论 1

1.1 桥梁问题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 桥梁维修加固的主要方法 4

第2章 工程概况 6

2.1 工程背景 6

2.2 维修加固史 7

2.3 维修加固原则 8

2.4 技术标准及设计规范依据 8

2.4.1 技术标准 8

2.4.2 设计依据 8

2.4.3 设计规范 8

2.5 病害情况 9

2.6 病害成因分析 9

2.6.1 有限元建模 10

2.6.2 病害原因 11

第3章 维修加固方案设计 13

3.1 维修方案设计 13

3.2 材料规格 14

3.2.1 钢材 14

3.2.2 螺栓 15

3.2.3 焊接规格 15

3.2.4 焊接材料 15

3.3 维修方案复核计算 15

3.4 维修加固方案设计总结 16

第4章 维修加固方案施工简介 18

4.1 CAD工程绘图 18

4.2 工程施工要求及指导工艺 19

4.2.1 施工流程 19

4.2.2 防腐涂装 19

4.2.3 裂缝封闭 20

4.3 注意事项 20

4.3.1 施工安全保障措施 20

4.3.2 连接施工 20

4.3.3 后期管养 20

第5章 总结 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 桥梁问题背景

钢桁架桥有着节省钢材、减少结构自重、刚度大等优点。因其可以广泛应用于较大高度、大跨径的桥梁的建设的特点，钢桁架桥成为了当前国内外大跨度公铁两用大桥的主要结构形式。其中按照公路、铁路荷载的空间分布，钢桁架桥又可以分为公铁异面（上下层）和公铁同面（同一水平层）两种情况^[1]。

我国的交通运输事业随着近年来中国国力的不断强盛，国民经济的不断提高，基础设施建设不断完善，商业贸易的不断发展而得到了迅猛地发展。桥梁因为在交通运输中起着连接复杂地形，缩短运输线路等重要作用，是交通运输线路的必要组成部分。所以桥梁也在此背景下得以兴建。但在桥梁的设计、施工以及使用过程中，通常会由于结构设计不合理、机械设备不齐全以及外界自然条件因素的影响导致桥梁产生破坏。还有许多大量使用年份久远的桥梁也在面临着严峻的考验，出现了不同程度的病害以及损伤情况。这些情况都会使桥梁无法满足正常的使用要求，使桥梁使用的安全性和适用性受到严重地影响。为了使社会资源得到合理利用，做到对社会资源的合理配置，应对部分老化的桥梁采取相适应的维修加固措施进行处理，保证桥梁使用的安全性、稳定性和适用性。如何预测病害并且减少风险，确保桥梁的结构安全性，利用科学的管养对策保障桥梁理想的服役状态，也成为了桥梁工程届永恒的研究热点。

桥梁维修加固是指通过对存在问题的桥梁进行针对病害的维修和对主要承重部件的补强。从而达到改善桥梁的结构性能，恢复桥梁结构的承载能力，提高桥梁应用的安全性，延长桥梁的使用寿命的目的。桥梁维修加固主要针对三、四类或者使用时间较长的桥梁，是使桥梁满足规定承重力要求和使用功能的有效措施^[2]。

目前，我国有部分建设完成时间距今已有二十年至三十年的桥梁。这些桥梁由于受当时经济技术水平、施工机械设备以及材料等诸多因素影响，具有桥梁设计标准较低、承载能力有限的缺陷。而且在多年的桥梁使用过程中，由于氯离子、酸侵蚀到桥梁内部, 而造成钢筋锈蚀,结构的承载能力也会因此降低^[3]。此外，由于车辆的反复行驶,桥梁的结构安全性也会因此受到外部荷载的一定影响^[4]。由于受到中国的环境因素和自然灾害的影响，中国大部分道路和桥梁都被造成了大大小小的病害问题。因此，桥梁的日常养护成为了亟待解决的问题。但由于一些公路桥梁管理部门只注重桥梁的施工问题，而导致桥梁的使用性能日益下降，从而无法满足交通运输的使用要求。因此，我国有关部门需要对桥梁的日常养护工作进行重视，对因出现病害而导致其承载能力不符合交通运输要求的桥梁及时进行维修和加固从而恢复和提高受损桥梁运行的安全性。

资料表明，我国公铁两用大桥大量采用32m钢桁梁，32m上承钢桁梁有着杆件轻巧架设简易，便于拼装，施工速度快的特点^[5]。与其相对应的公路桥桥面板主要有两种：钢筋混凝土板和正交异性钢桥面板。上世纪80年代以前基本上是钢筋混凝土板桥面系为主，钢筋混凝土板桥面系虽然整体性好、强度高，但却相对笨重、湿接缝容易渗水从而导致钢桁架锈蚀、行车舒适性也欠佳。而正交异性钢桥面板与之相较有着承载能力大、自重轻、施工快和结构美观等优点，这些特点在一定程度上解决了桥梁的自重、承重和跨径之间的矛盾，这使得正交异性钢桥面板目前已经成为大跨径钢桥的首选桥面形式^[6]。但正交异性钢桥面板的缺点在于其顶板部位会直接承受其车辆的循环荷载，而且桥面板也要作为主梁的一部分共同参与受力^[7]。这就导致传力途径变得较为复杂，从而形成局部复杂应力区。这使得钢桥面板及其联接构件在运营一段时间后，易产生疲劳裂纹和螺栓断裂，从而影响桥梁使用的安全性、稳定性和适用性^[8]。

1.2 国内外研究现状

美国以及加拿大的诸多座钢桁架桥从20世纪60年代开始相继出现了程度不同的病害。从美国20个州上交的桥梁病害调查结果可以看出，在这20州内有着超过100座的钢桁架桥出现了裂缝。日本自1989年开始重视起国内钢桁架桥的病害问题，并开始对国内产生裂缝的桥梁进行研究分析以及统计分类。作为世界上最先公开报道其病害问题的钢桁架桥，英国的Seven桥在其建成后的五年后就被检测出了许多的疲劳裂纹^[9]。人们因为这些最早有关于桥梁疲劳裂缝的报道开始了对桥梁问题的日益关注。这些报道中的钢桁架桥的疲劳裂缝病害也为人们日后研究维修加固钢桁架桥的病害问题提供了最早的可以参考的实例。英国运输和道路研究试验所（TRRL：Transport and Road Research Laboratory）通过对桥梁原有构造的抗疲劳性能进行分析，再结合对以上桥梁的裂缝进行维修加固时的实践经验，对比研究出了不同连接构造对加劲肋与横隔板的疲劳性能的影响^[10]。我国的钢桁架桥的建设与设计相较于国外起步较晚，但也因此可以借鉴国外钢桁架桥建设设计以及维修加固的宝贵经验。但是我国对比国外还有着我国自身独特的情况，那就是公路交通运输中车流量大，车辆载重和超载也常有发生。再加上我国也缺乏经过时间检验的适合我国国情的设计规范和设计准则，导致我国国内的部分钢桁架桥也都出现了疲劳裂缝等病害情况。我国朔黄铁路南运河特大桥支座联接构件就曾出现疲劳裂缝破坏，该病害加大了桥跨结构跨中横向加速度、竖向振幅。同时主桁杆件的受力也因此有了显著变化，这就危害到了该桥的行车安全。此外我国1977年通车的虎门大桥，1999年通车的江阴大桥和2000年通车的南京长江二桥等桥梁，也都出现了不同程度的疲劳裂缝。我国采用高强度螺栓作为钢桁梁桥杆件间的连接构件，有时建造一座钢桁梁桥要使用的高强度螺栓甚至要达到上百万颗。而随着桥梁的使用时间不断增长，钢桁梁桥上的高强度螺栓的脱落也开始变为常见情况。例如我国新兖线的长东黄河大桥每年都会发现有高强螺栓断裂以及脱落的现象，这种病害情况对行车安全以及桥梁承载性能均会有不同程度的影响。

目前各国公认的基于现有的对钢桁架桥梁的研究而得出的钢桁架梁桥病害原因如下：(1)负载对桥结构的影响增加，这导致桥结构的动态系数的增加和应力幅度的增加。 疲劳增强，导致结构构件的疲劳，对钢桁架桥的承载能力产生不利影响^[11]。(2)由于年运输量和车辆轴重随着经济发展不断增加从而使得钢桁梁的各个杆件其应力幅和循环次数逐年提高。这容易造成杆件切口处出现张开型裂纹或连接部件出现撕开型裂纹^[12]。(3)钢桁梁桥由于使用年份增加。例如杆件锈蚀、油漆剥落、螺栓松动、断裂等问题不断出现^[13]。这会导致截面损失、应力集中等现象的发生，并降低结构的承载能力^[14]。美国土木工程协会（ASCE）在早些时间结合对之前许多桥梁的疲劳裂缝的维修经验提出了能够有效分析钢梁疲劳与病害的方法。国内外现有钢结构设计规范均考虑了常见疲劳开裂等病害防治，如英国规范 BS5400、欧洲规范 EUROCODE 3和美国规范 AASHTO LRFD等^[15]。我国《铁路桥梁钢结构设计规范》、《公路钢结构桥梁设计规范》和中国工程建设标准化协会组织《钢结构设计规范》中，最近还有有一些关于钢桁梁桥抗疲劳设计的规定^[16]。例如，对于在桥中具有拉伸或拉伸应力的部件，需要在设计时计算耐疲劳性测试; 对于矫形钢桥桥，需要分别检查整个桥梁和桥板的疲劳性能。

在机理研究方面，国内外学者和学术组织主要关注钢梁的成因分析，评估钢梁的承载力，预测梁的剩余寿命，钢梁治疗疾病的方法。他们在这方面的成果也十分惊人，其成果如下。系统的研究了开口肋构造的桥面板抗疲劳性能。研究了铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估方法。分析了铁路正交异性桥面上承钢桁梁典型病害分析及加固方法。对重载运输下大跨度钢桁梁桥进行病害分析及试验研究。得出了公路钢桥精细化抗疲劳设计方法，疲劳裂纹扩展行为的跨尺度分析方法。对摩擦型多排高强度螺栓连接进行了分析。研究了摩擦型连接高强螺栓节点的疲劳性能分析。系统地研究了钢桁梁桥高强螺栓连接的传力性能。提出了钢结构中高强螺栓连接的数值模拟方法。提出了钢桁架梁桥的结构安全快速评估方法。针对现有钢桁架铁路桥梁进行了介绍和安全评估^[17]。

对于已经加固后的桥梁，运用老桥的评估方式对加固后桥梁进行评估显然不尽合理。同时由于加固维修，桥梁结构的受力体系及响应将会发生变化，重新对结构的受力状况进行分析。因此，有必要提出一种后加评估理论体系，可以应用于加固后的桥梁，便于清楚地了解加固后桥梁的技术状况。2003年，Kei Kawamum和Ayaho Miyamoto建立了一个专家系统来评估桥梁的工作条件。该系统基于明确的测试和规范评估桥梁的工作条件，并通过人工神经网络中的反向传输进行模糊推理。C.W.Liu和L.MT等人还研究和讨论桥梁的耐久性和安全性^[8]。

中国在加固后评估桥梁技术状况的研究起步较晚。随着桥梁数量的增加，许多学者开始研究和讨论加固后桥梁的评估。2004年，徐悦和吴同乐在评估钢筋后，总结了综合概念，功能，内容体系和理论方法，并根据技术和效率提出了有效的钢筋评估，加固后桥梁的影响和连续性。讨论了计算经济效益和经济使用寿命的剩余方法，并建立了对成功程度的全面评估^[19]。桥梁维修加固决策及加固后可靠性的提高因为对桥梁安全性能的重要影响也开始倍受关注。虽然在桥梁结构加固后可靠度方面已有初步研究。但是在加固后如何得知桥梁加固效果成为了新的问题。所以我们要拥有一套可以有效得知桥梁加固效果的可靠度理论和方法进行对加固后的桥梁进行评估。因此我们需要对加固桥梁的可靠性分析和评估这一问题进行深入的研究。2004年，孙晓燕等通过对经验理论和可靠性的分析，提出了钢筋混凝土矩形构件计算模式不确定系数的参数。轴承弯曲和钢筋加固为加固后桥梁的可靠性分析提供了理论依据^[20]。2009年，廖碧海等人提出评估柳工桥在加固前后可靠性的可靠性，并提供长期可靠性来预测拱桥的使用寿命，以及综合评估拱桥加固后的工况和加固效果^[21]。2010年，贺拴、闫磊等人基于对CFRP加固和钢板加固两种加固方式下的构件使用性能和可靠度评定方面的研究，分析比较采用此两种方法加固的构件可靠度评定的差异。段成晓介绍了表面响应法计算钢筋混凝土桥梁时变可靠度指标，并分析了桥梁的可靠性和加固效率^[22]。

毛杰和张建仁以钢筋混凝土桥梁50年为例，分析了钢筋和碳纤维在加固和加固过程中的可靠性，并判断其优缺点。以此来评估两种强化方法。孙晓燕和黄成玉利用实际测试数据修改抗力模型，计算现有钢筋混凝土桥梁的时变可靠性。同时，对不同维护的车辆载荷和可靠性随时间的变化以及下一个维修阶段的加固措施进行了比较和分析。基于现有桥梁的时变可靠性和预期使用时间的最大期望值，将讨论现有桥梁的维护和加固决策。李聪和严建成选择随机预测方法，通过分析常用的预测使用寿命的方法来预测结构的其余部分。这样，给出了可靠性的概念和计算可靠性指标的方法。通过比较不同方法的优缺点，通过JC方法计算结构可靠性指标。在现有结构可靠性分析的基础上，提出了加固后的桥梁特定阻力概率模型，并通过分析收集了阻力统计参数。最后，在此基础上，提出了剩余使用寿命预测的基本计算过程和评估的基本过程。通过对具体技术案例的分析，进一步解释了评估结构剩余使用寿命的具体程序和方法^[23]。

综上所述，虽然国内外对钢桁架梁桥病害及桥梁维修加固后评估做了大量的研究，但针对公铁两用大桥的维修加固后期病害成因及风险预测比较缺乏，利用光线传感和无人机辅助系统对加固后桥梁进行监测也尚无文献报道。

1.3 桥梁维修加固的主要方法

目前国内外在进行桥梁维修加固时都会根据桥梁实体质量、气候状况及受损程度进行综合分析和考虑。其对桥梁维修加固的主要方法包括：

1. 桥面补强层加固法。该功能的主要部分是桥梁的顶梁。建筑物的具体步骤是：首先移除原桥面板的混凝土并给清洁部件浇水。之后，将钢架系在一起并连接到原桥上，在捆绑钢架的过程中需要注意形成一个统一的桥身。最后，倾倒桥面板的混凝土。混凝土的强度水平不得低于原桥面板混凝土的强度等级。桥面补强层加固方法可以增加原桥梁的有效高度，提高抗压强度，有利于侧向荷载的更好分散，提高桥梁的承载力^[24]。
2. 外包混凝土加固法。主要目的是加强桥梁，支柱和桥梁基础的外部和加固，从而增加部件的强度，刚度和稳定性。外包混凝土加固法可以有效减小桥梁的裂缝宽度, 但其会增加桥梁的整体重量^[25]。
3. 钢板粘贴加固法。桥梁修复和加固主要解决桥梁张力问题。通过使用特殊的粘合剂将钢板连接到桥梁的拉伸部分，提高了桥梁的抗拉强度，承载能力和耐久性。钢板的加固方法具有不破坏原有结构，施工简便，成本高，效率高的特点^[26]。
4. 喷锚混凝土加固法。通过钢筋混凝土锚固修复和加固桥梁必须首先澄清钢筋的位置，将钢筋锚固件植入到加固和安装钢筋网的位置。捆扎金属丝网后，混凝土喷涂，混凝土凝固后，与原有结构和载荷分担形成统一的整体。混凝土施工方法可以使新浇筑的混凝土和混凝土最初更加致密，这显着提高了桥梁的完整性^[27]。
5. 结构受力体系加固法。桥梁结构中的支承构件是主要的维护和加固对象，通过减小构件结构的内应力来改变桥梁结构的应力结构，从而提高阻力和桥梁结构的力量。当采用加强结构应力系统的方法修复和加固拱桥时，必须通过转换系统分散负荷的方法将单穹顶应力状态转换为多穹窿力模式。常用的结构加固加固系统包括：简支梁架转换梁，拱桥下的钢梁和梁简单支撑^[28]。
6. 体外预应力加固法。钢筋主要连接，钢筋通过锚固和预应力连接，施加力，从而改变原桥结构的内应力。外应力加固方法可以显着提高桥梁结构的承载力，减少桥梁结构的应力变形和裂缝宽度^[29]。

第2章 工程概况

2.1 工程背景

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