福州解放大桥维护加固设计说明 精品.docx
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福州解放大桥维护加固设计说明精品
解放大桥吊杆更换大修工程初步设计说明
1概述
福州解放大桥是连接福州繁华商贸中心台江与文化区仓山的重要城市桥梁。
大桥由万寿桥、中洲路堤和江南桥三部分组成。
其中万寿桥是最主要的部分，其结构型式为61米+61米+80米+61米+61米五联跨钢管砼中承式肋拱桥。
61米跨拱桥的矢跨比为1/5，80米跨拱桥的矢跨比为1/4，拱肋采用“哑铃形”等截面钢管砼。
61米跨拱桥的主拱圈由两根d＝0.75m钢管组合而成，拱肋高度为1.8m。
80米跨拱桥的主拱圈由两根d=0.8m钢管组合而成，拱肋高度1.9m。
大桥由福州市城乡规划设计院设计，铁道部大桥局第二工程处承建，福州市建设工程监理公司监理。
该桥于1995年8月13日正式动工，全桥于1996年10月1日竣工通车。
图1-1解放大桥
目前，解放大桥的交通流组成除了有小型机动车、公交车、自行车和行人外，仍有相当数量的货车和工程车通行。
1996年建成的解放大桥—钢管混凝土拱桥是当时一种较新的桥型结构，由于当时技术水平的限制，吊杆的防腐措施尚不完善，据2001年至2008年对解放大桥进行吊杆锈蚀检测的结果表明解放大桥吊杆腐蚀有加重的趋势。
2008年7月31日，福州市市政工程管理处邀请有关专家在福州市举行了解放大桥吊杆更换论证会，与会专家在听取了福州市市政工程管理处所做的福州解放大桥维护工作报告并经过详细讨论后认为解放大桥的吊杆存在因腐蚀而断裂的隐患，建议尽快实施吊杆的更换。
1.1任务依据
（1）与项目业主福州市市政工程管理处签订的《解放大桥吊杆更换大修工程设计合同》；
（2）业主提供的《解放大桥桥梁普查报告》2008
（3）业主提供的《解放大桥吊杆更换论证会专家意见》2008.7
1.2技术标准及设计规范
根据合同，加固设计以维持桥梁原有设计要求和荷载标准为基本原则。
1.2.1技术标准
（1）设计荷载：
汽-10级，履带-50级，人群3.5kN/m2。
（2）桥面宽:
9.0m（行车道）+2×1.0m（拱肋、吊杆）+2×1.5m（人行道）。
1.2.2设计规范
（1）《公路桥涵设计通用规范》JTJ021—89
（2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTJD23—85
（3）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ025-86
（4）《悬索桥预制主缆丝股技术条件》JT/T39599
（5）《公路工程技术标准》JTJ01-88
（6）《公路斜拉桥设计细则》JTG/TD65-01-2007
（7）《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》GB/T18365-2001
（8）《城市桥梁养护技术规范》CJJ99-2003
（9）《钢结构加固技术规范》CECS77-96
2解放大桥的检查情况综述
市政设施管理部门曾分别于2001年和2008年两次委托有关单位对解放大桥进行检查。
2.12001年检查结果
2001年11月福建省公路工程试验检测中心对解放大桥进行检查后，对桥梁结构的技术状况做出如下评价：
中洲与台江前墙出现竖向裂缝，中洲台最大裂缝宽0.8～1.0mm，台江台最大裂缝宽0.26mm，且局部砌体开裂，基础出现局部冲蚀；行车道板局部露筋；栏杆出现下挠现象，钢管拱与人行道缸砖受推挤开裂、拱起。
两桥台背有不均匀下沉现象，桥头跳车现象明显；钢管砼存在空击声，局部钢管锈蚀；锚具浸水，镦头、镦头锚与外螺母出现锈蚀；吊杆高强碳素钢丝局部生锈；拱座与镦交接面由于应力集中，局部砼开裂；吊杆与不锈钢管之间存在浸水空隙；局部PE保护套划伤，高强镀锌碳素钢丝外纤维增强聚脂带划伤，局部PE套开裂；钢管焊缝存在错边、夹渣等缺陷。
2.22008年检查结果
2008年7月～10月，福州市政工程管理处委托福州大学结构工程研究所对解放大桥进行检查，检查结论如下：
（1）横梁：
大部分横梁竖向裂缝较多，大部分裂缝长度约10～40cm之间，宽度约0.06～0.2mm之间。
有部分裂缝贯穿横梁侧面，并延伸到底部。
将置于横梁上方的预制板从上游到下游编号为1#到13#，则横梁裂缝在3#至11#预制板下方较多，尤其在中部。
而1#、2＃、12#、13#基本没有。
部分横梁出现蜂窝麻面，混凝土块脱落。
横梁典型病害如图2-1～图2-4。
图2-17号横梁裂缝示意图
图2-27号横梁裂缝照片
图2-310号横梁病害示意图
图2-410号横梁病害照片
（2）预制板：
预制板跨中有较多细微横向裂缝，裂缝长度较长。
靠近台山区预制板裂缝明显比靠近仓山区多。
预制板典型病害见图2-5～图2-8。
图2-517#与18#横梁间预制板裂缝示意图
图2-617#与18#横梁间预制板裂缝局部照片
图2-748#与49#横梁间预制板裂缝示意图
图2-848#与49#横梁间预制板裂缝局部照片
（3）吊杆：
除30#横梁上的吊杆锚头出现腐蚀现象（见图2-9）外，其余吊杆锚头部分外表面基本完好，没有出现锈蚀（见图2-10），内部需进一步打开锚头检查。
图2-9出现锈蚀的锚头
图2-10未出现锈蚀的锚头
（4）桥墩拱脚：
拱脚部分基本完好，没有出现锈蚀，见图2-11。
图2-11拱脚现状照片
（5）支座：
预制板的支座部分有脱空现象，个别甚至可以把橡胶支座取出来，图2-12。
图2-12部分预制板支座脱空
（6）解放大桥各横梁混凝土实测强度为27.6～56.4MPa之间，见表2-1；预制板实测强度为45.7～57.5MPa之间，见表2-2。
（7）解放大桥主要受力构件受力正常，但由于无法检查吊杆内部情况，应根据吊杆实际使用情况采取相应措施。
表2-1解放大桥横梁混凝土强度测定结果（MPa）
表2-2解放大桥预制行车道板混凝土强度测定结果（MPa）
福州大学结构工程研究所对解放大桥进行检查后提出了以下建议：
（1）对混凝土梁的裂缝进行封闭处理，防止钢筋进一步锈蚀和混凝土锈涨开裂，影响桥梁安全使用和耐久性能。
（2）加强桥面、吊杆、支座、锚头等的养护管理，保持桥面清洁卫生，保持交通标志醒目清晰。
（3）进一步进行动力荷载试验以验证桥梁的性能。
（4）为了保证桥梁的安全使用，加强该桥的定期观测。
3解放大桥吊杆更换大修工程设计
根据设计合同并参考《解放大桥桥梁普查报告》和《解放大桥吊杆更换论证会专家意见》2008.7.31，本次设计主要涉及以下内容：
吊杆更换方案设计；
增设纵梁方案的分析论证；
涂料翻新；
裂缝修补。
吊杆健康监测系统设计
3.1吊杆更换设计
吊杆更换设计主要包括新吊杆的选择以及施工方案设计等内容。
3.1.1新吊杆的选择
解放大桥现采用的吊杆为84Φ5平行钢丝墩头锚吊杆，该吊杆上、下锚头处的构造见图3-1和3-2。
图3-1旧吊杆上锚头构造图3-2旧吊杆下锚头构造
本次设计拟采用钢铰线整束挤压式成品吊杆，该类吊杆的索体截面和锚具结构分别如图3-3和3-4所示：
图3-3钢铰线吊杆截面
图3-4整束挤压吊杆锚具结构示意图
钢铰线整束挤压式成品吊杆具有以下特点：
（1）钢铰线在两端锚具和索体内均隔离防腐，防腐性能优越，抗振性能好。
（2）钢铰线两端整束挤压锚固，安全可靠、疲劳性能好。
（3）锚头紧凑，外径小有利于整体结构的优化。
美观。
（4）吊杆可以方便的耦合测量长期应变量变化的光纤光栅传感器。
（5）钢铰线比钢丝束具有更高的抗拉强度。
建立空间模型对解放大桥进行了全桥计算分析，结构计算模型如图3-5所示。
图3-5解放大桥结构计算模型
经计算后确定新吊杆采用型号为GJ15-15的钢铰线整束挤压式成品吊杆，其钢铰线束公称截面面积为20.85cm2，比旧吊杆钢丝束公称截面面积（16.49cm2）增加了26.4％，从而使吊杆的安全系数得到了提高。
新吊杆上、下锚头处的构造见图3-6和3-7。
各吊杆的吊杆力、应力等受力参数见表3-1。
图3-6新吊杆上锚头构造图3-7新吊杆下锚头构造
表3-1新吊杆受力参数表
桥跨
吊杆
编号
恒载吊杆力
（kN）
最大吊杆力（kN）
恒载应力
（MPa）
最大应力
（MPa）
应力幅
（MPa）
吊杆安全系数
第
1
跨
1
425
808
203.8
387.5
197.5
4.80
2
399
729
191.2
349.7
165.8
5.32
3
399
730
191.5
350.0
165.1
5.31
4
398
723
191.1
346.6
161.3
5.37
5
399
721
191.2
345.6
159.8
5.38
6
399
720
191.4
345.5
159.2
5.38
7
400
721
191.6
346.0
159.7
5.38
8
389
707
186.5
338.8
158.0
5.49
9
377
694
180.9
332.8
158.4
5.59
10
372
685
178.5
328.7
157.4
5.66
11
486
812
233.1
389.5
166.2
4.78
第
2
跨
12
468
785
224.3
376.7
161.9
4.94
13
354
661
169.9
316.9
154.2
5.87
14
400
734
191.6
352.1
167.7
5.28
15
399
728
191.4
349.0
163.2
5.33
16
399
725
191.2
347.6
161.8
5.35
17
399
724
191.2
347.4
161.5
5.35
18
398
725
190.9
348.0
162.7
5.35
19
397
731
190.3
350.4
166.5
5.31
20
414
757
198.4
363.0
172.4
5.12
21
462
806
221.4
386.8
174.1
4.81
第
3
跨
22
468
812
224.6
389.4
175.2
4.78
23
432
781
207.0
374.6
175.5
4.97
24
426
769
204.2
368.6
171.1
5.05
25
408
731
195.6
350.8
161.0
5.30
26
398
712
191.0
341.3
155.9
5.45
27
399
710
191.3
340.5
154.7
5.46
28
399
710
191.5
340.6
154.4
5.46
29
399
710
191.3
340.7
154.8
5.46
30
398
712
191.1
341.7
156.1
5.44
31
408
733
195.8
351.4
161.4
5.29
32
420
759
201.3
364.2
169.7
5.11
33
417
758
200.0
363.6
171.7
5.11
34
450
790
215.8
378.7
174.0
4.91
第
4
跨
35
384
692
184.4
331.9
158.7
5.60
36
349
651
167.4
312.3
152.2
5.96
37
390
723
187.3
346.7
166.3
5.37
38
400
733
191.6
351.6
165.3
5.29
39
399
731
191.2
350.4
164.3
5.31
40
398
731
191.1
350.6
165.3
5.30
41
385
716
184.8
343.6
165.4
5.41
42
403
743
193.5
356.3
170.5
5.22
43
450
801
215.7
384.4
178.4
4.84
第
5
跨
44
421
751
202.1
360.4
167.6
5.16
45
397
730
190.3
350.1
167.1
5.31
46
399
736
191.2
352.9
168.1
5.27
47
398
729
191.0
349.6
164.1
5.32
48
397
725
190.3
347.9
163.2
5.35
49
396
726
190.0
348.4
163.9
5.34
50
415
763
199.2
366.0
173.5
5.08
51
436
794
209.2
380.7
179.2
4.89
52
417
758
200.1
363.5
171.8
5.12
注:
吊杆编号同《福州市解放大桥重建工程竣工图》,下同
3.1.2施工方案及注意事项
解放大桥更换吊杆采用拱顶提升平台张拉千斤顶抬升横梁的方案，整个施工过程包括旧吊杆拆除、新吊杆安装、张拉调索、防护处理等工序。
单根吊杆更换的简略流程如下：
各工序的具体步骤及注意事项如下：
1.旧吊杆的拆除
（1）吊杆的拆除依据对称的原则，从每拱跨两端向跨中交替逐对拆除，每拆除一对旧吊杆，则相应的换上一对新吊杆，在拆除吊杆的过程中，应时刻监测桥面的标高，如出现较大的变动应立即停工，待查明原因并确定处理方案后方可继续施工。
（2）在横梁处组装桥下工作平台，安装好辅助索提升系统中的梁底托架。
在组装过程中要注意保持两侧平衡，防止横梁产生倾斜。
（3）在拱肋上安装横梁提升系统。
系统拼装完毕后应按设计吨位进行试张拉。
辅助索张拉千斤顶可视更换吊杆的实际施工空间设置在拱顶或桥面处。
施工单位在经过充分验算，保证安全的情况下，可根据自身施工机具特点及施工经验对横梁提升系统进行调整，但应注意锚固件焊接对拱肋钢管的影响。
（4）启动横梁提升系统对横梁进行提升，上下游须同时同步进行提升。
本阶段应综合实测旧吊杆拉力、吊点的高程变化等参数实时对设计张拉拉力进行调整。
横梁的提升应分级缓慢进行，要求实时监测横梁吊点处标高，其上下变化值与相邻吊杆吊点的高差不得超过±5毫米。
施工时可参考表3-1给出的各吊杆的恒载吊杆力并考虑施工机具等荷载，结合现场实测结果确定横梁提升的荷载分级数。
（5）以桥面标高和相邻吊点高差为控制条件，采用多次加载及分批割断旧吊杆钢丝的方式使吊杆力逐步转移到临时兜吊系统上，整个过程须密切监测桥面标高的变化。
（6）吊杆力全部转移到兜吊系统后将旧吊杆完全割断。
（7）凿除封锚混凝土，拆除锚头部件及吊杆钢丝，清理预埋管内的混凝土，并对原锚垫板进行打磨除锈处理。
在施工中须注意不得损伤横梁及拱肋。
（8）如需采用空心钻孔方式取出锚具及锚腔钢丝时，应先与设计方协商钻孔大小及钻取范围。
2.新吊杆的安装
（1）用钢尺现场量出吊杆上、下锚固点的距离，综合考虑设计采用锚具体系的不同要求以及拱肋内斜高的区别，精确计算出各根吊杆实际所需的下料长度。
（2）按实际所需长度对吊杆进行下料并安装锚杯，将新吊杆运输至桥面摊开平放，注意对外PE护套以及锚头螺纹的保护。
（3）将新吊杆由拱肋下方向上穿入预埋管中，吊杆穿出后继续上提，直到方便采用卷扬机或手葫芦将下部吊杆组件从横梁上方穿入横梁预埋管内为止，吊杆穿孔完成后先进行上端锚具安装，上端固定后旋紧下端锚具螺母。
3.张拉调索
（1）依次安装好联接套、张拉杆、撑脚、千斤顶，进行张拉预紧。
（2）张拉吊杆至30MPa后卸压，放松兜吊系统至不受力状态。
放张过程注意上下游吊杆同时同步，在张拉过程中对吊杆力及桥面标高进行双控，要求桥面标高上下位移不得超过设计允许范围（±5毫米）。
（3）根据计算的调整标高值对吊杆再次张拉，将横梁调整到设计标高。
（4）每跨全部吊杆更换完毕后，要求对本跨吊杆进行一次全面的标高和索力的调整。
调整的原则是以标高控制为主，同时要求同拱跨同一编号吊杆上下游索力尽可能一致，索力大小可参考表3-1。
4.防护处理
吊杆更换完成后，开始对吊杆进行防护处理：
（1）安装桥面防水罩以及上、下锚头保护罩；
（2）向吊杆锚杯及上下锚头保护罩内灌防腐油脂；
3.1.3新更换的钢绞线成品吊杆设计要求
1.钢绞线吊杆的设计要求
吊杆钢绞线采用符合GB/T5224-2003标准的高强低松弛钢绞线Φs15.2，其标准抗拉强度fpk=1860MPa；单根钢绞线应满足200万次837MPa～477MPa应力幅疲劳荷载后不断丝的要求；成品吊杆应满足《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》GB/T18365-2001各项指标。
2.钢绞线吊杆锚具的设计要求
钢绞线成品吊杆所采用的锚具应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器应》（GB/T14370-2004）I类锚具的要求，但应注意疲劳实验应力幅要求提高至200MPa；锚固工艺应保证在动载下有可靠的防止松动、滑移的性能；锚具本身以及锚具与索体接头部分应有可靠的防腐措施。
3.钢绞线吊杆HDPE防护层的设计要求
吊杆HDPE护套的颜色征询业主的意见后确定，其物理力学性能及其他各项指标应符合GB/T18365-2001及《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》CJ/T3078-1998的要求。
3.1.4新更换吊杆系统其他设计要点
（1）设计采用吊杆两端均设球铰锚头的方案，以减少吊杆系统摆动约束，增大体系固有频率；与此配合，要求吊杆上、下减震体应采用容许有限弹性变形的材料，既要保证足够强度以隔绝吊杆跟外套钢管又要保证吊杆可稍微整体变形。
（2）在所有吊杆内设置光纤光栅传感器，以长期监测吊杆的应变变化；同时在部分吊杆的锚下设置压力传感器，便于应力监测结果的校核。
（3）将横梁内预埋钢管向上延伸至桥面以上约30厘米，并在此处安装防水罩，以利于防水。
3.2增设纵梁方案的分析论证
2008年7月31日，在福州市举行的解放大桥吊杆更换论证会上，专家组形成统一意见，建议在更换吊杆的同时增设纵梁，以增强桥面系的整体性。
为了了解增设纵梁对结构受力的影响，先通过试算拟定纵梁的截面形式，再通过全桥计算以了解增设纵梁后结构受力的变化情况。
在参考类似工程项目的基础上，结合解放大桥的实际情况以及计算结果，选定I63C型工字钢做为纵梁。
纵梁纵向垂直布置在两横梁之间，并且纵梁横截面对称于吊杆竖向轴线，纵梁布置如图3-8和图3-9所示：
图3-8纵梁设置立面示意
图3-9纵梁与横梁连接示意
建立整桥空间模型对解放大桥进行全桥计算分析，计算时考虑了桥梁的施工过程，本次计算共分为三种计算模型：
模型A:
增设钢纵梁前，以了解桥梁当前的受力状态；
模型B:
增设钢纵梁后，以了解钢纵梁对桥梁结构受力的影响；
模型C:
增设钢纵梁+拆除短吊杆，以考虑短吊杆意外断裂的不利情况；
三种模型的结构离散图（局部）分别见图3-10～图3-12：
计算中考虑的荷载有：
恒载、活载（汽-10、履带50）和整体温变荷载（升温20度、降温25度）、梯度温度荷载（温差20度）和收缩徐变等。
图3-10模型A结构离散图（局部）
图3-11模型B结构离散图（局部）
图3-12模型C结构离散图（局部）
I63C型工字钢纵梁单位重为1.41135kN/m，1#～5#跨新增的钢纵梁重量分别为13.9t、12.6t、17.6t、11.0t和11.6t，全桥钢纵梁总重66.5t。
增设钢纵梁后主拱肋和吊杆受力情况见表3-2～表3-4。
表3-2拱圈钢管应力结果（恒载）
跨号
截面位置
模型A
模型B
增量
上缘（MPa）
下缘（MPa）
上缘（MPa）
下缘（MPa）
上缘（MPa）
下缘（MPa）
1#跨
拱脚
-29.8
-102.8
-30.0
-103.2
0.3
0.4
拱顶
-71.9
-40.0
-72.3
-40.1
0.4
0.1
2#跨
拱脚
-32.3
-96.2
-32.7
-96.4
0.4
0.1
拱顶
-66.0
-45.7
-66.3
-45.8
0.4
0.1
3#跨
拱脚
-28.0
-111.1
-28.5
-111.2
0.6
0.1
拱顶
-73.2
-42.5
-73.6
-42.6
0.4
0.1
4#跨
拱脚
-34.6
-85.7
-35.4
-85.3
0.8
-0.3
拱顶
-68.7
-42.6
-69.2
-42.6
0.4
0.0
5#跨
拱脚
-27.8
-92.1
-28.5
-92.0
0.7
-0.2
拱顶
-73.7
-37.6
-74.1
-37.6
0.5
0.0
注：
应力以压为－，拉为+；下同
表3-3拱圈钢管应力结果（组合）
跨号
截面位置
模型A
模型B
增量
上缘（MPa）
下缘（MPa）
上缘（MPa）
下缘（MPa）
上缘（MPa）
下缘（MPa）
1#跨
拱脚
-98.0
-135.8
-98.0
-135.8
0.1
0.0
拱顶
-122.4
-51.9
-120.2
-51.0
-2.2
-1.0
2#跨
拱脚
-101.8
-130.9
-102.3
-131.2
0.5
0.3
拱顶
-116.8
-60.3
-114.6
-59.5
-2.2
-0.8
3#跨
拱脚
-95.5
-146.4
-95.9
-145.7
0.4
-0.7
拱顶
-122.3
-57.4
-120.3
-56.2
-2.0
-1.2
4#跨
拱脚
-105.2
-120.7
-106.3
-120.8
1.1
0.1
拱顶
-120.4
-57.4
-118.2
-56.6
-2.2
-0.8
5#跨
拱脚
-94.4
-124.8
-95.4
-125.2
1.0
0.4
拱顶
-124.3
-49.4
-122.2
-48.6
-2.1
-0.8
从表3-2和表3-3的应力结果可知，增设钢纵梁后，拱肋钢管的恒载应力增量在1.0MPa以内，组合应力增量在2.0MPa以内。
同时应注意的是原桥拱肋钢管的最大应力已达146.4MPa，超过了A3钢的弯曲容许应力145MPa。
表3-4
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