美国阿拉巴马州跨河管道桥至今已建成30余年, 为天然气输气管道桥。该桥为悬索结构, 东西2个塔架间距760ft (1ft=0.304 8m) , 索塔高86ft;采用德国法尔福 (Pfeifer) 拉索, 主钢缆直径1.75in (1in=2.54cm) 全封闭索, 吊索为每根直径0.5in的单排吊索, 吊索间距20ft。抗风索为直径0.5in和0.75in的钢索。斜拉管道桥的尺寸如图1所示。由于该管道桥服役时间较长, 各部位出现了不同程度老化;该斜拉管道桥处于河上方, 因此, 结构控制荷载为风荷载, 垂直于桥方向的水平位移为结构能否正常使用的主要控制因素。业主方希望将管道桥处于风速, 150MPH (mi/h, 1mi=1.61km) 中时, 位移控制在120in之内, 经实际勘测, 结构已不再满足上述要求, 管道桥实物照片如图2所示。结构的抗风索和支座等在不改造的情况下继续使用, 将会对管道桥使用寿命产生较严重的影响, 甚至有可能出现局部坍塌的危险。

为了消除风荷载作用等对大桥使用安全的隐患, 必须对管线桥结构的抗风索和支座进行整改, 以进一步改善管道桥的受力状态。为此, 根据图纸建立了管道桥有限元模型, 计算得到了结构杆件应力、位移等各项指标;根据计算结果, 制定了不同的加固方案, 并进行计算分析, 确定了最优加固方案, 以此为基础, 制定了管道桥加固的具体施工方案。

1) 计算模型建立根据设计图纸, 本项目采用MIDAS建立计算模型, 其中塔架和管道采用梁单元模拟, 所有拉索采用只受拉的单元模拟;通过输入初拉力的方式来模拟拉索预应力, 自重通过模型输入系数为1.0, 水平风荷载通过在管道上施加水平线荷载模拟;塔架与地面连接处采用6个自由度全部约束 (固结约束) , 后背索与地面连接采用x, y, z的3个自由度约束 (固定铰支约束) 。斜拉管道桥计算模型如图3所示。

2) 荷载组合主要有如下几种 (1) 组合1为自重+预应力+恒荷载; (2) 组合2~9分别为自重+预应力+恒荷载+水平风荷载, 其中水平风荷载V取值为80~150MPH, 每种组合增量为10MPH。

3) 经过计算, 在水平风速为150MPH时, 水平最大位移为321in;按使用方要求, 希望将管道桥处于风速150MPH时, 位移控制在120in之内, 此状态下是不满足使用方要求的, 而且也存在安全隐患, 因此该管道桥必须进行加固处理。

1) 加固方案设计

加固方案设计主要包括塔架设计、拉索设计及节点设计等。塔架设计包括布置位置确定、尺寸确定、截面选择等内容;拉索设计包括各种拉索一端与塔架相连, 另一端的布置位置确定和截面选择等内容;节点设计包括各种构件之间的连接形状、构造方式及大小等的设计。

通过大量方案比选和计算分析, 最终确定了在原塔架前方重新设计1个人字形塔架, 并设置抗风索和后背索, 提高了管道桥结构的整体稳定性来满足要求。如图4所示, 总共后加了2个人字形塔架、12根拉索;经过计算, 拉索均选择直径为24mm的中国产高钒拉索, 拉索强度为1 670MPa, 采用一端固定, 另一端可调节的叉耳式锚具;人字形塔架的立柱截面为351×16, 斜杆为245×12。加固后的斜拉管道桥结构尺寸如图5所示。

2) 节点设计

由于塔架的杆件比较长, 为保证运输方便, 将每根杆件均分为2段, 通过法兰进行连接;为与原结构相匹配, 人字形塔柱与管道的节点设计了抱箍节点进行连接, 杆件与节点为销轴连接, 人字形塔架三维及实物如图6所示;拉索与管道的节点也采用抱箍节点连接。

按照以上加固设计方案, 重新建立MIDAS有限元计算模型, 计算模型如图7所示。其中模型建立原则、施加预应力、施加荷载、约束形式及荷载组合方式等与加固前计算方法相同。

经过计算, 水平风速为150MPH时, 计算结果如图8所示。

由图8可知, 在风速为150MPH时, 结构最大水平位移为110in (<120in) , 满足要求;拉索应力为672MPa, 安全系数为2.49, 管道与塔架应力最大值为150MPa, 均满足规范要求。由此可知, 加固处理后结构安全可靠。

1) 水平位移现将加固前、后的计算结果进行比较, 其中不同水平风荷载作用下的最大水平位移如表1所示。

由表1可以看出, 加固后结构水平位移明显变小, 变化率最大为65.7%, 结构整体刚度明显增强。其中在风速150MPH时, 加固后的最大水平位移为110in, 比加固前最大水平位移减小了211in, 而且满足<120in的要求, 可见加固方案达到了预期目的, 加固设计方案可行。

2) 对原结构拉索的影响根据计算结果, 选取原结构抗风索的索力进行分析, 拉索 (No.1和No.2) 位置如图9所示。加固前、后该拉索索力变化如图10所示。其中横坐标0~8分别代表风速为0和80~150MPH, 其中后者每级增加10MPH。

由图10a可以看出, 加固前, 在风速为90MPH时, No.1抗风索索力就减小至0;加固后, 索力由32.1k N减小至21.7k N, 变化不大。由图10b可以看出, 加固前, No.2抗风索索力由29.1k N增加到223k N, 变化很大;加固后, No.2抗风索索力由32.1k N增加到42.8k N, 变化不大。由此分析可知, 加固前, 水平风荷载对斜拉管道桥影响特别大, 通过采取加固措施后, 结构总体刚度增大许多, 抵抗风荷载的能力大大增强, 从而说明加固效果显著。

1) 测量定位准确测量, 确定人字形塔架支承点、杆件锚点、拉索锚点等准确位置, 建立三维模型。

2) 构件下料人字形塔架与拉索下料, 按照测量确定的三维模型进行精确下料, 其中拉索下料一定考虑预张拉力作用。

3) 人字形塔架安装在塔架与管道节点下方搭设脚手架作为支承, 并让开节点位置, 使用千斤顶将管道顶起, 顶起力为该处结构自重;按照设计方案进行塔架安装, 安装完成后, 使用几道钢丝绳作为稳定缆风绳。

4) 拉索安装与张拉通过倒链和卷扬机进行拉索安装, 全部安装完成后, 先对称预紧4根抗风索, 后同时张拉2根后拉索, 根据测量结果进行索力调整, 最终达到设计要求。安装完成的照片如图11所示。

5) 根据项目的实际情况, 采用全站仪通过监控斜拉管道桥跨中的竖向位移来监测加固效果。实际测量结果表明, 加固前、后跨中竖向位移向上变化109mm, 与理论计算值120mm基本吻合。一年半后, 又进行了一次位移监测, 跨中结构竖向位移变化较小。

1) 合理的加固方案必须经过大量计算分析与方案比选, 才能得到受力合理、形式简便, 而且可以有效改善结构受力性能、提高整体结构抗水平风荷载能力的方案。

2) 通过计算对比分析, 加固后结构水平位移明显变小, 变化率最大为65.7%, 结构整体刚度明显增强。在风速为150MPH作用时, 加固后的最大水平位移为110in, 满足了<120in的要求。同时, 加固前的水平风荷载对斜拉管道桥影响特别大, 加固后的结构总体刚度增大了不少, 抵抗风荷载的能力大大增强, 从而说明加固效果显著。

3) 加固节点设计方案宜采用销轴或螺栓连接, 避免现场焊接, 而且, 要保证构件加工精度高、运输方便、安装简便的要求。

4) 通过监测结果表明, 阿拉巴马斜拉管道桥加固完成后, 整体结构性能得到了显著提高, 延长了结构使用寿命, 满足适用性要求。