四川省宜賓市金沙江南門大橋於1990年7月建成通車，宜賓南門大橋為主城區跨越金沙江的一座特大橋，距金沙江與岷江匯合處約1000m，是城區南北兩岸進出的咽喉通道，是宜賓市城區標誌性建築之一。主橋為中承式勁性骨架鋼筋混凝土肋拱橋，主跨243.367m，拱肋淨矢高48m，矢跨比為1/5。主拱拱軸線為懸鏈線，拱軸係數為1.756，主拱結構為兩條分離式平行拱肋無鉸拱，兩拱肋用K撐和X撐連接。橋面縱板為預應力混凝土空心板，吊杆橫梁為預應力混凝土結構，縱板與橫梁固結。
圖1 金沙江南門大橋
2001年11月7日凌晨5點左右發生了橋塌事件，其中南岸32#、40#、48#和北岸32#吊杆突然斷裂，導致相應橋面整體垮塌，並於2002年7月維修加固後通車。
2011年對主拱肋、門架墩及橫梁表面防腐塗裝、混凝土缺陷修復與補強,橫梁端部加固補強、並增設吊杆索力監測系統和橋梁限高設施，並對引橋支座進行更換。
圖2 2001年11月吊杆斷裂、橋面垮塌
圖3 原橋總體立面布置圖
主要技術標準和設計原則
1.原橋設計標準：
設計荷載:汽車—超20,掛車—120,人群荷載3.5KN/m2。
主橋橋面布置：3.25m(人行道)+13m（3車道+非機動車道）+3.25m(人行道)，總寬20.2m。
地震設防烈度：Ⅶ度。
圖4 原橋標準橫斷面（單位：m）
2.加固設計標準：
設計荷載:公路-Ⅱ級、城-B,人群荷載3.5KN/m2。
主橋橋面布置：車行道寬13m（4車道），（人行道+非機動車道）淨寬2×4m，總寬24.6m。
圖5 加寬改造後標準橫斷面
3.加固設計原則
①本次設計主要解決中承式拱橋吊杆+橫梁支撐簡支橋面結構體系的安全可靠度問題，採用連續結構橋面體系提高其安全性能，並解決吊杆變形協調性、可檢性，增強橋面系的連續性、強健性，防止吊杆失效的橋面系墜落或垮塌，並對其他部位進行耐久性維修。
②在經充分論證的前提下，對橋面進行加寬，將非機動車道與機動車道分離，增加機動車車道數，並對橋面車行道、非機動車道、人行道重新進行劃分，提高其通行能力。
③通過採用鋼-混凝土組合橋面板，減輕恆載自重，減輕主橋主梁重量，提高主橋承載能力，同時增加車道數也需要減輕橋道系重量。
各構件加固維修改造設計
橋道系處治設計
小南門大橋的橋道系採用以橫梁受力為主的簡支體系，其整體性差，在汽車荷載作用下單根吊杆的應力幅較大，易出現疲勞損傷，嚴重時會造成橋梁垮塌。國內已有數座相同橋梁體系在吊杆失效後，發生橋面系墜落或者出現多例垮塌病害案例，同時橋道系病害也較多。
本次加固擬採用縱橫梁+組合橋面板橋道系，從根本上解決橋道系的安全問題，因此擬全部更換主橋橋道系，將簡支結構改成連續結構，形成縱橫梁的整體結構，防止吊杆失效的橋面系墜落或垮塌。
原橋為橋面連續的多跨靜定體系，受原設計構造空間的局限，無法採用加吊杆的方式進行加強，一根吊杆的損壞即會造成相鄰兩跨塌孔。改為縱橫梁連續超靜定體系，能防止橋道系塌孔。
改為結構連續超靜定體系後，組合結構橋道系能有效解決橋面板受局部衝擊荷載大、開裂嚴重、支座脫空變形移位及橋面震動大等弊端，摒除在橫梁上設置小牛腿的設計缺陷。
1.吊杆懸吊區及立柱支承區橋道系處治：橋面每側加寬兩米，將非機動車道與車行道分開，布設在吊杆外側，拆除現有橋道板及吊杆橫梁。採用縱橫鋼格子梁+混凝土橋面板構造，製作並安裝鋼縱橫梁，形成縱橫鋼格子梁體系，預製混凝土橋面板，現澆溼接縫，最後澆築瀝青混凝土橋面鋪裝。
2.拱肋與橋面交界處橫梁設計：需拆除拱肋外側橫梁懸臂部分，再新設鋼結構牛腿。鋼結構牛腿通過錨栓與橫梁連接，施工時先實測橫梁高度及截面尺寸，以精確定位牛腿位置和校核鋼結構安裝尺寸。
3.鋼格子梁主要構造設計：橋道鋼格子梁為雙主縱梁式，鋼主縱梁布設在拱肋外側，吊杆段鋼主縱梁橫向中心間距18.41m，鋼主縱梁為工字形等截面，高1.2m，中間設三道次縱梁為工字形等截面，除24#橫梁外兩邊次縱梁梁高0.8m、中間次縱梁高0.9m，24#橫梁處次縱梁高0.36m。次縱梁橫向間距為6.52m。最外側邊縱梁梁高0.3m、0.5m（拱肋附近）。
圖6 標準段鋼格子梁吊杆橫梁處橫斷面
圖7 標準段鋼格子梁平面圖
圖8 標準段縱梁、橫梁立面圖
鋼縱梁通過鋼牛腿支撐在門架頂面、24橫梁側面、拱肋側面。割除並重做24#、8#、16#、0』#、8』#、16』#門架的現有蓋梁，在改造後的蓋梁頂設支座，24#、24』#橫梁牛腿設置在橫梁縱向兩側，拱肋附近牛腿設置在拱肋上下遊側。鋼縱梁間腹板通過高強螺栓連接，頂底板現場焊接相連。
主鋼橫梁為變高度工字形截面，高1.2～1.3m，中間設二道次橫梁為變高度工字形截面，高0.8～0.9m；在標準段主、次鋼橫梁長24.6m，在拱肋附近從24.6ｍ漸變到26.46m。拱肋內側次橫梁長13.44m，拱肋上下遊側主次橫梁長4.25m。標準段主橫梁縱向間距10.14m，次橫梁縱向間距3.38m。
鋼梁材質採用Q345C。
主橋橋面板採用18cm厚的預製橋面板，縱向、橫向通過現澆溼接縫連接成整體。主橋橫向為兩塊預製橋面板，縱向支撐在橫梁和次縱梁頂面。
4.門架立柱改造設計：為保證縱梁在通過立柱區域截面高度，因此擬切除原門架蓋梁部分後採用勁性骨架混凝土橫梁。門架切割時應儘量保留原立柱豎向鋼筋，如有破壞應植筋恢復或焊接結長，保證原立柱鋼筋與門架蓋梁的勁性骨架有效連接。
5.伸縮縫改造設計：原橋主橋伸縮縫設置在拱肋與24#橫梁交界橋面處，靠近24#橫梁處短吊杆在長期活載作用下，疲勞應力幅大。為了改善短吊杆受力狀況，本次改造將伸縮縫設置在0#門架頂處橋面，主橋範圍內採用連續鋼格子梁組合橋面板體系。
圖9 原橋主橋伸縮縫設置位置
圖10 改造後主橋伸縮縫設置位置
吊杆的處治
1.原吊杆體系現狀
主橋中部180m，共設置17對吊杆，吊杆間距10.14m。在2002年的恢復工程中將全橋原有吊杆全部更換為PES7成品索，原加長橫梁的吊杆為109φ7、抗拉強度1670Mpa的高強平行鍍鋅鋼絲束，總破斷力為7005KN；普通橫梁的吊杆採用91根φ7、抗拉強度為1670Mpa的平行鋼絲束，總破斷力為5848KN，外套PE防護材料及鍍鋅鐵皮，鈦合金不繡鋼管裝飾。採用鐓頭錨於拱肋上端和橫梁的下緣，吊杆橫梁採用預應力混凝土結構。吊杆鋼絲均採用現場鐓頭。原吊杆體系存在以下問題：普通鐓頭錨抗動荷載以及耐疲勞性差，而且下吊點鐓頭無法檢查；橫梁內吊索及連接件也無法檢查；國內相同吊索的病害發生案例較多。
原橋通車已12年左右，據統計目前國內拱橋吊杆的破斷壽命約10年左右，本橋部分吊杆鋼絲存在輕微的腐蝕損傷，吊杆下錨頭鋼棒螺母、鋼棒螺紋存在不同程度的鏽蝕，對結構使用存在較大的安全隱患，且吊杆疲勞可靠度指標出現降低的趨勢，使用壽命將大為縮短。考慮到結構使用的安全性及耐久性，因此擬全部更換吊杆。新的吊杆結構下端採用外露的銷接式構造以便於檢查。
2.吊杆型式確定
本次設計推薦採用鋼絞線整束擠壓吊杆，全橋吊杆共計34根。吊杆索體採用1860MPa級、φ15.2mm2環氧噴塗無粘結鋼絞線纏包後外擠HDPE。
鋼絞線整束擠壓吊杆是採用擠壓方式錨固鋼絞線，具有錨固可靠，張拉調索方便，尤其是錨頭結構尺寸小，具有優異的抗疲勞性能和超強的索體防腐性能，適用於作為拱橋的吊杆用成品索。
吊杆上端採用擠壓錨，上錨點為張拉端，設置於拱上，下端採用擠壓錨與叉耳板螺紋連接的銷接式構造。
圖11 新吊杆構造圖
圖12 靜力計算模型圖
結構驗算
1.計算模型
採用Midas Civil建立三維有限元模型模擬橋梁上部結構，分階段對南門大橋從現狀到逐步改造完成並通車運營的整個過程進行模擬。模型中,採用桁架單元模擬吊杆,板單元模擬橋面板,彈簧單元模擬支座,梁單元模擬其餘構件。
2.受力分析
改造前後拱肋關鍵截面受力對比如表1。從表1中可知，改造後拱肋受力有了明顯改善。
改造過程中對6個工況關鍵截面內力和變形進行了分析。原橋道系拆除及新橋道系安裝施工各階段拱肋各截面承載能力均能滿足規範要求，除拱腳區域外，拱肋均為全截面受壓，拱腳為整個施工過程中的受力控制截面。
成橋後，拱肋承載力、拱肋剛度滿足有關規範要求。在荷載標準值組合下，鋼格子梁應力分布較為均勻，鋼橫梁與次縱梁應力水平較高，其餘部分應力水平均較小，鋼結構最大正應力為135.5MPa，最大剪應力為73.1MPa，縱橫鋼格子梁各鋼構件最大應力均小於規範容許值。
吊杆在最不利荷載工況下安全係數最小為3（短吊杆處），均大於規範容許值2.5。
恆載作用下，原橋主跨橋道系中每延米重量為323.5KN，改造後每延米重量為195.3KN，自重減輕39.6%。
3.吊杆失效情況下結構安全性分析
分別考慮32#吊杆（短吊杆）、96#吊杆（跨中吊杆）意外失效兩種工況進行計算。分析時偏於安全地考慮活載均按最不利布置。計算結果表明：吊杆意外失效後，結構安全性仍能得到保證。
①32#吊杆失效情況下結構安全性分析
a.鋼主梁承載能力
32#吊杆失效時，縱梁最大拉壓應力均小於規範容許值210MPa。鋼梁剪應力最大為90.2MPa，小於規範120MPa的要求。
b.橋面系撓度
橋面系在原32#吊杆下吊點位置出現局部下撓，失效後下撓約39.4mm；門架區域相鄰段出現局部上撓，失效後上撓約30mm。下撓值在規範容許範圍內。
c.剩餘吊杆受力
32#吊杆失效時，40#吊杆的內力明顯增大，各剩餘吊杆的安全係數均大於3.0，吊杆仍有足夠安全儲備，通過臨時中斷交通、快速更換吊杆及時消除安全隱患。
②96#吊杆失效情況下結構安全性分析
a.鋼主梁承載能力
96#吊杆失效時，縱梁最大拉壓應力均小於規範容許值210 MPa。鋼梁剪應力最大為81.9MPa，小於規範120MPa的要求。
b.橋面系撓度
96#吊杆失效時，縱梁在原96#吊杆下吊點位置出現明顯下撓，失效後下撓約97mm，下撓值在規範容許範圍內。
c.剩餘吊杆受力
96#吊杆失效時，88#吊杆的內力明顯增大，各剩餘吊杆的安全係數均大於3.0，吊杆仍有足夠安全儲備，通過臨時中斷交通、快速更換吊杆及時消除安全隱患。
4.動力計算與穩定計算
①動力特性分析表明結構剛度滿足規範要求,如表12。
②橋梁整體彈性穩定係數均大於4.0，滿足規範要求，如表13。
總體施工方案
懸吊區域橋道系改造
1.從跨中向兩端對稱拆除橋面鋪裝、人行道護欄及挑梁等橋面附屬設施。
圖13 拱下橋道系改造施工工藝流程圖
2.每側兩塊空心板採用汽車吊運從端橫梁向跨中逐跨拆除，每跨先拆邊板再拆次邊板。
3.採用條帶法從跨中向兩側拆除剩餘6塊空心板，按照橫梁最大偏載不超過2塊空心板的原則，採用雙導梁對稱吊運拆除。
圖14 雙導梁橫斷面布置
4.懸吊區域拱下鋼格子梁和橋面板安裝。每完成一孔橋面板拆除後進行橫梁和吊杆拆除，拱上設置滑車組吊點卷揚機起吊吊裝原橫梁，最大吊裝重量按照60t控制，通過船運至指定地點處理。同步從跨中往兩側進行新吊杆安裝和鋼結構及橋面板吊裝，鋼格子梁、人行道及非機動車道鋼構件和預製橋面板拼裝成吊裝單元，船舶運輸至橋下，拱上滑車組吊點卷揚機起吊吊裝，最大吊裝重量按照150t控制。在每個拱肋吊杆上錨點附近設置吊點位置，用56工字鋼等型材製作吊點扁擔梁，安放在原拱上吊杆平臺上，兩端橫向挑出拱肋，在兩端通過吊帶銷接連接滑車組，卷揚機布設在橋臺處。
門架立柱區域橋道系改造
圖15 拱上橋道系改造施工工藝流程圖
1.空心板拆除
從24#（24#』）橫梁向邊跨用汽車吊逐跨對稱拆除每側兩塊空心板；用雙導梁拆除中間六塊空心板。
2.門架立柱區域拱上鋼格子梁和橋面板安裝
0#～16#門架每跨鋼格子梁均在靠引橋側單件吊裝至拼裝平臺，然後縱向滑移至設計位置，完成格子梁間連接後，整體頂升，拆除滑道，落梁就位。
16#～32#門架間鋼格子梁在拼裝平臺上拼裝就位，縱移至設計位置，採用靠江側的拱上吊點和靠岸側吊車抬吊落位。
圖16 門架區域鋼格子梁安裝布置圖
全橋加固維修改造總工期11個月。南門大橋加固維修改造採用縱橫鋼格子梁連續組合橋道系和外露銷接式構造新吊杆，鋼結構工廠製作，現場採用在拱肋上設置吊點吊裝，節段間採用螺栓連接安裝，施工工期短，結構強度、變形、穩定性能均能滿足規範要求，又滿足了景觀要求，對同類型橋梁加固維修改造具有重要借鑑意義。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌
2019年 第2期 總第6期 作者 / 盧小鋒
作者單位 / 四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院