木桁架文物古橋修繕工程關鍵設計技術(shù)研究

惠愛橋位于廣西壯族自治區(qū)北海市合浦縣廉州鎮(zhèn)西門江河面上，原稱金肅門橋，俗稱舊橋，始建于明正德元年（公元1506年），明清兩代曾多次重修。1887年毀于火災，又重建于1910年?；輴蹣蜷L38.66?m，寬4.83?m，是一座混合結(jié)構(gòu)橋梁（圖1、圖2），中部主橋跨長21.04?m，寬3.25?m，由兩榀并列的木結(jié)構(gòu)三角桁架支撐橋梁及橋板，木構(gòu)件均為坤甸木制作，三角桁架頂蓋瓦，構(gòu)件連結(jié)全部為榫接。建造之初只有跨中的上下節(jié)點及兩端節(jié)點設角鋼夾板，其余部分均無任何鐵器，民國年間才在其他受力點增加角鋼夾板。兩端引橋為磚砌拱橋，西引橋長8.77?m，東引橋長8.85?m，寬均為4.83?m，引橋兩側(cè)用青磚砌筑欄桿。1995年被定為廣西壯族自治區(qū)級文物保護單位。2013年3月公布為全國重點文物保護單位。圖1?惠愛橋圖2?惠愛橋結(jié)構(gòu)布置惠愛橋橫跨西門江兩岸，為附近居民往來主要通道。2016年8月下旬對惠愛橋進行搶險維修時發(fā)現(xiàn)兩側(cè)中柱位置開裂、節(jié)點鐵件腐蝕嚴重、結(jié)構(gòu)變形，橋體存在嚴重安全隱患，需進行加固。由于橋梁兩側(cè)中柱為整個橋梁的主要受力構(gòu)件，為確保文物及施工安全，對該橋進行封閉管制，待制定加固方案后方可繼續(xù)施工。1?修繕設計原則（1）對不可移動文物進行修繕、保養(yǎng)、遷移，必須遵守不改變文物原狀的原則。（2）古建筑維修時應保存原來的形制，包括原平面布局、造型、法式特征和藝術(shù)風格等。保持原建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和原工藝技術(shù)。（3）維修措施需遵循“可逆性”的原則，所有技術(shù)措施應不妨礙再次對原物進行保護處理，經(jīng)處理的部分應與原物協(xié)調(diào)。（4）必須保留獨特的傳統(tǒng)工藝技術(shù)，盡可能在微損傷的情況下對文物本體節(jié)點加固，消除安全隱患。2?加固設計總體思路（1）由于橋跨結(jié)構(gòu)性病害較嚴重，施工存在安全隱患，需在橋下搭設臨時反力支撐架，采用計算機PLC多點同步控制頂升技術(shù)提供主動臨時支撐。（2）拆除原橋面板，使兩榀并列的木結(jié)構(gòu)三角桁架卸載。在主結(jié)構(gòu)卸載狀態(tài)下先封閉修復裂縫，再采用多點同步控制頂升技術(shù)完成節(jié)點鐵件連接件的力系轉(zhuǎn)換，更換并加固節(jié)點鐵件連接件。（3）在主橋跨兩端分別增設永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)，減小主橋跨結(jié)構(gòu)體系計算跨徑，按分階段受力特點設計，與兩榀并列的木結(jié)構(gòu)三角桁架共同承受二期荷載（橋面板及活載），以改善木結(jié)構(gòu)三角桁架主要控制截面位置原內(nèi)力分布和變形情況。（4）恢復原橋面板，加固后的附加斜支撐與三角桁架木結(jié)構(gòu)體系共同參與受力，承擔二期荷載。

3?關鍵設計技術(shù)3.1?主動臨時支撐根據(jù)主橋上跨西江河，河面較窄的現(xiàn)實情況，在橋下搭設反力支撐架，實現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)力系轉(zhuǎn)換。在反力支撐架上下游兩側(cè)分別設置4排貝雷架（圖3），橫向間距為3?m×0.45?m，共8排貝雷架，通過橫向支撐架聯(lián)系，單排貝雷架由6個標準節(jié)段組成，通過銷接連接。貝雷架上方各節(jié)點布置抄墊鋼梁，在鋼梁上方布置100?t千斤頂，千斤頂上方與節(jié)點結(jié)構(gòu)支架間布置橡膠墊和鋼墊板，確保千斤頂頂升力可均勻擴散，上下游兩側(cè)共布置10臺100?t千斤頂，千斤頂群由計算機PLC多點同步頂升系統(tǒng)控制（圖4）。反力支撐架兩端支撐在經(jīng)擴寬改造的C30混凝土基礎上，在反力支撐架與基礎之間設置鋼墊梁。混凝土基礎設置于原河床底堅硬基巖上，單側(cè)混凝土基礎尺寸為6?m×1.5?m×1?m。圖3?主動臨時支撐布置示意圖4?主動臨時支撐頂升控制系統(tǒng)3.2?節(jié)點鐵件連接件更換及加固主橋跨中的上下節(jié)點及兩端節(jié)點編號分別為2號、1號及3號，其余節(jié)點編號為4號（圖5、圖6）。圖5?節(jié)點鐵件連接件更換及加固示意圖6?1號節(jié)點加固做法各節(jié)點利用原螺栓孔更換原腐蝕鐵件及螺栓連接件，并間隔增設多道U形箍板加固，以增強加固連接件的整體性，增大節(jié)點連接剛度。主要工藝步驟為：（1）使用計算機PLC多點同步頂升系統(tǒng)控制千斤頂群頂升，完成橋跨結(jié)構(gòu)至臨時支撐的力系托換，節(jié)點鐵件連接件受力為無應力狀態(tài)；（2）拆除節(jié)點原腐蝕鐵件及螺栓連接件；（3）利用原螺栓孔安裝節(jié)點加固鋼板及螺栓連接件；（4）使用計算機PLC多點同步頂升系統(tǒng)控制千斤頂群頂落，完成臨時支撐至橋跨結(jié)構(gòu)的力系托換，節(jié)點鐵件連接件參與節(jié)點受力。3.3?增設永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)3.3.1?永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)設計由于主橋跨主要控制截面位置內(nèi)力及變形較大，故在主橋跨兩端分別增設永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)（圖7、圖8），以減小主橋跨結(jié)構(gòu)體系計算跨徑，改善主要控制截面位置原有的內(nèi)力分布和變形。圖7?增設永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)立面示意

圖8?永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)大樣永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)截面采用鋼板拼焊方鋼截面，分為斜撐中間段、鋼套上節(jié)點、斜撐下節(jié)點三部分，均廠內(nèi)拼焊，運至現(xiàn)場通過螺栓連接組裝成整體。鋼套上節(jié)點為兩半式結(jié)構(gòu)，通過擰緊高強螺栓與水平木梁剛接成整體。在鋼套上節(jié)點與水平木梁之間設置5?mm厚橡膠墊，以保護水平木梁。斜撐下節(jié)點內(nèi)部灌M?40高強灌漿料，植化學錨栓與基礎連接。主要安裝工藝步驟為：（1）依次安裝鋼套上節(jié)點與水平木梁連接、斜撐下節(jié)點與基礎連接；（2）使用主動臨時支撐上計算機PLC多點同步頂升系統(tǒng)控制千斤頂群頂升，使水平木梁產(chǎn)生預拱度值，確定斜撐中間段安裝長度，并通過高強螺栓連接鋼套與斜撐下節(jié)點；（3）使用主動臨時支撐上計算機PLC多點同步頂升系統(tǒng)控制千斤頂群頂落，使永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)參與主橋跨結(jié)構(gòu)自重荷載下的受力。3.3.2?永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)加固驗算通過有限元軟件對主橋跨整體建模，荷載組合考慮包括自重工況、二期荷載工況、風荷載工況。由加固前后軸立分布圖可知，加固前最大軸力為309.166kN，分布在三角桁架斜桿位置；加固后最大軸力改善為172.604?kN，降低約44?%。由加固前后的撓度分布圖可知，加固前最大撓度為17.260mm，分布在三角桁架水平桿位置；加固后最大撓度改善為9.478mm，降低約45?%。3.3.3?鋼構(gòu)件長效防腐體系設計為確保增設永久附加斜支撐結(jié)構(gòu)的耐久性能，需進行長效防腐設計。鋼構(gòu)件內(nèi)表面涂刷環(huán)氧富鋅底漆2道厚80?μm；環(huán)氧云鐵中間漆2道厚80?μm；聚氨酯面漆2道厚80?μm。鋼構(gòu)件外表面采取氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)，設計防腐年限30年。涂刷步驟為：（1）預埋件表面機械打磨除銹處理；（2）包覆范圍涂防蝕膏；（3）包覆范圍粘貼防蝕帶，從下往上依次粘貼，每層搭接50%，每處有2層防蝕帶覆蓋；（4）涂刷外防護劑2次，用手指觸摸確認干燥后再刷第二遍；（5）外表面刷漆，油漆顏色與現(xiàn)存木材顏色一致。4?結(jié)束語惠愛橋修繕工程中采用通過同步頂升