木桁架文物古桥修缮工程关键设计技术研究

惠爱桥位于广西壮族自治区北海市合浦县廉州镇西门江河面上，原称金肃门桥，俗称旧桥，始建于明正德元年（公元1506年），明清两代曾多次重修。1887年毁于火灾，又重建于1910年。惠爱桥长38.66?m，宽4.83?m，是一座混合结构桥梁（图1、图2），中部主桥跨长21.04?m，宽3.25?m，由两榀并列的木结构三角桁架支撑桥梁及桥板，木构件均为坤甸木制作，三角桁架顶盖瓦，构件连结全部为榫接。建造之初只有跨中的上下节点及两端节点设角钢夹板，其余部分均无任何铁器，民国年间才在其他受力点增加角钢夹板。两端引桥为砖砌拱桥，西引桥长8.77?m，东引桥长8.85?m，宽均为4.83?m，引桥两侧用青砖砌筑栏杆。1995年被定为广西壮族自治区级文物保护单位。2013年3月公布为全国重点文物保护单位。

图1?惠爱桥

图2?惠爱桥结构布置

惠爱桥横跨西门江两岸，为附近居民往来主要通道。2016年8月下旬对惠爱桥进行抢险维修时发现两侧中柱位置开裂、节点铁件腐蚀严重、结构变形，桥体存在严重安全隐患，需进行加固。由于桥梁两侧中柱为整个桥梁的主要受力构件，为确保文物及施工安全，对该桥进行封闭管制，待制定加固方案后方可继续施工。

1?修缮设计原则

（1）对不可移动文物进行修缮、保养、迁移，必须遵守不改变文物原状的原则。

（2）古建筑维修时应保存原来的形制，包括原平面布局、造型、法式特征和艺术风格等。保持原建筑结构、建筑材料和原工艺技术。

（3）维修措施需遵循“可逆性”的原则，所有技术措施应不妨碍再次对原物进行保护处理，经处理的部分应与原物协调。

（4）必须保留独特的传统工艺技术，尽可能在微损伤的情况下对文物本体节点加固，消除安全隐患。

2?加固设计总体思路

（1）由于桥跨结构性病害较严重，施工存在安全隐患，需在桥下搭设临时反力支撑架，采用计算机PLC多点同步控制顶升技术提供主动临时支撑。

（2）拆除原桥面板，使两榀并列的木结构三角桁架卸载。在主结构卸载状态下先封闭修复裂缝，再采用多点同步控制顶升技术完成节点铁件连接件的力系转换，更换并加固节点铁件连接件。

（3）在主桥跨两端分别增设永久附加斜支撑结构，减小主桥跨结构体系计算跨径，按分阶段受力特点设计，与两榀并列的木结构三角桁架共同承受二期荷载（桥面板及活载），以改善木结构三角桁架主要控制截面位置原内力分布和变形情况。

（4）恢复原桥面板，加固后的附加斜支撑与三角桁架木结构体系共同参与受力，承担二期荷载。 

3?关键设计技术

3.1?主动临时支撑

根据主桥上跨西江河，河面较窄的现实情况，在桥下搭设反力支撑架，实现桥跨结构力系转换。在反力支撑架上下游两侧分别设置4排贝雷架（图3），横向间距为3?m×0.45?m，共8排贝雷架，通过横向支撑架联系，单排贝雷架由6个标准节段组成，通过销接连接。贝雷架上方各节点布置抄垫钢梁，在钢梁上方布置100?t千斤顶，千斤顶上方与节点结构支架间布置橡胶垫和钢垫板，确保千斤顶顶升力可均匀扩散，上下游两侧共布置10台100?t千斤顶，千斤顶群由计算机PLC多点同步顶升系统控制（图4）。反力支撑架两端支撑在经扩宽改造的C30混凝土基础上，在反力支撑架与基础之间设置钢垫梁。混凝土基础设置于原河床底坚硬基岩上，单侧混凝土基础尺寸为 6?m×1.5?m×1?m。

图3?主动临时支撑布置示意

图4?主动临时支撑顶升控制系统

3.2?节点铁件连接件更换及加固

主桥跨中的上下节点及两端节点编号分别为2号、1号及3号，其余节点编号为4号（图5、图6）。

图5?节点铁件连接件更换及加固示意

图6?1号节点加固做法

各节点利用原螺栓孔更换原腐蚀铁件及螺栓连接件，并间隔增设多道U形箍板加固，以增强加固连接件的整体性，增大节点连接刚度。

主要工艺步骤为：（1）使用计算机PLC多点同步顶升系统控制千斤顶群顶升，完成桥跨结构至临时支撑的力系托换，节点铁件连接件受力为无应力状态；（2）拆除节点原腐蚀铁件及螺栓连接件；（3）利用原螺栓孔安装节点加固钢板及螺栓连接 件；（4）使用计算机PLC多点同步顶升系统控制千斤顶群顶落，完成临时支撑至桥跨结构的力系托换，节点铁件连接件参与节点受力。

3.3?增设永久附加斜支撑结构

3.3.1?永久附加斜支撑结构设计

由于主桥跨主要控制截面位置内力及变形较大，故在主桥跨两端分别增设永久附加斜支撑结构（图7、图8），以减小主桥跨结构体系计算跨径，改善主要控制截面位置原有的内力分布和变形。

图7?增设永久附加斜支撑结构立面示意

图8?永久附加斜支撑结构大样

永久附加斜支撑结构截面采用钢板拼焊方钢截面，分为斜撑中间段、钢套上节点、斜撑下节点三部分，均厂内拼焊，运至现场通过螺栓连接组装成整体。

钢套上节点为两半式结构，通过拧紧高强螺栓与水平木梁刚接成整体。在钢套上节点与水平木梁之间设置5?mm厚橡胶垫，以保护水平木梁。斜撑下节点内部灌M?40高强灌浆料，植化学锚栓与基础连接。

主要安装工艺步骤为：（1）依次安装钢套上节点与水平木梁连接、斜撑下节点与基础连接；（2）使用主动临时支撑上计算机PLC多点同步顶升系统控制千斤顶群顶升，使水平木梁产生预拱度值，确定斜撑中间段安装长度，并通过高强螺栓连接钢套与斜撑下节点；（3）使用主动临时支撑上计算机PLC多点同步顶升系统控制千斤顶群顶落，使永久附加斜支撑结构参与主桥跨结构自重荷载下的受力。

3.3.2?永久附加斜支撑结构加固验算

通过有限元软件对主桥跨整体建模，荷载组合考虑包括自重工况、二期荷载工况、风荷载工况。

由加固前后轴立分布图可知，加固前最大轴力为309.166kN，分布在三角桁架斜杆位置；加固后最大轴力改善为172.604?kN，降低约44?%。

由加固前后的挠度分布图可知，加固前最大挠度为17.260mm，分布在三角桁架水平杆位置；加固后最大挠度改善为9.478mm，降低约45?%。

3.3.3?钢构件长效防腐体系设计

为确保增设永久附加斜支撑结构的耐久性能，需进行长效防腐设计。钢构件内表面涂刷环氧富锌底漆2道厚80?μm；环氧云铁中间漆2道厚80?μm；聚氨酯面漆2道厚80?μm。钢构件外表面采取氧化聚合型包覆防腐蚀技术，设计防腐年限30年。

涂刷步骤为：（1）预埋件表面机械打磨除锈处理；（2）包覆范围涂防蚀膏；（3）包覆范围粘贴防蚀带，从下往上依次粘贴，每层搭接50%，每处有2层防蚀带覆盖；（4）涂刷外防护剂2次，用手指触摸确认干燥后再刷第二遍；（5）外表面刷漆，油漆颜色与现存木材颜色一致。

4?结束语

惠爱桥修缮工程中采用通过同步顶升液压控制系统技术，设置主动临时支撑实现加固过程的主动支撑和节点连接件更换及加固。通过增设永久附加斜支撑结构，改善了木桁架结构主要控制截面的内力和变形，成功实现了木桁架文物古桥的快速抢险加固，完整保存了古桥的原始风貌，社会效益和经济效益显著，可为同类木桁架文物古桥修缮工程提供借鉴。