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滑铁卢大桥-结构性能和强度

David Astin理学学士（英语），ACGI，Ceng，MICE

英国伦敦伦德尔有限公司技术总监

滑铁卢大桥于1942年竣工，横跨伦敦泰晤士河，承载着A301公路。它由两个可变深度的多单元钢筋混凝土箱梁和连接横向板组成，支撑在沉箱基础上。本文介绍了在不使用计算机的情况下，利用现代技术对最初设计的结构进行分析和负荷评估。最初的关节系统包括限制纵向运动的止动装置和动态阻尼装置。评估考虑了根据移动测量确定的结构的实际行为。中心悬跨由铰链接头支撑，铰链接头由钢辊轴承组成，钢辊轴承通过预应力垂直杆和斜杆连接到混凝土上。这些轴承及其相关的支架经过详细分析，以确定其极限强度。评估结果使桥梁性能和剩余寿命得到了更好的理解，这将使桥梁业主能够计划未来的维护干预措施。

1. 研究背景

横跨伦敦泰晤士河的新滑铁卢大桥于1942年竣工。它的建造是为了取代约翰·伦尼的砖石结构，这座砖石结构自1817年开放以来就一直存在。这座旧桥的河基受到冲刷和沉降的影响，在1924年临时关闭了这座桥。随后，在1936年，议会同意伦敦县议会（LCC）可以筹集资金，用于现有桥梁的拆除和新桥梁的建设。

采用的设计是建筑师Giles Gilbert Scott爵士与咨询工程师rendel Palmer和Tritton（现为rendel有限公司）合作的结果。选择细长箱梁桥面板是为了保留圣保罗大教堂的景观，并保持所需的航行净空。

1963年，新桥梁的维护责任移交给大伦敦议会，然后在1986年移交给威斯敏斯特市议会（WCC），后者现在代表伦敦交通局维护桥梁。

在2008年的一次主要检查中，有人注意到，支撑南部引道板端部的一些严重腐蚀的垂直钢摇杆轴承已从底座上脱落。因此，他们在2010年3月被层压弹性轴承取代。2010年7月，据报告，一些新轴承已从支撑钢板上的预定固定位置移动，以及北移缝附近的护墙发生了一些表面损伤。为了了解发生这种情况的原因，决定研究桥梁的连接和对热效应的响应。随后，对甲板的安全承载能力进行了详细的检查和评估。

2. 结构形式

这座桥是由钢筋混凝土和波特兰石包层和钢制伸缩缝组成的。不寻常的是，与现代做法相比，嵌入混凝土中的钢筋笼被完全焊接，从而消除了搭接、拼接钢筋和挂钩。该设计结合了一些特殊功能，以尽量减少混凝土裂缝，例如间距紧密的钢筋网，以及通过在锁定前用蒸汽对高拉伸应力区域的钢筋进行预加应力。最初设计的目的是制造一个“无裂缝结构”，最近的检查已经证实，尽管有些表面剥落，混凝土构件通常仍处于良好状态。从桥台到桥台的桥梁总长为434.2 m，有五个主跨和两个悬臂端跨（图1）。南悬臂跨度1a（23.7 m）穿过英国电影学院大楼和路堤人行道。跨度1（73.8 m）穿过人行道和南河墙。跨度2（77 m），中心跨度3（77 m）和跨度4（77 m）穿过泰晤士河。跨度5穿过北河墙和维多利亚堤，而北侧悬臂跨度5a穿过人行道和封闭空间，此前由建筑仓库和夜总会/酒吧经营场所占用。桥面总宽度为29.3 m，设有四条行车道和两条直行道路。

该桥面板由支撑网状横梁的两个多单元箱梁组成，该横梁承载一个横向板。箱梁高度不同，墩高7.7米，跨中2.5米，形成多个细长拱。在立面上，这座桥与中心跨度对称。有两个甲板模块，每个模块有两个连续跨度和悬臂突出部分。中跨悬臂具有简单支撑的悬跨。在每个端跨悬臂的末端，有一个由钢锭组成的平衡重，钢锭由钢筋混凝土压重箱支撑，以尽量减小桥墩的恒载弯曲力矩。端跨悬臂梁支撑短搭板的一端。北部引桥板由兰开斯特广场拱顶的现有墙支撑。南岸引道板由高架桥下部结构支撑，该下部结构于20世纪60年代作为南岸开发的一部分建造。

两个桥墩和四个桥墩结构相似。基础由钢板桩围堰内的扩展基脚构成，钢板桩围堰用钢筋固定。板桩延伸至基脚下方，以防冲刷。桥面箱梁由承重墙支撑，承重墙延伸至桥墩的整个高度。它们被花岗岩和波特兰石面钢筋混凝土外壳包围，但与之分离。壳体由水平和垂直肋加劲；垂直肋通过承重墙中的开口交叉连接，并带有受保护的钢杆，以使壳体的主立面相互强烈支撑，从而共同作用。因此，它们的硬度足以保护承重墙免受船舶直接撞击。

沿着甲板的每一个边缘都有1.2米高的护墙，护墙由管状钢栏杆组成，连接到插入波特兰石底座的柱子上。

图1.显示连接的桥梁关键高程

3. 节点与设计方法

1936年桥梁设计时，计算机无法进行结构分析。采用了适合手工计算的数学方法，与现代实践相比，产生了一些比较。例如，滑铁卢大桥有细长的桥墩承重墙，用作桥面的铰链支撑，以及中间横向接缝。因此，在制动和牵引荷载作用下，桥面的纵向刚度相对较低。然而，根据指定的纵向设计，采用坡度/收缩理论进行布置，这是当时确定简支梁中力的常用方法。同样，采用St-Venant弹性理论确定了多单元箱梁桥面板的扭转效应，为了证明这种方法的合理性，必须设计中心跨伸缩缝来传递扭转力。

图1显示了各种连接特征的位置。桥面模块的膨胀和收缩通过桥墩垂直承重墙的弯曲来实现，桥墩垂直承重墙内置在桥面上。桥面移动缝位于悬臂端部和中跨两端。钢筋混凝土引道板由桥面端部的关节支撑，埋在路面下方，另一端由垂直支座支撑。中跨接头包括纵向拉杆，以防过度打开，这可能会使垂直辊失稳。

设计人员担心，由于承重墙刚度较低，桥面可能容易受到悬臂端部垂直激励和桥面模块水平位移的影响。因此，为了防止瞬态荷载下的过度移动，在岸边悬臂上安装了垂直阻尼器，在跨中跨接缝处安装了水平阻尼器，在桥墩处安装了肋挡块，在桥端安装了惯性挡块。气动阻尼机构由一个钢制活塞组成，该钢制活塞在一个钢制气缸内移动（参见后面的图4）。

图2.中跨接头详情

中跨节点的总体布置如图2所示。垂直荷载通过位于桥面箱梁腹板中心线上的滚动轴承传递。这些由1016 mm（40 in）长、108 mm（4frac14;in）厚的钢材组成。406 mm（16 in）内腹板。图6（见下文）显示了一个典型的垂直滚动轴承。由扭转剪切流产生的水平剪切力通过水平滚动轴承在桥面（顶部）和拱顶（底部）板之间传递。箱梁间横向板上的垂直滚子轴承将活载下的剪切力从悬臂转移到中跨。荷载通过压路机轴承通过铸钢件传递到接缝两侧的混凝土平台上。为了尽量减少腹板开裂，垂直滚动轴承支撑在钢牛腿上，钢牛腿用预应力钢筋固定在混凝土上。

4. 检查和监测

伦德尔有限公司于2013年进行了一次主要检查，发现中跨滚子轴承总成存在重大缺陷。支座表面腐蚀严重，变形严重，部分中跨节点抗扭桥面及拱顶板水平辊缺失。人们担心，这可能导致荷载分布与最初设计的荷载分布发生变化，导致某些结构构件超载。

鉴于桥梁性能和强度的不确定性，决定对桥梁进行调查，然后进行全活载评估。关节研究的重点是确定以下内容：

amp;桥端惯性挡块的有效性；

amp;桥面与墩身墙端部挡块的有效性；

amp;纵向位移作用下承重墙和桥墩沉箱的位移和转动；

amp;膨胀节在循环温度变化下的运动量。

在2010年7月至9月期间，对北部和南部桥台以及中心跨度两端的伸缩缝运动进行了为期三个月的监测。测量固定位置处的水平接缝间隙，精度为plusmn;1 mm，位于混凝土面上的目标之间。在白天每隔两周进行一次特殊检查时进行测量。测量时伸缩缝间隙与环境温度的关系如图3所示。从点的分散性可以得出结论，在热效应作用下，甲板的自由水平移动必须有一定的阻力。

预计所有四个位置都会发生温度移动；然而，在中心跨度的末端没有测量到明显的移动。在中跨伸缩缝处，观察到一些可能干扰桥梁正常（设计师预期）移动的特征。其中包括主管道的局部位移。

滚落下支架、腐蚀的扎带、阻碍接缝间隙的碎屑和中央箱梁单元中的水平减震器（图4），这些部件似乎部分或完全锁定。

同样，预计桥台处伸缩缝的移动相等，但数据表明桥梁的行为是不对称的。然后意识到，当南桥引道重新修建时，伸缩缝细节已经修改。这导致了由于引桥伸缩而产生的附加接缝位移。

进一步仔细检查桥墩2、3和4处的肋挡（图1），发现可用间隙小于原始设计文件中的预期。为了使桥梁按照最初的预期自由连接，预计1号和4号桥墩中心线的名义对称移动。表1显示了在最近的主要的检查期间记录的间隙，以及它们与桥墩2和3处的理论竣工值10 mm和桥墩4处3 mm的变化。在桥墩2处，承重墙名义上位于两个挡块之间，而在桥墩3处，承重墙似乎与南侧挡块接触。最初施工时，在每个桥墩处使用垂直千斤顶系统来平衡初始固结沉降。由于止动块及其座面具有倾斜于垂直方向的接触面，因此在该操作过程中可能会发生与理论间隙的变化。由于难以接近，无法测量桥台惯性挡块处的间隙，但在南端，它们被碎片堵塞，可能阻碍了该位置的自由移动。

图3.节点运动

图4.中跨减振器照片

5. 负荷评估

在确定了桥梁当前状态下的铰接运动后，进行了荷载评估。这座桥的设计符合交通部的标准。

公路桥梁荷载（1922年后），但没有车道折减系数。横向桥面构件设计用于2个20t车轮荷载（包括冲击裕度）。决定根据BD21/01（公路局，2001年）进行额定荷载，但应WCC的要求，评估活荷载应与人行道上单个32000 kg重量的桥下检查车辆的荷载相结合。从下部结构检查来看，墩台沉箱处于合理状态，没有异常沉降或过度沉降的迹象，因此决定仅将承重墙纳入评估模型。

表1肋骨止动间隙 单位：mm

最初，分析中使用的材料强度和性能取自“新滑铁卢大桥（Buckton和Cuerel，1943年），如下所示：

amp;28 d时混凝土最小抗压强度29 N/mm²（4200 psi），3个月时混凝土最小抗压强度34.5 N/mm²（5000 psi）

amp;钢筋最小屈服强度248 N/mm²（36 000 psi）

amp;预应力钢筋的最小屈服强度310 N/mm²（45 000 psi）；这是钢筋受力的最大值。

amp;混凝土弹性模量28kN/mm²（短期）

amp;钢筋弹性模量200 kN/mm²

amp;预应力钢筋弹性模量200kN/mm²

资料编号：[4028]