天津海門橋混凝土橋面板維修設(shè)計

鄧錦平，袁有為，王艷寧

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051）

0 前言

天津塘沽海門大橋始建于1982年，1985年正式竣工通車，是天津塘沽地區(qū)溝通海河南北兩岸的重要交通樞紐。同時它也是我國早期開啟橋中跨度最大、提升高度最高的直升式公路橋。海門大橋由主橋(提升跨、甲乙型跨)、引橋、引道等3部分組成，總長903.74 m，主橋立面布置詳見圖1所示。

圖1 海門大橋主橋立面布置

主橋為48 m+48 m+64 m+48 m+48 m的5跨簡支下承式栓焊桁架，鋼桁架桁高8 m，桁架中心距15.2 m。中間跨為提升跨，跨徑64 m，提升高度24 m，橋面板為12 mm厚鋼板，采用環(huán)氧瀝青鋪裝層。提升跨左右相鄰跨為甲型跨，跨徑為48 m，相應(yīng)的鋼桁架梁上建有45 m高的提升鋼塔架。甲型跨兩端為乙型跨，跨徑為48 m，甲乙型跨橋面板均為12 cm厚預(yù)制混凝土板。

1 原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設(shè)計車速：40 ～50 km/h。

（3）設(shè)計荷載：汽車－20級，掛車—100，人群荷載，整體分析時采用 2.5 kN/m2，局部分析時采用3.5 kN/m2。

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級。

（6）橋面縱坡：開啟跨支點為平坡，甲型梁和乙型梁支點連線分別在1.28%和 2.2%的坡度上，兩岸引橋橋面縱坡均為2.2%。正橋橋面按前述縱坡組成半徑為4 600 m豎曲線以利行車與外觀。

（7）橋面橫坡：正橋橋面雙向 1%橫坡，人行道單向1%。

（8）橋面布置（主橋）：機動車道寬度為14 m，兩側(cè)各設(shè)2 m寬人行道，在兩者之間設(shè) 1 m隔離帶(由緣石和鋼梁主桁組成)，橋面凈寬20 m。

2 舊橋面板主要病害

車行道混凝土橋面板全寬14.4 m，厚12 cm，縱向支承在間距為1.9 m間隔的鋼縱梁上，在鋼縱梁上設(shè)置高度不等的素混凝土墊塊實現(xiàn)橋面橫坡，墊塊通過每2 m一組的螺栓和鋼縱梁連成整體，橋面板橫斷面如圖2所示。橋面鋪裝采用2 cm瀝青磨耗層+5 cmC30細石混凝土。

圖2 舊橋面板橫斷布置(單位：cm)

經(jīng)過近30年的使用，南、北甲型跨和乙型跨的混凝土橋面板開裂現(xiàn)象普遍，桁架主結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大病害。雖然經(jīng)過歷次加固和大修，根據(jù)最新檢測報告，嚴重開裂的橋面板占整個南、北甲型跨和乙型跨橋面板的6%。橋面板下混凝土墊塊大部分壓碎或缺失，部分缺失處用木條替代。為使海門大橋的承載能力恢復(fù)到原設(shè)計荷載水平，檢測單位建議將甲乙型跨橋面板拆除重建。

導(dǎo)致橋面板主要病害有兩個原因：橋面板偏薄，同時超載加劇了橋面板的破壞；素混凝土墊塊缺失或壓碎，橋面板和鋼梁之間缺乏有效連接，導(dǎo)致橋面板受力模式發(fā)生變化，原有結(jié)構(gòu)配筋不能滿足受力要求。

3 橋面板設(shè)計

橋面板厚度選擇主要參考日本相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，日本《道路橋示方書》規(guī)定，鋼橋鋼筋混凝土橋面板的最小厚度必須滿足表1的要求，并且車行道部分的橋面板厚度不得小于160 mm。對于鋼筋混凝土橋面板，鋼筋最大使用應(yīng)力小于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力的80%；對于結(jié)合梁等維修困難的橋梁，鋼筋最大使用應(yīng)力一般控制在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力的67%。

表1 車行道部分混凝土橋面板最小厚度（單位：mm）

鋼縱梁間距1.9 m，按表1公式計算，橋面板厚度需要167 mm。海門橋為開啟橋，兩側(cè)甲型跨上有提升跨的塔架結(jié)構(gòu)，甲型跨的跨中撓度值的增加對塔架垂度有影響，可能導(dǎo)致提升跨無法提升，因此橋面板不能增厚太多。

最終采用16 cm厚的C40防水混凝土，混凝土板上設(shè)置1 cm的應(yīng)力吸收層，磨耗層為5 cm AC-16C的中粒式瀝青混凝土，橋面板加鋪裝層總厚度為22 cm，較原設(shè)計增厚3 cm，一跨總重增加65 t。橋面板厚度增加后，提升塔架向邊跨側(cè)傾斜位移為53 mm，較原設(shè)計位移48 mm增加了5 mm，施工完成后對提升跨的提升并無影響。橋面板下緣配筋為φ 20@10 cm，上緣配筋為φ 16@10 cm，按140 kN的后軸軸載并考慮0.3的沖擊系數(shù)計算，下緣鋼筋應(yīng)力為145 MPa，上緣鋼筋應(yīng)力為120 MPa。

橋面板加厚后，原鋼桁架結(jié)構(gòu)桿件最大拉壓應(yīng)力以及節(jié)點板驗算也滿足規(guī)范要求。

4 剪力連接件設(shè)計

4.1 剪力連接件選擇

除了長期的超載運行外，導(dǎo)致原設(shè)計的橋面板破損嚴重還有一個重要的原因：橋面板下混凝土墊塊壓碎或缺失導(dǎo)致橋面板受力模式發(fā)生變化。因此，為了使混凝土橋面板與鋼梁共同工作，在兩者之間必須設(shè)置剪力連接件。目前，國內(nèi)常用的剪力連接件有剪力釘和開孔板連接件。

剪力釘連接件受力沒有方向性，不像開孔板連接件需要考慮受力方向進行設(shè)置，剪力釘和鋼梁的連接需要專用焊接機，操作技術(shù)不需要很高，焊接質(zhì)量容易保證。對于疲勞而言，由于鋼梁翼緣彎曲應(yīng)力和組合作用引起的截面剪應(yīng)力的綜合作用,加之剪力釘?shù)暮附訒砗附尤毕莺秃附託堄鄳?yīng)力,因此疲勞裂紋總是始于剪力釘連接的焊縫處，因此保證焊接質(zhì)量對剪力釘疲勞強度以及構(gòu)件疲勞強度相當(dāng)重要。

開孔板連接件是依靠鋼板圓孔中的混凝土承擔(dān)鋼與混凝土之間作用力的新型連接件。其破壞形式是圓孔中混凝土的破壞，因此不存在疲勞破壞的問題。這種連接件的抗剪性能突出，如果在圓孔中貫通鋼筋，可進一步增加連接件的抗剪剛度、強度和延性。開孔板和鋼梁之間通過角焊縫連接，施工簡便，但用鋼量較大。

該橋為維修項目，所有焊接工作均在現(xiàn)場完成，結(jié)合焊接質(zhì)量和抗疲勞性能，連接件采用開孔板連接件。鋼縱梁翼緣上設(shè)置兩塊高120 mm、厚12 mm的開孔鋼板，開孔鋼板中心距為12 cm，鋼板上設(shè)置間距150 mm直徑為60 mm的圓孔，孔內(nèi)貫通直徑16 mm的HRB335鋼筋。

4.2 結(jié)構(gòu)分析

取甲型跨建立計算模型（未考慮提升塔架），桁架梁桿件為實際截面，混凝土橋面板采用梁格模型。在現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法中，采用彈簧元對開孔板連接件的模擬是較為方便和準(zhǔn)確的，但是這種模擬方式需要通過大量的實測數(shù)據(jù)來擬核開孔板連接件的抗剪剛度計算式。為簡化計算，剪力連接件采用剛性連接模擬，沿縱梁方向每延米一個。全橋共有1 433個單元，966個節(jié)點，模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)整體模型

開孔板連接件的受力機理主要有三個方面：一是依靠孔中混凝土和鋼筋的抗剪作用承擔(dān)沿鋼板的縱向剪力；二是依靠孔中混凝土和鋼筋的抗剪作用承擔(dān)鋼與混凝土間的分離力；三是依靠鋼板受壓承擔(dān)面外的橫向剪力。

對于開孔板極限承載力計算式的研究，現(xiàn)在已有多種形式：一種是以Leonhardt為代表的將鋼筋抗剪作用考慮在孔中混凝土的抗剪作用中；一種是考慮孔中混凝土和貫通鋼筋的分別作用；還有一種不僅考慮孔中混凝土和貫通鋼筋的抗剪作用，還將開孔板底部的混凝土承壓作用加以考慮，這種計算式在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較少，橋梁結(jié)構(gòu)中所采用的開孔板連接件主要為多孔抗剪的形式，底部混凝土的承壓作用相對很小，可忽略不計。

Hosaka等人對貫通鋼筋的抗剪作用進行了研究，將開孔板的抗剪極限承載力分為有貫通鋼筋和無貫通鋼筋兩種。在有貫通鋼筋的計算式中，認為開孔板的極限承載力由孔中混凝土和貫通鋼筋分別作用，通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了計算式：

Nishium等人通過試驗觀察到開孔板連接件在最大荷載作用時，貫通鋼筋都已屈服，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了計算式：

鋼混結(jié)合梁中對剪力件內(nèi)力影響的因素主要有：恒載（包括二期恒載），溫度、混凝土收縮徐變、活載等。考慮最不利組合，開孔板連接件每延米最大拉拔力為364.8 kN，每延米最大橫向剪力為1 334.9 kN，每延米最大縱向剪力為758.8 kN。根據(jù)上述Hosaka公式和Nishium公式計算，開孔板抗剪板極限承載力滿足使用要求。

5 結(jié)論

開孔板連接件具有抗剪強度大、不易疲勞等優(yōu)點，在需要現(xiàn)場焊接的維修項目中，更具有施工簡便的優(yōu)點。通過通車近一年的檢驗，維修后的海門橋行車舒適性及安全性均得到了大幅度提升。

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