頂推連續(xù)鋼箱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅正熠

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙　410000)

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頂推連續(xù)鋼箱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅正熠

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙410000)

摘要：衡陽某快速路高架橋，根據(jù)施工場地及通行條件的限制，通過方案比選確定了頂推連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計(jì)和施工方案?；阡撓淞簶?gòu)造和受力特點(diǎn)，總結(jié)和分析了鋼箱梁裂縫的類型和成因，提出了一些優(yōu)化改進(jìn)措施：提高橋面板豎向剛度，改進(jìn)U肋與橋面板的焊接工藝以及在橫隔板位置處U肋設(shè)置小內(nèi)隔板等。將這些措施應(yīng)用于該橋的設(shè)計(jì)中，結(jié)果表明箱梁各組件之間剛度比搭配較好，正常使用階段各組件工作性能良好，變形協(xié)調(diào)性很好，焊縫處受力在可控范圍內(nèi)，橋面板的抗疲勞能力高，U肋和橫隔板的局部應(yīng)力狀態(tài)明顯改善，應(yīng)力水平降低。最后對(duì)橋梁頂推施工的全過程進(jìn)行了受力分析。提出的鋼箱梁裂縫控制措施可為今后同類橋梁設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)鋼箱梁； 頂推法； 疲勞裂縫； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 施工過程

1工程概況

衡陽某快速路高架橋上跨城市主干道，根據(jù)實(shí)際工程情況，主梁分別設(shè)計(jì)了連續(xù)鋼箱梁和連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁兩種方案。連續(xù)混凝土梁可以采用支架法或懸臂澆筑法施工。支架法需要大量的施工支架，在城市主干道上搭設(shè)支架影響主干道的通行。而懸臂澆筑法，施工工序較復(fù)雜，工期長，掛籃設(shè)備及錨固裝置構(gòu)造復(fù)雜，一次性投入大，高空墜物較難預(yù)防，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。鋼箱梁可以采用工廠制造部件，拼場拼裝梁段，現(xiàn)場吊裝與連接梁段的方法和工序，既能保證梁段的制造質(zhì)量，又能節(jié)約施工時(shí)間，加快橋梁的建造速度。頂推法施工作業(yè)場地集中，可以節(jié)省施工用地，施工設(shè)備簡便，無需大型起吊設(shè)備和大量的施工腳手架，可不中斷交通或通航，橋梁節(jié)段可在一個(gè)固定場地制作，便于施工管理，避免高空作業(yè)，節(jié)約勞力，施工安全，結(jié)構(gòu)整體性好[1]。因此，綜合考慮施工場地條件和既有城市主干道行車安全與通暢等因素，主梁決定采用(27+37+37+25)m四跨連續(xù)鋼箱梁，施工方法選擇頂推法。

2鋼箱梁裂縫類型及成因分析

隨著中國鋼材產(chǎn)量的提高，鋼結(jié)構(gòu)加工與制造技術(shù)的發(fā)展，鋼橋的建造數(shù)量在不斷的增加。特別在市政道路的高架橋中，鋼箱梁因其抗扭性能好、施工速度快、施工可減少對(duì)交通的影響等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的橋梁工程師的關(guān)注[2]。但由于早期鋼橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，橋梁鋼箱梁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的疲勞開裂現(xiàn)象。開裂后，對(duì)鋼箱梁的維修工作十分困難，維修費(fèi)用高，且維修后很難有效地抑制鋼箱梁繼續(xù)開裂[3]。箱梁內(nèi)裂縫的產(chǎn)生及其發(fā)展，很大程度上影響了橋梁的使用壽命及行車安全。因此了解鋼箱梁常見裂縫類型、產(chǎn)生原因，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、維修加固和安全使用顯得尤為重要。

2.1裂縫類型

2.1.1角焊縫裂縫

角焊縫裂縫主要分為U肋與面板角焊縫裂縫、橫隔板與面板角焊縫裂縫、橫隔板與U肋角焊縫裂縫、縱隔板與面板角焊縫裂縫四類。焊縫裂縫主要集中在車輪輪重的正下方區(qū)域，焊縫裂縫在水平平面上多成區(qū)域性分布。

2.1.2U肋裂縫

U肋開裂數(shù)量較多，主要集中在橋面車行區(qū)域，一般是U肋與橋面板焊縫先開裂，然后一端往U肋腹板處延伸，形成傾角約45°的裂口，多數(shù)延伸到U肋腹板范圍終止，很少繼續(xù)延伸至U肋底板，在U肋橫斷面上貫通。

2.1.3U肋過焊孔處橫隔板裂縫

U肋過焊孔處橫隔板裂縫出現(xiàn)在頂部連接段的下緣過焊孔圓弧位置，車流量較大的一側(cè)裂縫數(shù)量明顯較多，常常從U肋與橫隔板的連接處底部開始沿著焊縫向上或者是斜向上發(fā)展。

2.1.4U肋對(duì)接嵌補(bǔ)段的焊縫豎向開裂

嵌補(bǔ)段的對(duì)接焊縫采用的仰焊縫，焊接質(zhì)量不易保證，容易出現(xiàn)焊接缺陷，造成受力的薄弱區(qū)，在車輛荷載引起的彎矩作用下容易產(chǎn)生豎向裂紋。

上述4種鋼箱梁裂縫的形態(tài)如圖1所示。

圖1　鋼箱梁裂縫分布形態(tài)

2.2裂紋成因分析

2.2.1活載引起的疲勞破壞

疲勞破壞是鋼材在反復(fù)荷載引起的脈動(dòng)應(yīng)力作用下，由于缺陷或疵點(diǎn)處局部微細(xì)裂縫的形成和發(fā)展直到最后發(fā)生脆性開裂的一種進(jìn)行性破壞過程。鋼箱梁的疲勞裂紋分為主應(yīng)力引起的平面內(nèi)疲勞裂紋和次應(yīng)力引起的平面外疲勞裂紋。在活載的反復(fù)作用下，鋼材的疲勞強(qiáng)度在低于其抗拉強(qiáng)度的情況下，隨著疲勞的不斷累積而發(fā)生破壞。同時(shí)應(yīng)力集中、拉應(yīng)力等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。因此，鋼箱梁中的薄弱部位和拉應(yīng)力集中部位，在交變荷載作用下容易出現(xiàn)疲勞裂紋。U肋過焊孔處橫隔板容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在活載的反復(fù)作用下，最終導(dǎo)致疲勞破壞。

2.2.2重載引起的結(jié)構(gòu)變形過大

在重型荷載作用下，鋼箱梁結(jié)構(gòu)中的局部位置的材料可能進(jìn)入彈塑性階段，使部分構(gòu)件的變形過大。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貨運(yùn)交通的日益頻繁，重載、超載及嚴(yán)重超載現(xiàn)象相對(duì)比較普遍。鋼箱梁頂板和U肋相當(dāng)于只承于彈性支座上的多跨梁，直接作用于U肋和頂板的局部輪壓荷載，在中部導(dǎo)致頂板和U肋的聯(lián)合撓曲，進(jìn)而在焊接裂縫處出現(xiàn)疲勞裂紋，向下發(fā)展直至貫通。在較大的豎向輪壓荷載作用下，端部橋面板和U肋焊接處將產(chǎn)生較大的固端彎矩，并帶有高度的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂縫開裂。U肋裂縫和U肋與頂板的角焊縫裂縫多屬于此類裂縫。

2.2.3制作過程中的焊接缺陷

鋼箱梁的鋼板之間主要是通過焊縫連接。焊縫連接處承受與其方向垂直的交變荷載作用時(shí)，焊接缺陷及局部應(yīng)力集中，均易誘發(fā)疲勞破壞，產(chǎn)生裂紋。同時(shí)，焊縫還可以產(chǎn)生撕裂脫開等病害。因此，焊縫質(zhì)量直接關(guān)系到焊縫裂縫的產(chǎn)生。焊縫裂縫正在水平平面上多成區(qū)域性分布的特點(diǎn)，多是由于焊接質(zhì)量無法保證而導(dǎo)致的。

3本橋設(shè)計(jì)方案

我國第一批修建的鋼箱梁橋運(yùn)行至今近20 a，這些早期修建的鋼橋?qū)嶋H運(yùn)營荷載較原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)生很大的變化。通過對(duì)既有鋼橋已發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行深入研究，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出一系列鋼箱梁性能改善措施，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 橋面板厚度加大，橫隔板間距減小。

早期鋼箱梁頂、底板的設(shè)計(jì)中，厚度主要采用12 mm。目前頂、底板厚度的選擇一般為16 mm，有些重車道的橋面板設(shè)計(jì)厚度為18 mm。

另外，早期修建的鋼箱梁橋橫隔板縱向間距偏大，約為3～4 m一道。隨著對(duì)橋面板受力特性的認(rèn)識(shí)不斷深入，目前已建或者在建鋼橋相鄰橫隔板的間距一般取為2.5～3.5 m，且通常會(huì)在相鄰的2個(gè)橫隔板之間增設(shè)一道小橫隔板。

2) 改進(jìn)U肋與橋面板的焊接工藝。

正交異性鋼橋面板的構(gòu)造復(fù)雜，連接較多，承受車輛荷載的反復(fù)作用，以及橋面板自身的缺陷以及設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于橋面板工作機(jī)理的認(rèn)識(shí)不透徹，導(dǎo)致了橋面板容易受到疲勞損傷。

U肋與橋面板的焊接主要是采用單邊的不完全熔透角焊縫，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對(duì)該細(xì)節(jié)的疲勞壽命產(chǎn)生很大的影響。目前主要是通過以下3個(gè)方面改進(jìn)U肋與橋面板的焊接工藝： ①通過埋弧自動(dòng)焊來代替人工焊； ②通過超聲沖擊來減小焊接帶來的殘余應(yīng)力； ③嚴(yán)格控制焊縫達(dá)到規(guī)范要求[3]。

3) 在U肋的內(nèi)部設(shè)置小內(nèi)橫隔。

由于U肋穿過橫隔板時(shí)，橫隔板需要開口。在承受車輪荷載時(shí)，容易在U肋與橫隔板的焊縫連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了減小切割橫隔板帶來的損害，以及防止縱向U肋的橋面板發(fā)生變形，在焊接前，將一塊鋼板放在對(duì)應(yīng)橫隔板平面U肋內(nèi)，增加其整體性，減小疲勞損傷。

將以上改進(jìn)措施應(yīng)用于該橋，主梁結(jié)構(gòu)形式如圖2～圖5所示。鋼箱梁外形尺寸：橋面采用2%的橫坡，以利于排水；梁外邊緣高1.925 m，內(nèi)邊緣高1.752 5 m；箱梁頂、底板均為正交異性板，板厚16 mm，頂板向箱梁兩邊各外伸2.5 m，并在橫隔板對(duì)應(yīng)位置處采用一梯形板加勁，頂板寬17 m，底板寬12 m，頂板采用U形加勁肋，U肋厚8 mm，底板采用T形加勁肋，T肋腹板厚8 mm，翼緣板厚10 mm；箱梁腹板厚12 mm，箱梁中部設(shè)置2道縱隔板，板厚12 mm，間距為4 m；沿橋縱向每隔2 m設(shè)置1道橫隔板，在支點(diǎn)附近加密加厚，邊跨支點(diǎn)處加勁肋厚14 mm，中支點(diǎn)處加勁肋厚12 mm，其他加勁肋厚10 mm；在頂板U肋與橫隔板對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置了小隔板；加勁肋與鋼箱梁內(nèi)側(cè)采用焊接方式連接。

圖2　鋼箱梁立面圖(單位： mm)

圖3　鋼箱梁平面圖(單位： mm)

圖4　鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位： mm)

另外，由于鋼橋面剛度相對(duì)較小，變形較大，要求橋面鋪裝具有良好的變形隨從性，同時(shí)橋面鋪裝兼具保護(hù)主梁免受雨水侵蝕，分布車輛輪重的作用，因此對(duì)鋼橋面鋪裝性能要求較高。該橋橋面鋪裝設(shè)計(jì)利用適用于鋼橋面鋪裝的耐高溫、耐老化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋼橋面進(jìn)行防腐、防水處理，同時(shí)在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠上均勻撒布經(jīng)過特殊級(jí)配設(shè)計(jì)的玄武巖質(zhì)碎石，形成粗糙界面，實(shí)現(xiàn)鋼橋面板與鋪裝層間的高粘結(jié)強(qiáng)度，提高鋪裝層的抗滑移、開裂能力；采用高質(zhì)量纖維和高粘度改性瀝青，優(yōu)化SMA10配比，制備出高車轍動(dòng)穩(wěn)定度、低空隙連通率，優(yōu)良耐高溫性、低溫抗裂性及高水穩(wěn)定性的鋪裝下面層SMA10；優(yōu)化面層SMA13的配比，提高其抗車轍、抗水穩(wěn)性，延長其使用壽命，以期解決鋼箱梁橋橋面鋪裝普遍存在的推移、開裂、擁包等病害[4]。經(jīng)過目前的運(yùn)營和定期檢測，狀況良好，橋面也未見裂縫、起包等。

圖5　箱梁局部詳圖(單位： mm)

4施工階段受力分析

頂推施工布置如圖6所示。施工步驟如下：

1) 在1#墩與2#墩間搭設(shè)頂推平臺(tái)并進(jìn)行支架預(yù)壓，預(yù)壓重量不小于上部主梁重量的100%，且保證連續(xù)48 h以上，沉降量小于3 mm；在平臺(tái)上設(shè)置滑道，在2#墩至3#墩中間搭設(shè)臨時(shí)支墩，安裝好2#墩至6#墩頂部的滑道、橫向限位裝置。支架長度應(yīng)能保證被支承的鋼箱最小長度不小于25 m，以防止頂推過程中大懸臂時(shí)的傾覆。

圖6　施工布置圖

2) 吊裝鋼箱梁及導(dǎo)梁，在支架上就位，注意保持滑道的清潔。

3) 頂推第1段鋼箱梁到位。

4) 吊裝下一段鋼箱梁，在支架上就位，與前一段鋼箱梁焊接。

5) 頂推過程中，應(yīng)對(duì)箱梁、導(dǎo)梁的橫、豎向變位、滑道頂標(biāo)高等進(jìn)行監(jiān)控，以保證頂推施工安全。

6) 由于箱梁設(shè)有豎曲線，注意調(diào)整滑道的高度或增加填板厚度，保證頂推過程中箱梁、滑道有效接觸。

7) 重復(fù)步驟“2)、3)”，循環(huán)向前頂推前進(jìn)。

8) 全部箱梁頂推到位，拆除導(dǎo)梁。

9) 在箱梁臨時(shí)頂點(diǎn)處頂起箱梁，拆除滑道。

10) 安放永久支座、落梁。最好各墩同時(shí)落梁，若支座與梁底距離較長，應(yīng)各墩多次交替，逐級(jí)落架。逐級(jí)落架時(shí)頂點(diǎn)處的豎向位移差不得大于10 mm。

11) 拆除支架及臨時(shí)支墩。

12) 進(jìn)行橋面鋪裝及防撞欄桿的施工，完成鋼箱梁架設(shè)。

由于鋼箱梁頂推過程中，各梁段的受力狀態(tài)處于不斷變化的過程中，因此需要對(duì)施工過程進(jìn)行受力分析，以保證施工的安全性。利用有限元軟件MIDAS CIVIL，采用墩動(dòng)梁不動(dòng)的倒退方法建立全橋板單元模型，模擬整個(gè)頂推過程。全橋模型如圖7所示，共有板單元38 598個(gè)，節(jié)點(diǎn)34 082個(gè)，施工階段46個(gè)。鋼箱梁在施工荷載及自重作用下達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)梁前端產(chǎn)生的最大撓度最大，此時(shí)導(dǎo)梁最前端下?lián)?1 mm，最大應(yīng)力為129 MPa<[σ]=220 MPa，均滿足規(guī)范要求。最大懸臂狀態(tài)模型見圖8。圖9為主梁成橋狀態(tài)，此時(shí)主梁最大撓度和應(yīng)力分別為11 mm和119 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖7　全橋有限元模型

圖8　最大懸臂階段

圖9　成橋階段

5運(yùn)營階段受力分析

該橋箱梁寬17 m，高1.925 m，屬于扁平鋼箱梁，扁平鋼箱梁既有正交異性板橋的特點(diǎn)，又有薄壁箱梁的特點(diǎn)，正常使用時(shí)，既受彎又受扭，存在嚴(yán)重的彎扭耦合，同時(shí)箱梁正交異性橋面板承受車輪荷載反復(fù)作用，疲勞問題突出，另外鋼橋存在大量的焊縫，焊接殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加對(duì)橋梁的正常使用不利。因此，對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了箱梁剪力滯效應(yīng)，焊縫處焊接殘余應(yīng)力以及疲勞敏感部位的應(yīng)力變化等。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，利用有限元軟件ANSYS，建立了局部殼單元模型(圖10)。模型共有殼單元45 287個(gè)，節(jié)點(diǎn)43 266個(gè)。分別對(duì)其進(jìn)行了抗彎和疲勞分析，其中疲勞分析采用四軸單車模型[5]。結(jié)果表明箱梁各組件之間剛度比搭配較好，正常使用階段各組件工作性能良好，變形協(xié)調(diào)性很好，焊縫處受力在可控范圍內(nèi)，橋面板的抗疲勞能力高。

圖10　局部節(jié)段模型

6結(jié)語

鋼箱梁可以采用工廠制造部件，拼場拼裝梁段，現(xiàn)場吊裝與連接梁段的方法和工序，既能保證梁段的制造質(zhì)量，又能節(jié)約施工時(shí)間，加快橋梁的建造速度。頂推法施工作業(yè)場地集中，可以節(jié)省施工用地，施工設(shè)備簡便，無需大型起吊設(shè)備和大量的施工腳手架，可不中斷交通或通航，橋梁節(jié)段可在一個(gè)固定場地制作，便于施工管理，避免高空作業(yè)，節(jié)約勞力，施工安全，結(jié)構(gòu)整體性好。對(duì)于市政道路的高架橋可以選擇頂推連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計(jì)和施工方案。針對(duì)既有鋼箱梁橋的典型病害，分析了鋼箱梁裂縫的類型和成因，提出了一些關(guān)鍵部位裂縫形成的優(yōu)化改進(jìn)控制措施：提高橋面板豎向剛度，改進(jìn)U肋與橋面板的焊接工藝以及在橫隔板位置處U肋設(shè)置小內(nèi)隔板等。將這些措施應(yīng)用于衡陽某快速路高架橋的設(shè)計(jì)中，結(jié)果表明箱梁各組件之間剛度比搭配較好，正常使用階段各組件工作性能良好，變形協(xié)調(diào)性很好，焊縫處受力在可控范圍內(nèi)，橋面板的抗疲勞能力高，U肋和橫隔板的局部應(yīng)力狀態(tài)明顯改善，應(yīng)力水平降低，但應(yīng)注意橫隔板在U肋和橋面板焊縫對(duì)應(yīng)位置處應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)倪^焊孔，以減少應(yīng)力集中。最后對(duì)橋梁頂推施工的全過程進(jìn)行了受力分析。本文提出的鋼箱梁裂紋控制措施可供今后同類橋梁設(shè)計(jì)與施工參考。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0177-05

收稿日期:2016-01-13

作者簡介:羅正熠( 1983-) ，男，工程師，主要從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：U 442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A