重慶某鋼桁梁橋行車道板改造設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

胡曉紅

中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司

重慶某鋼桁梁橋行車道板改造設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

胡曉紅

中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司

重慶某鋼桁梁橋混凝土行車道板存在嚴重的病害，在正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板設(shè)計中采用了厚板T型肋、縱梁橫梁底板聯(lián)結(jié)的方式以及行車道板變高度設(shè)計解決了降低高度和調(diào)整線形的問題。采用支座的各項功能獨立設(shè)計的方式實現(xiàn)了支座的集合功能并成功將支座高度降低至40mm。采用專用架板機進行架設(shè)、安裝有利于縮短工期、保證施工質(zhì)量。對類似鋼桁梁行車道板改造既有極高的參考價值。

鋼桁梁；行車道板；改造設(shè)計

1. 前言

鋼桁梁具有較大的豎向及橫向剛度，具有較大的跨越能力，在國內(nèi)使用歷史已經(jīng)超過了100年。早期建設(shè)的鋼桁梁由于時代原因多采用陶?；炷粱蚱胀ɑ炷列熊嚨腊?。在設(shè)計理論計算中行車道板不參與鋼桁梁的受力，即不形成組合結(jié)構(gòu)，行車道板僅作為承受橋面荷載的作用并將荷載傳遞至主桁結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)件使用?；诖?，在橋梁設(shè)計使用壽命內(nèi)行車道板應(yīng)至少更換一次。目前國內(nèi)早期修建的鋼桁梁也多面臨著行車道板更換的問題。

重慶某鋼桁梁橋于1966年建成通車，目前已經(jīng)運營超過50年。大橋鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)相對良好，但是混凝土行車道板存在著較嚴重的開裂、滲水等病害。該鋼桁梁的縱、橫梁頂面在同一平面內(nèi)，行車道板厚度小且鋪裝頂面距離橫梁頂面高度小，行車道板改造在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有一定的難度。同時交通壓力、施工組織等方面的也是既有橋梁行車道板改造必須考慮的因素。本文結(jié)合該工程項目詳細介紹其行車道板改造的構(gòu)造及各項關(guān)鍵技術(shù)，旨在為類似改造工程項目提供參考和借鑒。

2. 橋梁概況

該大橋全長625.71m，正橋為68m+80m+88m+80m+68m五跨連續(xù)鉚合鋼桁梁橋，立面布置如圖1所示。南北岸引橋均為混凝土T梁橋。

正橋鋼桁梁第1、3、5孔為吊孔，長度為48m；第2、4孔為雙懸臂簡支鋼桁錨梁，長度為120m，兩端懸臂長度為20m。錨梁與吊梁間采用鉸軸連接。主桁架為平行弦三角形體系，桁高6.2m，節(jié)間長度4m。支點處加勁弦桿高度為9m。

鋼桁梁橫橋向設(shè)置有四片主桁，桁間距4.3m，主桁間設(shè)置剪刀撐，橫斷面布置如圖2所示。

圖1 重慶某鋼桁梁橋立面布置圖/m

圖2 重慶某鋼桁梁橋橫斷面/cm

行車道鋼縱梁與鋼橫梁頂面位于同一平面上，通過上平聯(lián)連接為整體。300號防水混凝土行車道板直接支撐并錨固于縱橫梁頂面。錨固螺栓直徑22mm，縱向標準間距為80cm。同時，行車道板邊緣與行車道邊縱梁現(xiàn)場澆筑混凝土連接為整體。經(jīng)過50余年的使用，行車道板存在著大量的裂縫，并且1/3以上數(shù)量的裂縫寬度超過了0.2mm。行車道板底板網(wǎng)狀開裂的面積超過了總面積的15%，部分位置甚至存在著滲水病害。從結(jié)構(gòu)安全和耐久性方面考慮，行車道板必須進行改造更換。

3. 鋼結(jié)構(gòu)行車道板設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過對預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土行車道板、鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板以及正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板三個方案在造價、工期、施工難度、交通壓力等多方面的比選和論證，最終確定為正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板方案。但是既有行車道板在非支撐位置標準厚度僅有12cm，行車道板頂面至縱橫梁頂面的高差在橋梁中線及路緣附近分別為310mm和190mm。在一定程度上增加了行車道板設(shè)計的難度。改造以后正橋及引橋橋面必須平順銜接，鋼結(jié)構(gòu)行車道板、支座及伸縮裝置設(shè)計等有若干個關(guān)鍵問題需要解決。

3.1 正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板設(shè)計

重慶地區(qū)氣候溫和，最低月平均氣溫約6℃；同時公路橋梁對鋼材性能要求相對較低，因此選擇了大量生產(chǎn)且低溫沖擊性能較好的Q345c鋼。為了節(jié)約空間，鋼結(jié)構(gòu)行車道板在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面從以下幾方面進行優(yōu)化和調(diào)整。(1)不采用傳統(tǒng)的“U”形加勁肋，縱肋及橫梁均采用倒“T”開口肋，同時適當(dāng)加大翼緣板厚度。(2)行車道板的縱肋及橫梁底面齊平并焊接為整體。(3)行車道板各個節(jié)段之間全部采用熔透對接焊。

盡管如此，在城B荷載及組合作用下行車道板在線路中線位置依然需要總高度不低于375mm(路緣側(cè)高度不小于270mm)。綜合考慮支座高度、鋪裝厚度后總高度依然超過現(xiàn)狀路冠高程10cm。為了滿足結(jié)構(gòu)受力及橋面線形的要求，行車道板改造在正橋范圍內(nèi)進行了變截面設(shè)計。在橋梁中部344m范圍內(nèi)，行車道板高度維持不變。在正橋端部20m范圍內(nèi)，行車道板頂面形成了0.5%的縱坡。在橋梁中線位置行車道板高度由375mm調(diào)整至272mm；在路緣側(cè)則有中部的270mm調(diào)整至170mm。

行車道板頂板厚度為20mm?？v肋橫橋向布置標準間距為430mm，腹板厚度10mm，翼緣板厚度20mm，翼緣板寬度為60mm。橫隔板間距4m，鋼桁梁橫梁布置基本相同。橫隔板翼緣板厚度為20mm，寬度為200mm。橫隔板腹板厚度在橋梁中部344m范圍內(nèi)為10mm；隨著行車道板厚度逐漸降低，橫隔板厚度按照2mm級差增加至20mm。

4. 支座設(shè)計

4.1 單向活動支座

行車道板改造是一項綜合性項目。支座是行車道板的支撐和邊界條件，相適應(yīng)的支座設(shè)計是另一關(guān)鍵問題。雖然支座總高度受限，但是支撐、限位、抗拉拔等功能不能降低。為了解決該問題，將支座的各項功能分開實現(xiàn)，同時設(shè)置了單向活動支座、限位裝置和抗拉拔裝置，橋梁支座系統(tǒng)布置如圖3所示(由于篇幅限制僅列出一聯(lián)支座布置情況)。

經(jīng)過分析計算，單向活動支座擬采用球形支座，橫橋向布置間距為2.15m，布置于鋼桁梁縱橫梁相交處。支座總高度為40mm，豎向承載能力為500kN，橫橋向承載能力為50kN?？v橫橋向相對變形量是支座設(shè)計的重要參數(shù)。縱橋向變形量的計算除了要考慮溫度荷載的作用外，還需要考慮恒載以及活載引起主桁變形而導(dǎo)致的行車道板相對于鋼桁梁的伸縮量。橫橋向除了計算常規(guī)溫差作用下各排支座間的位移量外，尚需要重點考慮橋面鋪裝攤鋪高溫作用下的瞬時位移量。澆筑式瀝青混凝土能夠在很短的時間內(nèi)引起頂板升溫150℃～-180℃，引起橋面板縱橫橋向伸長量是正常使用時的4倍甚至以上。除了防止個別支座橫橋向抵死后而引起主桁受力較大或支座錨固螺栓剪斷外，尚應(yīng)采取有效措施防止降溫后行車道板或支座不能恢復(fù)到設(shè)計位置。

本項目中線路中線位置的兩排支座橫橋向允許位移量為±2mm，往路緣方向依次為±5mm、±7mm、±9mm。同時澆筑式瀝青混凝土限制為逐個車道進行攤鋪，恢復(fù)正常溫度后支座的復(fù)位則采用了小直徑螺栓配合沖釘強行矯正的方案。

4.2 縱向限位裝置

為了降低支座的高度，采用縱向限位裝置取代固定支座。在每聯(lián)的中部設(shè)置一排縱向限位裝置，每排4個?？v向限位裝置采用了卡槽式，即在鋼桁梁縱梁和行車道板縱肋上分別設(shè)置凸形和凹形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在正常使用狀態(tài)，上下部結(jié)構(gòu)之間相互咬合10mm。

限位裝置上部結(jié)構(gòu)固定在行車道板縱肋下翼緣板上，在這一節(jié)間范圍內(nèi)翼緣板有標準的60mm寬度調(diào)整到160mm，并設(shè)置8套直徑高強螺栓連接固定。下部則通過4套精致螺栓與鋼桁梁的縱梁連接固定?？v向限位裝置選用了耐磨性能較好的鑄鋼材料，鑄造成型。

4.3 抗拉拔裝置

行車道板在車輛荷載以及主桁變形的綜合作用下會產(chǎn)生向上的拉拔力。仿真分析時應(yīng)采用三維有限元模型，否則該豎向拉拔力將失真或偏差較大。原設(shè)計的混凝土行車道板主要通過間距80cm的錨固螺栓抵抗該拉拔力。通常情況下正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板可通過抗拉拔支座抵抗該拉拔力，但是如此處理時支座高度將達到180mm，甚至更大。因此本項目中設(shè)計了專用的抗拉拔裝置。

經(jīng)計算，每聯(lián)的端部支座均會產(chǎn)生拉拔力，橫橋向靠近外側(cè)第二排支座的拉拔力最大，最大拉拔力達到了34kN。受篇幅限制此處僅列出第三排支座拉拔力縱向分布，如圖5所示。

根據(jù)拉拔力的分布，在每聯(lián)的端部設(shè)置抗拉拔裝置；同時，為了保證在主桁發(fā)生較大變形的情況下行車道板不脫空，在每聯(lián)的中部也增加了抗拉拔裝置，抗拉拔裝置全橋布置如圖6所示。

圖3 橋梁支座系統(tǒng)布置示意圖

圖4 縱向限位裝置構(gòu)造示意圖

圖5 橫橋向第3排支座拉拔力縱橋向分布

圖6 抗拉拔裝置半立面布置圖/m

5. 推薦施工方案

優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮施工的可行性。綜合考慮運輸、吊裝及半幅封閉交通等因素，新制正交異性鋼橋面板板橫橋向分兩塊制造，縱橋向長度與節(jié)間長度相當(dāng)，約為4m。最大板塊重量約為11t，方便板塊的吊裝和架設(shè)。

目前既有橋梁鋼結(jié)構(gòu)行車道板的施工方法主要有汽車吊拼裝法、專用架板機吊裝法等。而專用架板機更加適合流水作業(yè)、有利于縮短工期。同時還具有全自動、結(jié)構(gòu)簡單、自重輕、吊具具有360°旋轉(zhuǎn)功能等優(yōu)勢。架板機采用液壓動力方式，為6支腿門式結(jié)構(gòu)。前支腿支撐在既有橋梁的縱梁或橫梁位置；中、后支腿則支撐于已經(jīng)架設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)行車道板上。新制的鋼結(jié)構(gòu)行車道板利用架板機上的天車吊起并沿著縱向逐塊吊裝并向前推進。因此新制正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板采用專用架板機進行架設(shè)具有一定的優(yōu)勢，且能夠保證施工質(zhì)量、有利于縮短工期。

6. 小結(jié)

混凝土行車道板改造是鋼桁梁普遍面臨和需要解決的問題。目前多采用強度較高的正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板替換原始的混凝土行車道板。本項目通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了超薄行車道板的構(gòu)造和功能。在支座設(shè)計中大膽創(chuàng)新，通過單獨的構(gòu)造實現(xiàn)支座的集合功能。同時通過該方法在保證支座功能完善的前提下實現(xiàn)了大幅度降低支座高度。

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