懸臂式行車道板伸縮裝置設(shè)計與施工要點

馮淑珍，崔海，劉夕強

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 210000；2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司)

1 項目概況

某鉚接五跨鋼桁梁于1964年建成通車，橋梁布置如圖1所示。大橋全長384 m，總體上為簡支梁帶掛孔(吊梁)體系，掛孔長度均為48 m。簡支梁支座間距離為80 m，每側(cè)懸臂20 m與吊梁通過鉸軸連接為整體。大橋鋼桁梁為帶豎桿的三角桁架，桁高6.2 m，節(jié)間長度4 m。主梁在橋墩支座處設(shè)有加勁弦桿，高度為9 m。

圖1 某鋼桁梁立面(單位：m)

早期設(shè)計的鋼桁梁多采用預(yù)制混凝土行車道板。行車道板不參與主桁架受力，擱置于主桁結(jié)構(gòu)上，并間隔一定距離設(shè)置伸縮裝置。大橋除了在梁端和鉸接位置設(shè)置大型伸縮裝置外，在每跨內(nèi)每間隔24 m(6個節(jié)間)設(shè)置一道小型伸縮裝置。全橋合計設(shè)置17道伸縮裝置。

2 伸縮裝置安裝位置比選

該橋梁為簡支靜定體系，原則上橋梁伸縮裝置應(yīng)設(shè)置于梁端和鉸接位置，全橋合計為6道。但是伸縮裝置布置于節(jié)點上方還是節(jié)間需要從主桁結(jié)構(gòu)耐久性、行車道板受力特點、伸縮裝置安裝施工及維護(hù)等多方面進(jìn)行比選。

既有混凝土行車道板中，橋梁伸縮裝置均布置于節(jié)點的正上方。運營中發(fā)現(xiàn)，橋梁伸縮裝置止水效果不好，引起節(jié)點處鋼構(gòu)件大量銹蝕，尤其是行車道外側(cè)路緣附近，鋼構(gòu)件銹蝕及垃圾堆積現(xiàn)象普遍存在且十分嚴(yán)重。從保護(hù)主桁結(jié)構(gòu)耐久性出發(fā)，伸縮裝置的安裝位置應(yīng)避開鋼桁梁的主要節(jié)點。

采用鋼結(jié)構(gòu)正交異性行車道板后，預(yù)留的伸縮間隙為500 mm。若將伸縮裝置設(shè)置在節(jié)點位置，則需要在行車道板端部鋼縱梁的頂面設(shè)置支撐，否則懸臂長度將達(dá)到3.5 m，行車道板強度及剛度無法滿足規(guī)范要求。在主桁內(nèi)側(cè)，可直接支撐于鋼縱梁的頂面。但是在主桁外側(cè)托架上則需要沿著縱橋向兩側(cè)增設(shè)支撐點(構(gòu)造形式如圖2所示)。一方面，需要對托架進(jìn)行鉆孔并增加鋼結(jié)構(gòu)，每個托架處需要增加重量約0.45 t；另一方面，托架在新增加支點處承受附加面外彎矩，最大附加面外彎矩達(dá)到28 kN·m；運營階段長期承受該作用時對托架受力不利。

圖2 托架縱橋向增設(shè)支點構(gòu)造示意(單位：cm)

改造以后采用正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板。行車道板縱橫肋均采用倒T形截面?？v肋布置間距為0.43 m，橫肋布置間距為4 mm?？v橫肋翼緣板厚度均為20 mm，寬度為0.2 m。橋面板頂板采用20 mm厚度的中厚板。改造后標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。

圖3 某鋼桁梁改造后橫斷面(單位：cm)

基于結(jié)構(gòu)受力及耐久性兩方面原因，確定橋梁伸縮裝置設(shè)置于節(jié)間中部，行車道板為懸臂受力結(jié)構(gòu)，單側(cè)懸臂長度達(dá)到1.75 m。為了提高懸臂端部行車道板的剛度，行車道板縱梁腹板由10 mm加厚至20 mm。

3 設(shè)計要點

3.1 伸縮裝置選型

橋梁結(jié)構(gòu)體系以及行車道板的支撐體系決定橋面伸縮裝置的規(guī)格和型號。一方面，橋梁在2#、3#墩設(shè)置固定支座，其余支座為活動支座，總體上為對稱體系；另一方面，正交異性鋼橋面板設(shè)計以鉸軸及梁端為界限全橋劃分為5聯(lián)，在每一聯(lián)的中部設(shè)置縱向限位裝置。即行車道板以中部縱向限位裝置為基準(zhǔn)點相對于主桁結(jié)構(gòu)進(jìn)行伸縮。主桁與行車道板的順橋向伸縮相互影響相互制約。

引起行車道板伸縮的因素包括：主桁變形、整體升降溫、溫度梯度。整體升降溫需要綜合考慮主桁邊界及行車道板相對于主桁的約束條件，以第二聯(lián)行車道板為例進(jìn)行推算，以15 ℃為基準(zhǔn)，整體升溫30 ℃時，鋼桁梁與行車道板間相對位移量如表1所示。

表1 整體升溫30 ℃作用下行車道板相對位移量

同理推算，在整體降溫作用下，行車道板與鋼桁梁間無相對伸縮變形。即整體升降溫作用下，行車道板相對于主桁的伸縮量為零。

研究還發(fā)現(xiàn)，不同類型學(xué)校學(xué)生的艾滋病知曉率存在差異，中專/高職/高專高于大學(xué)生，反映出艾滋病的宣傳教育在不同類型學(xué)校間實施的不均衡性［14］，覆蓋不夠全面。有研究顯示，學(xué)歷較高的學(xué)生由于更側(cè)重于專業(yè)知識的研究，導(dǎo)致其艾滋病知識掌握情況不及學(xué)歷較低的學(xué)生［15］。提示艾滋病宣傳教育應(yīng)全面覆蓋不同類型學(xué)校、學(xué)歷人群，不斷提高學(xué)生的艾滋病防治知識水平。

主桁變形引起的板桁間相對伸縮量是存在的，但是由于主桁剛度大、變形量小，板桁之間設(shè)置了抗拉拔裝置，經(jīng)整體計算，由此引起的行車道板端部的伸縮量最大為3 mm，可以忽略。因此，行車道板伸縮裝置的伸縮量主要是由于梯度溫度控制。根據(jù)現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)，在環(huán)境溫度為39.8 ℃時，橋面板最高溫度為60～65 ℃，主桁溫度為40～47 ℃。偏于安全地，板桁溫差按照25 ℃考慮和計算相應(yīng)的伸縮量。同時，懸臂板端部具有4.28 mm的撓度，端部轉(zhuǎn)角約為0.15°。綜合考慮懸臂板同時具有上撓和下?lián)?，且兩?cè)存在不同步可能，選用單元式多向變位橋梁伸縮裝置，且遠(yuǎn)離主桁固定支座鉸接位置伸縮量最大，設(shè)置240型伸縮裝置。伸縮裝置標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

圖4 伸縮裝置標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3.2 相關(guān)結(jié)構(gòu)強度驗算

結(jié)構(gòu)強度驗算應(yīng)包括行車道板及伸縮裝置構(gòu)件。行車道板可簡化為五跨連續(xù)的懸臂梁構(gòu)造?？v肋間距為0.43 m，單片縱肋分配輪載為70×0.43/0.6=50.17 kN。經(jīng)計算，行車道板縱梁彎矩及剪力包絡(luò)圖如圖5所示。

圖5 縱梁在輪載作用下彎矩及剪力包絡(luò)圖

相應(yīng)地截面上緣拉應(yīng)力約為41.1 MPa，下緣壓應(yīng)力約為105.1 MPa，截面剪應(yīng)力為18.5 MPa。

伸縮裝置構(gòu)件除了跨縫板厚度檢算外，重點且容易被忽視的是以支撐板抗剪切驗算為主的構(gòu)件連接強度檢算。計算剪力按照單個車輪的重量施加。雙側(cè)角焊縫有效焊高為8×0.7=5.6 mm，抗剪強度為140 MPa，則焊縫長度不小于50 mm。現(xiàn)場可焊構(gòu)造長度單側(cè)達(dá)到213 mm，具有約4倍的安全系數(shù)。

除此之外，伸縮裝置支撐板與行車道板的焊接質(zhì)量應(yīng)保證結(jié)構(gòu)安全和疲勞要求。要求采用熔透焊接，不低于二級焊縫要求。

3.3 下方支撐設(shè)計

伸縮裝置位于行車道板的懸臂端，懸臂長度為1.7 m。根據(jù)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》，梁的懸臂端允許撓度為L/30=5.67 mm。經(jīng)計算在城-B荷載作用下該懸臂結(jié)構(gòu)下?lián)?.20 mm，上撓1.8 mm，合計為4.28 mm。滿足設(shè)計規(guī)范要求。

為保證行車平順、綜合考慮橋梁運營的復(fù)雜性和不確定性，在懸臂下方設(shè)置板式橡膠支座(GJZ150 mm×200 mm×42 mm)輔助行車道板受力。板式橡膠支座位于行車道板縱肋下方、鋼桁梁縱梁上方。在運營狀態(tài)，板式橡膠支座與行車道板不接觸，支座頂面距離懸臂板下緣2 mm，相當(dāng)于局部作用87.5 kN的集中荷載作用效應(yīng)。板式橡膠支座下方行車道縱梁上設(shè)置角鋼支撐，頂部磨光頂緊以防止疲勞開裂。

4 鋼橋伸縮裝置施工細(xì)節(jié)及質(zhì)量要求

總體上采用先施工橋梁伸縮裝置后攤鋪橋面鋪裝的順序。安裝施工細(xì)節(jié)主要包括以下幾個方面：

(1)為了避免行車沖擊造成后澆帶啃邊以及混凝土開裂等問題，在伸縮裝置端部設(shè)置厚度為20 mm的防撞擋板。防撞擋板與行車道板雙面焊接，應(yīng)具有足夠的強度抵抗沖擊荷載。橋梁伸縮裝置不設(shè)置后澆帶，防撞擋板后方直接銜接橋面鋪裝，橋面鋪裝攤鋪時高于防撞擋板頂面5 mm，且與擋板相接位置應(yīng)反復(fù)碾壓密實。

(2)橋面鋪裝采用澆筑式瀝青混凝土，攤鋪溫度較高。為了避免暫時高溫的影響，橋梁伸縮裝置在安裝和初步調(diào)試完成后，卸除跨縫板，在鋪裝層溫度降低至常溫后重新安裝和調(diào)試。

(3)橡膠止水帶破損造成的漏水會引起鋼橋面板及鋼桁梁銹蝕。為杜絕漏水現(xiàn)象，伸縮裝置在既有橡膠止水帶基礎(chǔ)上增加了不銹鋼止水帶，不銹鋼板厚度2 mm，梁段與行車道板焊接連接。

5 結(jié)語

橋梁伸縮裝置是重要的可更換附屬構(gòu)件，也是在運營過程中發(fā)現(xiàn)病害較多的構(gòu)件。其設(shè)計與選型應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)體系、行車道板邊界條件、行車道板剛度以及氣候條件等多種因素。對于復(fù)雜的橋梁或者行車道板結(jié)構(gòu)體系應(yīng)進(jìn)行專項設(shè)計以保證受力和耐久性要求。在施工階段應(yīng)注重細(xì)節(jié)，精細(xì)化施工以提高橋梁伸縮裝置的耐久性。

在設(shè)計和施工過程中適當(dāng)提高冗余度是十分必要的，以延長伸縮裝置使用壽命。改造后該鋼桁梁橋全橋合計設(shè)置了6道伸縮裝置，大幅度提高了行車舒適性。運營1年后，伸縮裝置服役狀態(tài)良好。