某改造橋梁鋼板組合梁設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)淺析

■韓少波 周曉晨

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210015)

1 項(xiàng)目背景及工程概況

某工程高架橋全長(zhǎng)約6.2km，于1998年建成通車，通車初期貨車比例高，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損。近年的橋梁檢測(cè)結(jié)果表明，部分橋跨上部空心板梁產(chǎn)生了斜向剪切裂縫，評(píng)定為四類橋梁，且全橋空心板裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬段并未穩(wěn)定，仍處于不斷發(fā)展之中；下部結(jié)構(gòu)病害較少，經(jīng)耐久性修復(fù)后仍可繼續(xù)使用。根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果，該段高架橋存在較大的運(yùn)營(yíng)安全隱患，因此急需對(duì)其進(jìn)行改造。

高架橋上部結(jié)構(gòu)均采用預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑20.6m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式蓋梁，墩高約10m，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。老橋標(biāo)準(zhǔn)跨橫斷面如圖1所示。

圖1 老橋橫斷面示意圖(單位：cm)

2 鋼板組合梁設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目改造的首要目的是解決橋梁的病害問(wèn)題，根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果，結(jié)構(gòu)性病害均發(fā)生在上部空心板梁上，下部結(jié)構(gòu)無(wú)結(jié)構(gòu)性病害。其次，由于原高架橋建設(shè)期較早，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)與后建的相接段落高架橋不統(tǒng)一，該段高架橋成為整個(gè)高架環(huán)線系統(tǒng)的荷載瓶頸，本次改造考慮一并解決。本項(xiàng)目位于城市中心，項(xiàng)目的實(shí)施將對(duì)主城區(qū)交通和周邊環(huán)境帶來(lái)較大影響，因此工程的施工期應(yīng)盡量縮短。

2.2 設(shè)計(jì)荷載等級(jí)選取

本項(xiàng)目老橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ021-89)的汽車-20級(jí)，掛車-100級(jí)。老橋建成通車之后，陸續(xù)修建了與其相接的其他段落高架橋，這些后建的高架橋采用的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)均為 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(TGD60-2004)中的公路-Ⅰ級(jí)。為了整個(gè)高架橋環(huán)線系統(tǒng)的荷載等級(jí)統(tǒng)一，本次高架橋改造設(shè)計(jì)荷載等級(jí)應(yīng)選用與 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅰ級(jí)荷載相當(dāng)荷載標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)研究對(duì)比，現(xiàn)行規(guī)范《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ11-2011)中的城-A級(jí)荷載與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅰ級(jí)荷載基本一致，故本次改造設(shè)計(jì)荷載等級(jí)選用現(xiàn)行規(guī)范《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ11-2011)中的城-A級(jí)荷載。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)上部結(jié)構(gòu)改造方案比選

經(jīng)計(jì)算，原空心板結(jié)構(gòu)受力不能滿足現(xiàn)行城-A荷載的要求，若采用加固原空心板的方案，一來(lái)加固效果有限，不能徹底解決橋梁病害問(wèn)題；二來(lái)在原橋恒載不變的條件下，無(wú)法提高活載，解決不了荷載統(tǒng)一性的問(wèn)題。因此加固原空心板的方案不可行，考慮對(duì)原橋上部結(jié)構(gòu)的空心板予以更換，更換上部結(jié)構(gòu)的總體改造方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 上部結(jié)構(gòu)總體改造方案對(duì)比表

通過(guò)以上三種方案的對(duì)比可以看出，更換為預(yù)制空心板梁結(jié)構(gòu)會(huì)增加下部結(jié)構(gòu)的荷載，不可控因素較多，基本不可行；更換為鋼箱梁結(jié)構(gòu)對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響較小，但用鋼量大，經(jīng)濟(jì)性差。綜合比選，推薦采用更換為鋼板組合梁結(jié)構(gòu)。

鋼板組合梁橋面寬與原結(jié)構(gòu)橋面寬保持一致，改造后鋼板組合梁仍采用多片梁結(jié)構(gòu)，鋼板組合梁?jiǎn)畏髁浩瑪?shù)比選見(jiàn)表2。

表2 鋼板組合梁?jiǎn)畏髁浩瑪?shù)對(duì)比表

由上表可知，方案一單樁荷載增加14%，由此帶來(lái)的不可控因素較多，基本不可行。方案二、方案三考慮主梁用鋼量指標(biāo)和施工便捷性等因素，推薦采用方案二，即單幅5片主梁的斷面形式。推薦方案的橋梁橫斷面如圖2所示。

圖2 改造后橋梁橫斷面示意圖(單位：cm )

(2)鋼板梁結(jié)構(gòu)

考慮到改造的高架橋與相連的高架橋及匝道橋的平順銜接，本次改造后新橋面標(biāo)高與老橋面標(biāo)高保持一致。受老橋橋面標(biāo)高和蓋梁頂標(biāo)高之間的高度限制，支點(diǎn)附近的組合梁高須控制在0.75m左右；根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，跨中組合梁高度達(dá)1.3m。因此針對(duì)本工程的特殊情況，本次鋼板梁采用了變高度魚腹型設(shè)計(jì)，支點(diǎn)處梁高0.72m，跨中處梁高1.3m。

主梁跨中設(shè)置3道小橫梁，兩端設(shè)置有端橫梁。主梁和橫梁連接常用的方式有焊接和栓接。本工程工期緊、任務(wù)重，為減少工地焊接，加快現(xiàn)場(chǎng)施工速度，橫梁與主梁間均采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。其中小橫梁采用M20高強(qiáng)螺栓，端橫梁采用M24高強(qiáng)螺栓。

圖3 鋼板梁效果圖

(3)橋面板結(jié)構(gòu)

本工程橋面板采用C40鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，跨中厚度22cm，懸臂處厚度18～22cm。橋面板與鋼梁之間通過(guò)剪力釘連接。

考慮本項(xiàng)目主要為標(biāo)準(zhǔn)斷面，橋面板模板周轉(zhuǎn)利用率高，模板可利用鋼板梁結(jié)構(gòu)搭設(shè)，無(wú)需在地面搭設(shè)滿堂支架，對(duì)地面交通影響較小。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工難易和經(jīng)濟(jì)性等因素，推薦采用方案一，即采用現(xiàn)澆橋面板形式(見(jiàn)表3)。另外，為了提高橋面板的抗裂能力和變形能力，本次橋面板設(shè)計(jì)采用了低收縮、高抗裂、高韌性的混雜纖維混凝土材料，即在混凝土中摻加45kg/m3的鋼纖維和0.8kg/m3的聚丙烯腈纖維。

表3 幾種橋面板結(jié)構(gòu)的比較

綜上所述，改造后鋼板組合梁?jiǎn)畏鶚蛎鎸挾?2.75m，主梁采用5片工字型鋼梁，梁肋中心距為2.7m，懸臂長(zhǎng)度0.975m?？缰卸瘟焊?.3m，支點(diǎn)處梁高0.72m。混凝土橋面板厚22cm。橫梁采用實(shí)腹式工字型截面。結(jié)構(gòu)鋼材采取Q345C，橋面板混凝土采用C40。結(jié)構(gòu)跨中斷面如圖4所示：

(4)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算要點(diǎn)

①計(jì)算荷載

恒載自重由模型自行施加；汽車荷載按城-A級(jí)；溫度效應(yīng)采用整體升、降溫25℃；梯度溫度按《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50917-2013)取值；風(fēng)荷載采用100年一遇風(fēng)荷載；混凝土收縮徐變按10年。

②主要計(jì)算結(jié)果

采用midascivil2015進(jìn)行計(jì)算，采用空間梁?jiǎn)卧?，單梁模型如圖5所示：

圖4 結(jié)構(gòu)跨中斷面圖(單位：cm)

圖5 計(jì)算模型示意圖

經(jīng)計(jì)算，基本組合作用下鋼板梁最大正應(yīng)力210.5MPa，小于規(guī)范限制270MPa；基本作用下混凝土板最大應(yīng)力10.1MPa，小于C40混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值18.4MPa。汽車荷載作用下主梁豎向最大撓度1.8cm，小于規(guī)范限制L/500=4cm。

除驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形外，還應(yīng)根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剪力釘、高強(qiáng)螺栓等項(xiàng)目的驗(yàn)算。

3 鋼板組合梁施工

3.1 鋼梁施工要點(diǎn)

鋼梁在附近加工廠加工制造成單個(gè)構(gòu)件，平板車運(yùn)輸至橋位處?，F(xiàn)場(chǎng)采用汽車吊機(jī)將5片主梁分別組拼成2個(gè)和3個(gè)主梁的單元(含小橫梁、端橫梁和支座)，按照先中后邊的順序，依次將鋼梁?jiǎn)卧跹b至橋墩蓋梁的臨時(shí)支座上(見(jiàn)圖6)；鋼梁標(biāo)高調(diào)整到位后，安裝兩個(gè)單元間小橫梁和端橫梁，鋼梁形成整體；采用重力灌漿澆筑支座墊石，鋼梁架設(shè)完成。

3.2 橋面板施工要點(diǎn)

橋面板為全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，為方便模板支架安拆，加快施工速度，橋面板采用吊模支架澆筑。

在鋼梁上翼緣每隔1m開(kāi)設(shè)Φ22的孔，通過(guò)M20普通螺栓分別將橋面板懸臂部分的三角支架和鋼梁間橋面板的方鋼管支架固定在鋼梁上。在支架上鋪設(shè)縱橋向的20×5cm木方，在木方上鋪設(shè)1.5cm厚清水模板。其中M20螺栓的螺母超上、螺桿朝下，并且用PVC材料對(duì)螺母進(jìn)行包裹，橋面板澆筑完成后，螺母留在橋面板中，螺桿拆卸后循環(huán)利用。詳見(jiàn)圖7～8。

圖6 鋼梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)

圖7 橋面板模板支架斷面圖(單位：mm)

圖8 橋面板模板支架

4 結(jié)語(yǔ)

鋼板組合梁結(jié)構(gòu)根據(jù)其受力特點(diǎn)能較大限度的發(fā)揮出鋼材和混凝土材料的特性，不但滿足了結(jié)構(gòu)的功能要求，而且還有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)施工快速便捷，在只需更換上部結(jié)構(gòu)的橋梁改造中具有廣闊的應(yīng)用前景，本工程鋼板組合梁的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考借鑒。