某鋼桁梁橋行車道板改造設(shè)計(jì)方案比選研究

(1.南京市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站, 江蘇 南京 210000; 2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南工務(wù)段, 山東 濟(jì)南 250031;3.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 江蘇 南京 210032)

0 引言

鋼桁梁橋在國(guó)內(nèi)已經(jīng)具有100余a的建設(shè)和使用歷史，具有剛度大和跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著橋梁運(yùn)營(yíng)期的延長(zhǎng)，橋梁附屬設(shè)施維修一直是繞不開(kāi)的話題。鋼桁梁行車道板是比較典型、影響鋼桁梁受力、對(duì)橋面交通影響巨大的可更換構(gòu)件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多座鋼桁梁橋均進(jìn)行了行車道板改造或更換，隨著時(shí)間的推移，鋼桁梁行車道板改造項(xiàng)目也會(huì)越來(lái)越多。

本文對(duì)2種常用的鋼桁梁行車道板結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選，分析其適應(yīng)性和相對(duì)優(yōu)劣，為類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 橋梁概況

某鋼桁梁橋于1958年開(kāi)工建設(shè)、1966年建成通車。大橋采用鉚合雙懸臂鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑組合為(68+80+88+80+68)m，橋梁總體布置如圖1所示。

大橋采用平行弦三角形體系，節(jié)間長(zhǎng)度4 m。

圖1 某鋼桁梁橋總體布置圖(單位： m)

在支點(diǎn)處設(shè)置加勁弦，高度為9 m。大橋第2和第4孔為雙懸臂簡(jiǎn)支錨梁，總長(zhǎng)120 m，兩端懸臂長(zhǎng)度為20 m，錨梁和吊梁之間采用鉸軸連接。主桁桁高6.2 m，橫橋向設(shè)置4片主桁，桁間距為4.3 m,主桁各桿件為由板件與角鋼鉚接而成的“H”型截面。鋼桁梁縱梁及橫梁頂面位于同一平面上，通過(guò)上平聯(lián)連接為整體，縱梁橫橋向間距2.15 m。正橋橫斷面見(jiàn)圖2。

橋梁行車道板為300#防水混凝土，標(biāo)準(zhǔn)板厚為12 cm。行車道板與鋼縱梁通過(guò)直徑22 mm的鋼螺桿連接，螺桿縱向間距為800 mm?？v橋向每間隔24 m設(shè)置1道伸縮裝置，全橋合計(jì)設(shè)置伸縮裝置17道。正橋橋面鋪裝為:35 mm厚瀝青混凝土+20 mm厚瀝青瑪蹄脂。

圖2 正橋橫斷面(單位： cm)

大橋采用鋼結(jié)構(gòu)支座，高度為800 mm，其中活動(dòng)支座為輥軸支座。

大橋改造后為城B級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，行車速度為50 km/h。

2 可行的行車道板改造方案

行車道板改造總體上不能改變鋼桁梁的受力體系，保證主梁的受力安全。目前常用行車道板改造方案包括：預(yù)應(yīng)力混凝土板、鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板、正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板、鋼混疊合板等。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、管理單位要求等方面，對(duì)鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板和正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板進(jìn)行重點(diǎn)比選。

2.1 鋼底模現(xiàn)澆混凝土行車道板

鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板是在行車道板的底部設(shè)置一定厚度的鋼板，通過(guò)現(xiàn)澆混凝土方式成型的行車道板。該結(jié)構(gòu)將抗拉強(qiáng)度較高的鋼材設(shè)置于底部，抗壓性能較好的混凝土設(shè)置于上部，能夠充分發(fā)揮材料的力學(xué)特性。在施工過(guò)程中，鋼板作為模板，通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧┻€可以實(shí)現(xiàn)少支架和無(wú)支架施工[1]。

在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中鋼板參與結(jié)構(gòu)的受力，并且鋼板設(shè)置于最底面能夠提高行車道板的有效高度及剛度?，F(xiàn)澆的混凝土行車道板整體性強(qiáng)，行車道板結(jié)構(gòu)本身具有良好的力學(xué)特性，通過(guò)預(yù)留鋼板銹蝕余量和完整的涂裝防護(hù)體系能夠保證其耐久性。

采用鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板時(shí)，橋梁伸縮裝置設(shè)置與改造前相同，即每6個(gè)節(jié)間設(shè)置1道伸縮裝置。行車道板的縱向支撐長(zhǎng)度為24 m，橫橋向支撐間距為2.15 m，為典型的單向受力連續(xù)板結(jié)構(gòu)，受力較明確。鋼底模行車道板與縱梁的連接設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。經(jīng)過(guò)既有鋼梁材質(zhì)可焊性論證和各細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)比選后，推薦選用鋼縱梁焊接剪力釘、鋼底模與鋼縱梁焊接的連接構(gòu)造，如圖3所示。

圖3 混凝土行車道板與縱梁的連接構(gòu)造大樣

2.2 正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板是較常規(guī)、成熟的可選方案，但是本項(xiàng)目中有若干因素制約鋼結(jié)構(gòu)行車道板的設(shè)計(jì):既有的行車道板標(biāo)準(zhǔn)厚度僅120 mm，行車道板頂面距離縱橫梁頂面的距離在道路中心和路緣側(cè)分別為310、190 mm,即最外側(cè)行車道板與支座的總高度限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，鋼結(jié)構(gòu)行車道板采用了倒T形開(kāi)口肋，縱、橫梁/肋的下翼緣板在同一水平面連接為整體[3]。經(jīng)試算，采用常規(guī)板厚的情況下最低高度要達(dá)到270 mm才能滿足城B級(jí)荷載要求。為了保證方案可行，必須在橋梁范圍內(nèi)進(jìn)行線形調(diào)整：縱橋向在橋梁中部344 m范圍內(nèi)，行車道板高度維持不變；在端部20 m范圍內(nèi)，行車道板頂面形成0.5%的縱坡；在行車道板高度方面，在路緣側(cè)則由中部的270 mm調(diào)整至170 mm；在高度逐漸降低的20 m范圍內(nèi)，橫隔板厚度在每個(gè)節(jié)間按照2 mm級(jí)差由10 mm增加至20 mm。

行車道板頂板厚度為20 mm?？v肋橫橋向布置標(biāo)準(zhǔn)間距為430 mm，腹板厚度10 mm，翼緣板厚度20 mm，翼緣板寬度為60 mm[4]。橫隔板間距4 m，翼緣板厚度為20 mm，寬度為200 mm。

為了適應(yīng)既有鋼桁梁縱、橫梁頂?shù)铰饭谥g的高差，在保證行車道板結(jié)構(gòu)受力和鋪裝厚度的前提下，盡量壓縮支座的高度。對(duì)于板型結(jié)構(gòu)的支撐，應(yīng)具有支撐，限位、抗拉拔等功能，但是支座高度的降低限制了這些功能的集合。因此，項(xiàng)目中將各個(gè)功能分開(kāi)設(shè)置以實(shí)現(xiàn)降低支座高度，即分別設(shè)置活動(dòng)支座、縱向限位裝置以及抗拉拔裝置。采用此方法經(jīng)專門設(shè)計(jì)的球形支座高度能控制為40 mm[5]。

鋼橋面鋪裝是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難題，近年來(lái)應(yīng)用比較成熟的是組合型橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。經(jīng)綜合比選后，采用澆筑式瀝青混凝土與SMA組合鋪裝結(jié)構(gòu)，但鋪裝施工的高溫對(duì)行車道板及支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響不容忽視。該問(wèn)題可通過(guò)分車道攤鋪澆筑式瀝青混凝土和適當(dāng)加大球形支座橫橋向間隙的方法解決。

3 行車道板改造方案比選

3.1 恒載

恒載變化是橋梁結(jié)構(gòu)改造必須重點(diǎn)考慮的因素，通常在不改變既有結(jié)構(gòu)受力的前提下,降低恒載以實(shí)現(xiàn)提載或提高安全儲(chǔ)備的目的。

改造方案中將對(duì)縱、橫梁以上部分的結(jié)構(gòu)全部進(jìn)行更換。基于對(duì)比的同等性和針對(duì)性，對(duì)照的范圍僅包括行車道板和橋面鋪裝部分。既有行車道板與改造方案恒載比選對(duì)照如表1所示。

表1 2種方案恒載對(duì)比kN·(延m)-1項(xiàng)目鋼底?；炷涟逭划愋凿摻Y(jié)構(gòu)行車道板行車道板58.637.3鋪裝16.823.5合計(jì)75.460.8

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板相對(duì)于鋼底?，F(xiàn)澆混凝土方案，每延m降低約14.6 kN。

3.2 施工方案及工藝

施工方案和難度是改造設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，影響方案的優(yōu)劣和改造效果。

3.2.1鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板

工廠內(nèi)按照2.15 m×4 m的尺寸進(jìn)行分塊，每塊的鋼底板、剪力釘和縱、橫鋼筋焊接為整體，高度可以達(dá)到95 mm。該結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢员ＷC在運(yùn)輸及吊裝過(guò)程中不變形。

吊裝就位后，鋼底模與鋼桁梁縱、橫梁焊接，鋼底模各分塊之間焊接，行車道板內(nèi)鋼筋網(wǎng)焊接連接為整體。經(jīng)理論計(jì)算，在跨中施加20 kN臨時(shí)施工集中荷載的情況下，鋼底模最大變形僅為0.12 mm，底板拉應(yīng)力僅為0.65 MPa，頂層支撐點(diǎn)鋼筋拉應(yīng)力約24 MPa。因此在連接可靠的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)小型機(jī)械設(shè)備及施工人員無(wú)支架現(xiàn)澆混凝土。

混凝土可采用泵送混凝土澆筑成型，小型平板振動(dòng)器拖拉振搗。

3.2.2正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板采用工廠內(nèi)分塊制作、逐塊運(yùn)輸?shù)跹b的施工方案。主要的施工工序包括支座(支撐系統(tǒng))的安裝、行車道板吊裝、行車道板精確就位及連接等。綜合考慮工期及經(jīng)濟(jì)性等方面，選定單方向逐塊架設(shè)方案或兩端相向架設(shè)方案。

行車道板的安裝需要選擇合理的機(jī)械設(shè)備，可以使用汽車吊或?qū)Ｓ眉馨鍣C(jī)。行車道板最大結(jié)構(gòu)尺寸為8 m×3.87 m，最大吊裝重量為7.8 t；若采用現(xiàn)場(chǎng)兩塊拼成一塊后進(jìn)行吊裝，則最大重量為15.6 t。相應(yīng)吊裝和運(yùn)輸難度均較小。

由于行車道板高度較小，板塊之間的連接采用焊接。

3.3 行車舒適性

行車舒適性重點(diǎn)在伸縮裝置的數(shù)量比較方面。伸縮裝置位置不可避免地會(huì)引起跳車、沖擊等，對(duì)橋梁的耐久性和行車舒適性影響較大。

混凝土行車道板和主桁之間材料性能差異較大，行車道板連續(xù)段過(guò)長(zhǎng)容易導(dǎo)致主桁及平聯(lián)面外內(nèi)力增大，混凝土行車道板因主桁的變形而開(kāi)裂。我國(guó)類似的鋼桁梁結(jié)構(gòu)多采用24 m或32 m間距設(shè)置伸縮裝置的形式來(lái)解決上述問(wèn)題。鋼底模現(xiàn)澆混凝土行車道板方案不能減少橋梁伸縮裝置的數(shù)量。

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板具有較大的優(yōu)勢(shì)。由于與主桁具有相同的材料特性，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)變形及抗拉強(qiáng)度均較高，改造后可僅在梁端、固定及活動(dòng)鉸位置設(shè)置伸縮裝置，即全橋僅設(shè)置5道。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是橋梁維修改造方案的重要比選參數(shù)，主要指經(jīng)濟(jì)投入與加固效果之間的對(duì)比，是橋梁管理者以及專業(yè)技術(shù)人員必須首先考慮和斟酌的因素，是評(píng)價(jià)維修改造設(shè)計(jì)的重要原則和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由表2可知，正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板投入相對(duì)較高，約是鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板造價(jià)的2.2倍。

表2 改造方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比萬(wàn)元項(xiàng)目鋼底?；炷涟逭划愋园逍熊嚨腊逯瓢布皾仓?83.12 216.25鋼結(jié)構(gòu)防腐49.859.1支座—230.6橋面鋪裝108.2273.1伸縮裝置412.1173.5合計(jì)1 353.22 952.55注: 僅包括行車道板直接相關(guān)部分。

3.5 施工工期

橋面封閉交通的時(shí)間往往是橋梁管理單位最關(guān)心的事情，決定著維修改造的方向。

3.5.1鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板

重點(diǎn)工序主要包括吊裝、焊接連接、現(xiàn)澆混凝土及養(yǎng)護(hù)等。其中吊裝就位耗用時(shí)間較少，可在進(jìn)行其他工序時(shí)完成;焊接連接的工作量較大，鋼板之間、鋼板與縱、橫梁之間焊接及質(zhì)量檢驗(yàn)難度較大，1個(gè)板塊的焊接工作量預(yù)計(jì)1 d完成;兩條伸縮裝置之間鋼底模及鋼筋網(wǎng)形成整體后一同澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)，7 d后可通行小型的設(shè)備以施工后續(xù)節(jié)段。全橋行車道板需要吊裝、焊接96×7塊，澆筑混凝土16×2次，單幅改造合計(jì)需要時(shí)間約96 d。

3.5.2正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板

鋼結(jié)構(gòu)行車道板安裝的主要工序包括：支座的擺放、行車道板的架設(shè)和調(diào)整、焊接等。其中各個(gè)板塊之間吊裝及調(diào)整就位后可臨時(shí)連接固定，在吊裝空閑時(shí)間進(jìn)行全面的焊接工作。全橋合計(jì)192塊，施工準(zhǔn)備及首節(jié)安裝需要10 d，其他按照每天安裝2個(gè)節(jié)段考慮，焊接連接不占用工期，則單幅安裝需要時(shí)間約58 d[6]。

從節(jié)約工期角度比較，正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市的發(fā)展，交通運(yùn)輸壓力越來(lái)越大。適當(dāng)?shù)卦黾咏?jīng)濟(jì)投入以減小對(duì)市民出行影響的思路得到橋梁和城市管理者的支持和認(rèn)可。經(jīng)充分研究比選，正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板較鋼底模混凝土板雖然工程造價(jià)較高，但能夠較大幅度地縮短工期，通過(guò)合理設(shè)計(jì)各方面性能均能達(dá)到規(guī)范和橋梁管理者的要求，確定采用。