工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造中的應(yīng)用

姜紅

（甘肅博睿交通重型裝備制造有限公司，蘭州730000）

1 引言

隨著環(huán)保要求及國(guó)家去產(chǎn)能政策的推動(dòng)，使鋼結(jié)構(gòu)在中小跨度公路橋梁和市政橋梁中的應(yīng)用越來(lái)越多，并且迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)，從而改變了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁在橋梁工程總數(shù)量中占比極低的現(xiàn)狀，為橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。鋼-混凝土組合梁是結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)而形成的一種新型復(fù)合式結(jié)構(gòu)。該組合梁能夠充分發(fā)揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，使這2種不同性能的材料得到合理利用。此外，鋼-混凝土組合梁同鋼筋混凝土梁相比，具有結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好、截面尺寸小、施工周期短、延性好等優(yōu)點(diǎn)。同鋼梁相比，具有用鋼量少、剛度大、穩(wěn)定性和整體性好等優(yōu)點(diǎn)。

早在20世紀(jì)50年代，日本及歐美國(guó)家就對(duì)鋼-混組合梁開(kāi)展了相關(guān)研究，并陸續(xù)制定了設(shè)計(jì)指南及規(guī)范。工字鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)勢(shì)得到了歐美國(guó)家橋梁設(shè)計(jì)者的青睞。以法國(guó)為例，在近幾年，工字鋼-混凝土橋梁在所建造的組合梁橋中占比高達(dá)90%之多。近幾十年里，工字鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)迅速發(fā)展，已在橋梁領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大大降低了工程造價(jià)，得到了社會(huì)各界的一致認(rèn)可。

2 工程概況

臨園大橋位于S309線K81+206處，于1959年建成。1965年對(duì)墩臺(tái)進(jìn)行了局部加固，并將上部結(jié)構(gòu)全部更換為鋼板-鋼筋混凝土組合梁，主梁由4片鉚接鋼板梁組成，梁高1.23 m。橋梁全長(zhǎng)123m，橋?qū)捊M合為2×0.5 m（欄）+11m（行車道）=12m。下部結(jié)構(gòu)為U形橋臺(tái)、現(xiàn)澆重力式橋墩。之后分別在2005年、2013年進(jìn)行過(guò)2次加固[1]。

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)和近些年運(yùn)輸壓力的加大，橋梁原設(shè)計(jì)荷載已不能滿足實(shí)際需要。此外，橋面鋪裝破損嚴(yán)重，存在坑槽較多、混凝土面板底部裂縫較多且滲水泛堿、鋼板主梁鉚釘存在較多缺失等病害。

本橋在2019年的定期檢查技術(shù)狀況評(píng)定為4類，參考相關(guān)規(guī)定，對(duì)于總體技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果為4類的橋梁進(jìn)行改造。改造完成后，要使橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能滿足實(shí)際需求，并保證耐久性，使橋梁服務(wù)水平滿足要求。

3 方案比選

因該橋原上部結(jié)構(gòu)為鋼-混組合梁，主要病害均集中在上部結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)良好，且已采用鋼筋混凝土套裙加固，故提出更換上部結(jié)構(gòu)，對(duì)橋臺(tái)及墩帽進(jìn)行加寬改造的思路。根據(jù)這一思路，提出4種改造方案，4種方案的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)均為公路-Ⅰ級(jí)。現(xiàn)分別從技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段、造價(jià)這幾個(gè)方面對(duì)這4種方案進(jìn)行對(duì)比選優(yōu)（見(jiàn)表1）。

通過(guò)表1中的對(duì)比可以看出，方案二施工難度較小，技術(shù)成熟，且造價(jià)也較低。綜合考慮選擇方案二。

方案二主要實(shí)施內(nèi)容包括：

1）拆除原橋橋面及上部結(jié)構(gòu)，對(duì)橋臺(tái)及墩帽加寬利用；

2）更換上部結(jié)構(gòu)為工字鋼-混凝土組合梁，橋梁寬度為12m；

表1 危橋改造方案比選分析

3）對(duì)橋頭兩側(cè)路面進(jìn)行恢復(fù)。

4 鋼梁制作

鋼-混凝土組合梁所用鋼材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁公路作業(yè)中的應(yīng)用，已有較長(zhǎng)時(shí)間，但我國(guó)在這方面起步晚，技術(shù)發(fā)展仍有較大的進(jìn)步空間，在實(shí)際操作施工過(guò)程中也沒(méi)有明確規(guī)范步驟，因此，施工要求標(biāo)準(zhǔn)較低，施工不嚴(yán)格，在通常情況下，很多施工單位采取的方法都是采用1.5級(jí)的油壓表作為施工計(jì)量工具，但是在實(shí)際施工過(guò)程中，由于施工技術(shù)人員的素質(zhì)水平較低，沒(méi)有控制好張拉幅度，使最終得出的數(shù)值與實(shí)際需要的數(shù)值相差甚遠(yuǎn)，而且由于張拉力在不同階段出現(xiàn)較大差異，因此導(dǎo)致混凝土環(huán)境整體下降，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。所以，在張拉力控制方面，需要不斷明確操作規(guī)范，提高攻克技術(shù)難題的能力，不斷提升設(shè)備的質(zhì)量。

表2 鋼-混凝土組合梁所用鋼材標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目組合梁節(jié)段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，焊縫長(zhǎng)，產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大。為控制結(jié)構(gòu)變形，保證施工質(zhì)量，加快制造進(jìn)度，現(xiàn)確定以下鋼梁制作原則：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁鋼梁承擔(dān)單位應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件的技術(shù)要求、JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[2]、Q CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》[3]、GB 50755—2012《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[4]、GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[5]及其他相關(guān)國(guó)家規(guī)定，編制詳細(xì)的鋼梁制造工藝方案。

1）施工單位應(yīng)根據(jù)焊接形式編制焊接工藝評(píng)定報(bào)告，確定焊接參數(shù)，采取有效措施控制焊接變形、降低焊接殘余應(yīng)力。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)也必須通過(guò)專家評(píng)審后方可執(zhí)行。

2）鋼梁可整片運(yùn)輸或根據(jù)運(yùn)輸能力分段運(yùn)輸，分段位置應(yīng)設(shè)在變截面位置。分段拼接位置嚴(yán)禁設(shè)置在跨中6～10m范圍內(nèi)，分段應(yīng)滿足JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第7.2.3 條的要求，鋼梁拼接處的焊接均應(yīng)采用全熔透對(duì)接焊。在工廠分段制造檢驗(yàn)合格后，分節(jié)段運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)存放地。

3）構(gòu)件尺寸應(yīng)考慮制造時(shí)溫度修正和焊接收縮余量、加工余量等。

4）所有桿件精切外露邊緣必須確保精切棱邊勻順。整體節(jié)點(diǎn)處板圓弧部位在精切后必須打磨勻順。

5 橋上施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備工作包括：技術(shù)、勞動(dòng)組織、物資及現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備，即施工項(xiàng)目不僅在開(kāi)工前要做好以上準(zhǔn)備，還要預(yù)先考慮施工過(guò)程中可能發(fā)生的事故并提前做好預(yù)備方案。具體到本項(xiàng)目，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：

1）根據(jù)焊接總量和進(jìn)度要求，在每個(gè)焊接作業(yè)面配置200 kV·A容量的焊接電源；

2）施工吊裝前、調(diào)試好配電、焊接及通風(fēng)排塵設(shè)備、防風(fēng)棚架、除銹、氣刨及火焰切割工具、焊接材料烘干箱、防水防潮設(shè)備、高強(qiáng)度螺栓施擰等施工必備工器具，并設(shè)立專職維護(hù)管理人員；

4）提前做好施工所用焊接材料的采購(gòu)及復(fù)驗(yàn)工作。

6 施工步驟

1）鋼梁在工廠分節(jié)段加工，檢驗(yàn)合格后，運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)鋼梁存放場(chǎng)。

2）在橋位拼裝場(chǎng)地焊接各段鋼梁，形成整跨單片鋼梁。

3）拆除原橋橋面連續(xù)構(gòu)造，對(duì)橋墩、橋臺(tái)進(jìn)行拓寬改造，拓寬后斷面如圖1所示。逐片吊裝鋼梁并在墩（臺(tái)）上準(zhǔn)確定位，安裝施工順序。設(shè)置臨時(shí)支撐設(shè)施防止鋼梁傾覆，相鄰2片鋼梁吊裝就位后應(yīng)盡快設(shè)置橫向聯(lián)系增強(qiáng)穩(wěn)定性。

4）拼裝連接主梁間橫聯(lián)及端橫梁，拼裝橫向加勁肋及縱向角鋼。鋪設(shè)懸臂及主梁間的壓型鋼板，綁扎橋面板鋼筋，焊接懸臂壓型鋼板堵頭板。灌注端橫梁內(nèi)的細(xì)石子混凝土，需加壓灌注保證混凝土灌注密實(shí)。

圖1 橋墩（臺(tái)）拓寬后斷面

5）澆筑橋面板混凝土，主梁間壓型鋼板上方澆筑混凝土分2次澆筑形成，第二次需待第一次混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到28 d的80%以上后再澆筑，如圖2所示。

圖2 橋面板分次澆筑示意圖

6）多孔橋按橋面板連續(xù)構(gòu)造施工，橋面連續(xù)構(gòu)造澆筑UHPC超高性能混凝土。

7）二次混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到28 d相應(yīng)值的85%以上時(shí)，安裝防護(hù)欄。

8）完成二次防水層、橋面鋪裝及其他附屬工程。

7 鋼梁焊接

鋼梁構(gòu)件在制梁廠生產(chǎn)后運(yùn)至橋位，之后焊接成整跨單片鋼梁。在焊接前，技術(shù)工作人員應(yīng)根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告仔細(xì)核對(duì)坡口尺寸、清除破口內(nèi)雜質(zhì)、污染及定位焊外焊渣、飛濺及污物。焊接后，認(rèn)真除去焊道上的飛濺、焊瘤、咬邊、表面氣孔、未熔合、裂紋等缺陷。焊接結(jié)束的焊縫應(yīng)在焊接結(jié)束24 h后按照無(wú)損探傷檢驗(yàn)要求進(jìn)行打磨，并修整邊緣呈圓滑過(guò)渡，不得存在硬邊。

8 橋位涂裝

鋼梁橋一經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，由于常年暴露在外，會(huì)受到河水、空氣、土壤等環(huán)境中腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，鋼梁各部位很容易出現(xiàn)不同程度的銹蝕。為減小鋼梁受腐蝕的概率，工程中常用涂層保護(hù)法對(duì)橋梁進(jìn)行保護(hù)。本項(xiàng)目采用2種涂裝工藝：（1）傳統(tǒng)有氣噴涂設(shè)備噴涂；（2）輥涂、刷涂等工藝涂裝。

此外，涂裝的整體質(zhì)量是橋梁能否正常服役的關(guān)鍵，關(guān)乎人們生命與財(cái)產(chǎn)安全。所以，檢驗(yàn)人員必須嚴(yán)格把關(guān)，做好涂裝前的表面處理工作；在整個(gè)涂裝過(guò)程中，必須嚴(yán)格把控涂裝質(zhì)量，施工單位及監(jiān)理單位應(yīng)派專人進(jìn)行檢驗(yàn)并記錄，以此確保涂裝質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)環(huán)保涂裝體系的推廣應(yīng)用，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究、提高綜合性能，設(shè)計(jì)者應(yīng)勇于接受新技術(shù)新工藝。

9 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合甘肅省S309省道上某危橋改造實(shí)際案例，分別從方案比選、鋼梁制作、施工步驟等方面詳細(xì)闡述了工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造中應(yīng)用的全過(guò)程。工字鋼-混凝土組合梁具有造價(jià)低、施工周期短、施工技術(shù)成熟可控、對(duì)環(huán)境污染較小等顯著優(yōu)勢(shì)。另外，在橋面連續(xù)構(gòu)造處使用UHPC超高性能混凝土，能夠在一定程度上避免改造前橋面易破損病害的發(fā)生。因此，工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造以及中小跨徑橋梁設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。