議橋梁設(shè)計(jì)原則和橋梁加固的技術(shù)途徑

戴 超

（中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢）

前言

經(jīng)過20 世紀(jì)50 年代諸多學(xué)者的研究應(yīng)用，鋼混疊合梁在橋梁工程中的實(shí)踐形式得到了快速的發(fā)展，在橋梁工程實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)著較為顯著的地位。但是，在橋梁工程設(shè)計(jì)過程中鋼混疊合梁的設(shè)計(jì)原則不夠明確，也缺乏明了的鋼混疊合梁加固技術(shù)方案，影響了鋼混疊合梁橋應(yīng)用規(guī)模的拓展。因此，分析鋼混疊合梁設(shè)計(jì)實(shí)踐與加固技術(shù)途徑具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

一鋼混疊合梁橋的斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋼混疊合梁橋的斷面結(jié)構(gòu)

圖1 中,1 為小縱梁；2 為主縱梁；3 為橫梁；4 為主縱梁。由圖1 可知，鋼混疊合梁橋斷面為“工”字形。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼混疊合梁，下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，中墩墩柱、上部預(yù)應(yīng)力鋼混疊合梁牢固連接。

2 橋梁設(shè)計(jì)原則

2.1 科學(xué)計(jì)算

科學(xué)計(jì)算的橋梁設(shè)計(jì)需要遵循的首要原則: 在鋼混疊合梁橋設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，利用整體法、局部法或者兩者結(jié)合的方法，分析結(jié)構(gòu)受力，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力，選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式、鋼梁與橋面板材質(zhì)、布置參數(shù)，確保設(shè)計(jì)方案可行性。

2.2 系統(tǒng)分析

鋼混疊合梁橋設(shè)計(jì)需要落實(shí)系統(tǒng)分析原則，綜合考慮主橋結(jié)構(gòu)受力、主橋跨越區(qū)域落墩與否、作業(yè)期間高速交通中斷與否等因素，進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，確保鋼混疊合梁橋的設(shè)計(jì)方案可以順利落實(shí)到現(xiàn)場(chǎng)[1]。

3 橋梁設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析要求，借助整體與局部相結(jié)合的方法，沿著縱橋向于跨中、四分之一截面位置截取梁段。截取梁段后，在有限元模型MIDAS CIVIL 內(nèi)計(jì)算梁段恒定荷載、活動(dòng)荷載下最大彎矩工作情況，獲得結(jié)構(gòu)各截面在工藝落實(shí)環(huán)節(jié)的內(nèi)力變化。全橋有限元模型見圖2。

圖2 鋼混疊合梁橋有限元模型

圖2 中整個(gè)鋼混疊合梁橋應(yīng)用半2 漂浮體系，于主塔位置支座模擬彈性連接，并根據(jù)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行支座各向剛度的模擬，邊跨主梁、主跨橋面板與主跨鋼主梁、鋼橫梁、斜拉索、主塔、承臺(tái)、輔助墩的材料見表1。

表1 鋼混疊合梁橋材料特性

在鋼混疊合梁橋有限元模型內(nèi)輸入材料特性，分別提取恒定荷載作用下、活動(dòng)荷載作用下整體模型彎矩、剪力與軸力，得出結(jié)果見表2、表3。

表2 恒定荷載作用下整體鋼混疊合梁橋模型內(nèi)力

表3 活動(dòng)荷載作用下整體鋼混疊合梁模型內(nèi)力

由表2、表3 可知，整體鋼混疊合梁橋在恒定荷載、活動(dòng)荷載最大彎矩工作狀況下的內(nèi)力橫向分布不均勻，橫梁上內(nèi)力（1/8 截面）、橫梁間（1/4 截面）、橋面板應(yīng)力存在較大差異，橫梁上內(nèi)力最大，但在縱梁2位置基本保持相同變化趨勢(shì)。表明跨中橋面板在兩側(cè)拉索水平力作用下出現(xiàn)拉應(yīng)力，橋面板（除拉索周邊）截面全部承受壓力，此時(shí)，跨中橋面板濕接縫需要預(yù)先完成索力作用下彈性變形，即在拉索張拉進(jìn)入尾聲后澆筑跨中橋面板濕接縫，避免區(qū)域出現(xiàn)過大拉應(yīng)力。在明確整體鋼混疊合梁橋內(nèi)力分布過程中，結(jié)合橋面板呈“工”字形分布的特點(diǎn)，以鋼主梁腹板為支撐，設(shè)置橋面板寬度。具體操作時(shí)，技術(shù)人員可以根據(jù)表2、表3 中整體鋼混疊合梁橋內(nèi)力值，進(jìn)行跨中、橫梁上（1/8 截面）、橫梁間（1/4截面）應(yīng)力有效分布寬度、有效分布系數(shù)的計(jì)算，得出結(jié)果見表4。

由表4 可知，鋼混疊合梁橋各截面在恒定荷載、活動(dòng)荷載最大彎矩情況下的有效寬度為9.655 m～12.952 m，有效寬度系數(shù)在0.738～0.969 之間，相同截面應(yīng)力有效分布寬度、有效寬度系數(shù)隨固定荷載、活動(dòng)荷載工作情況的變化而變化，但整體變化幅度較小?；诖耍瑸楸ＷC鋼混疊合梁在多種工作狀況下的承受應(yīng)力安全，可以參照“工”字形鋼混疊合梁橋面板有效寬度取值范圍，選取最小值進(jìn)行有效應(yīng)力分布寬度計(jì)算[2]。

表4 鋼混疊合梁橋應(yīng)力分布

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼混疊合梁是混凝土橋面板、鋼梁的組合體，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)需達(dá)到一級(jí)要求?；诖耍谝豢?、第二跨的截面總高度取2.35 m，第三跨的截面總高度在1.86 m～2.35 m 之間變化，變化形式為直線。同時(shí)，根據(jù)“工”字形鋼混疊合梁橋面板有效應(yīng)力分布寬度，設(shè)置開口箱型鋼梁，橫向跨越橋向布置倒梯形分離雙箱，經(jīng)橫梁連接兩箱。單一開口箱型鋼梁內(nèi)外側(cè)額腹板分別為直腹板、斜腹板，中心距為4.52 m，鋼梁頂翼緣寬度與底板寬度分別為800 mm、2 975 mm～3 399 mm，鋼梁頂翼緣寬度與底板厚度分別為20 mm～30 mm、20 mm～38 mm，底部加勁肋尺寸為高160 mm×厚16 mm，橫隔板、底部加勁肋間距分別為5 m、600 mm。鋼混疊合梁橋中混凝土面板尺寸為厚35 cm×寬1 650 cm×長(zhǎng)214 cm。

4 橋梁加固的技術(shù)途徑

4.1 設(shè)置開孔板連接件

傳統(tǒng)鋼混疊合梁橋連接混凝土板、鋼梁的形式是焊釘連接件，作為一種局部焊接形式，焊釘連接件的剪力傳遞過程具有顯著的離散性，極易引發(fā)應(yīng)力集中、初始疲勞裂縫，無法保證負(fù)彎矩區(qū)混凝土板承受拉力情況下焊釘承載能力、抗疲勞強(qiáng)度與設(shè)計(jì)相符[3]?；诖?，為有效控制鋼混疊合梁橋面板拉應(yīng)力，可以利用開孔板連接件，向上移動(dòng)疊合梁截面中心點(diǎn)，縮短混凝土板承受拉力區(qū)域、鋼混疊合梁截面形心距離，增加鋼梁上翼緣厚度，具體見圖3。

圖3 開孔板連接件設(shè)置方式

由圖3 可知，沿著鋼梁縱方向設(shè)置開孔板連接件，需要利用焊接方法固定開孔板連接件、鋼翼緣，因連續(xù)角焊縫的焊腳尺寸較小，焊接可靠性較高，可以為剪力的均勻傳遞提供依據(jù)。開孔板連接件的構(gòu)造見圖4。

圖4 開孔板連接件

由圖4 可知，開孔板連接件的連接形式表現(xiàn)為鋼板圓孔內(nèi)混凝土承擔(dān)結(jié)合面作用力，可以借助圓孔內(nèi)混凝土增加鋼梁、混凝土板連接強(qiáng)度[4]。整個(gè)過程中，開孔板連接件抗剪承載力如下：

式中：V 為開孔板連接件抗剪承載力，MPa；d 為開孔板孔徑，mm；r 為開孔板內(nèi)鋼筋直徑；f 為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度，MPa；y 為孔中鋼筋屈服強(qiáng)度。開孔板孔徑、孔內(nèi)鋼筋屈服強(qiáng)度、孔內(nèi)鋼筋直徑對(duì)開孔板連接件抗剪承載力具有直接影響?；诖耍梢栽O(shè)置孔內(nèi)鋼筋約束、孔中鋼筋對(duì)混凝土約束條件，確保開孔板連接件抗剪能力。

4.2 體外預(yù)應(yīng)力加固

鋼混疊合梁橋的體外預(yù)應(yīng)力加固方案為無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固鋼齒板+轉(zhuǎn)向裝置[5]。錨固鋼尺板由Q335D 傳力鋼板、加勁鋼板組成，傳力鋼板、鋼梁腹板、鋼梁底板之間均為雙面坡口焊接；傳力鋼板、加勁肋鋼板之間則需先經(jīng)角焊縫打磨光滑后緊固頂部，再借助雙面坡口熔透成一個(gè)整體。同時(shí)，利用M16 螺栓連接預(yù)應(yīng)力錨頭、支腿鋼板，此時(shí)，在預(yù)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下，傳力鋼板、加勁肋鋼板可以將承受應(yīng)力傳遞到鋼梁底板、鋼梁腹板，降低預(yù)應(yīng)力損失。

在無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固鋼齒板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者可以從鋼混疊合梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉過程著手，設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置，限制整體位移，為下一階段預(yù)應(yīng)力鋼絞線再次張拉、替換提供依據(jù)。轉(zhuǎn)向裝置主要設(shè)置在鋼混疊合梁橫隔板位置，經(jīng)橫隔板穿孔對(duì)中后，焊接轉(zhuǎn)向裝置一端、鋼管一端，并在鋼管另外一端焊接擋板位置開設(shè)孔洞[6]。并進(jìn)行磨圓處理。進(jìn)而根據(jù)鋼混疊合梁現(xiàn)有變形，進(jìn)行開孔放樣，整齊對(duì)正擋板開孔、錨板錨頭開孔，在前期磨圓位置開設(shè)倒角，倒角邊長(zhǎng)為3 mm，形成光滑、圓潤(rùn)無毛刺的開孔。開孔結(jié)束后，利用同樣的方法，進(jìn)行進(jìn)料口（一端鋼管上緣）、出料口（另一端鋼管上緣）的開設(shè)，向孔洞內(nèi)灌注漿料，漿料可選擇II 類水泥基灌漿料，整體連接轉(zhuǎn)向裝置、鋼混疊合梁橋橫向隔板，具體見圖5。

圖5 鋼混疊合梁橋轉(zhuǎn)向裝置構(gòu)造

圖5 中，1 為防水密封，主要只針對(duì)鋼板間空隙，密封膠為聚氨酯泡沫膠；2 為加強(qiáng)肋；3 為預(yù)應(yīng)力鋼絞線；4 為橫隔板開孔；5 為擋板；6 為擋板；7 為鋼管開孔。

在無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固鋼齒板+轉(zhuǎn)向裝置支持下，以對(duì)稱交錯(cuò)方式，分批次張拉鋼梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。整個(gè)過程中，需要先依據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼束拉直要求張拉1 kN，再利用聚氨酯泡沫膠密封鋼束保護(hù)套管位置，初步密封后，將水泥基灌漿料灌入鋼束保護(hù)套內(nèi)。進(jìn)而以水泥基灌漿料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，進(jìn)行2 次張拉，2 次張拉需要分級(jí)，分別為設(shè)計(jì)張拉力的10%、設(shè)計(jì)張拉力的30%、設(shè)計(jì)張拉力的50%、設(shè)計(jì)張拉力的75%、設(shè)計(jì)張拉力的100%[7]。張拉期間，每一斷面張拉3 束預(yù)應(yīng)力鋼束，并于新增鋼齒板上錨固預(yù)應(yīng)力鋼束，促使鋼主梁跨中截面下緣為鋼主梁提供預(yù)壓應(yīng)力，壓縮承載極限狀態(tài)下鋼主梁拉應(yīng)力，且張拉段原鋼梁底板承受最大應(yīng)力小于Q345D 鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，規(guī)避鋼混疊合梁跨中截面豎向變形。

5 結(jié)論

綜上所述，鋼混疊合梁橋具有大剛度、低造價(jià)、操作便捷、抗震性能優(yōu)良的特點(diǎn)，未來應(yīng)用前景較為突出。為充分發(fā)揮鋼材、混凝土材料的整合優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)者可以從鋼混疊合梁整體結(jié)構(gòu)剛度著手，以鋼筋與橋面板配置條件為重點(diǎn)，規(guī)劃構(gòu)件組合形式，改善結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力性能，從源頭規(guī)避鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)二次受力引發(fā)的梁橋開裂問題。在合理設(shè)計(jì)鋼混疊合梁橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者可以提前探索鋼混疊合梁橋加固的技術(shù)途徑，以便提高構(gòu)件的抗裂性能，節(jié)省造價(jià)。