胡曉紅

中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司

重慶某鋼桁梁橋行車(chē)道板改造設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

胡曉紅

中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司

重慶某鋼桁梁橋混凝土行車(chē)道板存在嚴(yán)重的病害，在正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板設(shè)計(jì)中采用了厚板T型肋、縱梁橫梁底板聯(lián)結(jié)的方式以及行車(chē)道板變高度設(shè)計(jì)解決了降低高度和調(diào)整線形的問(wèn)題。采用支座的各項(xiàng)功能獨(dú)立設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)了支座的集合功能并成功將支座高度降低至40mm。采用專用架板機(jī)進(jìn)行架設(shè)、安裝有利于縮短工期、保證施工質(zhì)量。對(duì)類似鋼桁梁行車(chē)道板改造既有極高的參考價(jià)值。

鋼桁梁；行車(chē)道板；改造設(shè)計(jì)

1. 前言

鋼桁梁具有較大的豎向及橫向剛度，具有較大的跨越能力，在國(guó)內(nèi)使用歷史已經(jīng)超過(guò)了100年。早期建設(shè)的鋼桁梁由于時(shí)代原因多采用陶?；炷粱蚱胀ɑ炷列熊?chē)道板。在設(shè)計(jì)理論計(jì)算中行車(chē)道板不參與鋼桁梁的受力，即不形成組合結(jié)構(gòu)，行車(chē)道板僅作為承受橋面荷載的作用并將荷載傳遞至主桁結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)件使用?；诖?，在橋梁設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)行車(chē)道板應(yīng)至少更換一次。目前國(guó)內(nèi)早期修建的鋼桁梁也多面臨著行車(chē)道板更換的問(wèn)題。

重慶某鋼桁梁橋于1966年建成通車(chē)，目前已經(jīng)運(yùn)營(yíng)超過(guò)50年。大橋鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)相對(duì)良好，但是混凝土行車(chē)道板存在著較嚴(yán)重的開(kāi)裂、滲水等病害。該鋼桁梁的縱、橫梁頂面在同一平面內(nèi)，行車(chē)道板厚度小且鋪裝頂面距離橫梁頂面高度小，行車(chē)道板改造在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有一定的難度。同時(shí)交通壓力、施工組織等方面的也是既有橋梁行車(chē)道板改造必須考慮的因素。本文結(jié)合該工程項(xiàng)目詳細(xì)介紹其行車(chē)道板改造的構(gòu)造及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，旨在為類似改造工程項(xiàng)目提供參考和借鑒。

2. 橋梁概況

該大橋全長(zhǎng)625.71m，正橋?yàn)?8m+80m+88m+80m+68m五跨連續(xù)鉚合鋼桁梁橋，立面布置如圖1所示。南北岸引橋均為混凝土T梁橋。

正橋鋼桁梁第1、3、5孔為吊孔，長(zhǎng)度為48m；第2、4孔為雙懸臂簡(jiǎn)支鋼桁錨梁，長(zhǎng)度為120m，兩端懸臂長(zhǎng)度為20m。錨梁與吊梁間采用鉸軸連接。主桁架為平行弦三角形體系，桁高6.2m，節(jié)間長(zhǎng)度4m。支點(diǎn)處加勁弦桿高度為9m。

鋼桁梁橫橋向設(shè)置有四片主桁，桁間距4.3m，主桁間設(shè)置剪刀撐，橫斷面布置如圖2所示。

圖1 重慶某鋼桁梁橋立面布置圖/m

圖2 重慶某鋼桁梁橋橫斷面/cm

行車(chē)道鋼縱梁與鋼橫梁頂面位于同一平面上，通過(guò)上平聯(lián)連接為整體。300號(hào)防水混凝土行車(chē)道板直接支撐并錨固于縱橫梁頂面。錨固螺栓直徑22mm，縱向標(biāo)準(zhǔn)間距為80cm。同時(shí)，行車(chē)道板邊緣與行車(chē)道邊縱梁現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土連接為整體。經(jīng)過(guò)50余年的使用，行車(chē)道板存在著大量的裂縫，并且1/3以上數(shù)量的裂縫寬度超過(guò)了0.2mm。行車(chē)道板底板網(wǎng)狀開(kāi)裂的面積超過(guò)了總面積的15%，部分位置甚至存在著滲水病害。從結(jié)構(gòu)安全和耐久性方面考慮，行車(chē)道板必須進(jìn)行改造更換。

3. 鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土行車(chē)道板、鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車(chē)道板以及正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板三個(gè)方案在造價(jià)、工期、施工難度、交通壓力等多方面的比選和論證，最終確定為正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板方案。但是既有行車(chē)道板在非支撐位置標(biāo)準(zhǔn)厚度僅有12cm，行車(chē)道板頂面至縱橫梁頂面的高差在橋梁中線及路緣附近分別為310mm和190mm。在一定程度上增加了行車(chē)道板設(shè)計(jì)的難度。改造以后正橋及引橋橋面必須平順銜接，鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板、支座及伸縮裝置設(shè)計(jì)等有若干個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。

3.1 正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板設(shè)計(jì)

重慶地區(qū)氣候溫和，最低月平均氣溫約6℃；同時(shí)公路橋梁對(duì)鋼材性能要求相對(duì)較低，因此選擇了大量生產(chǎn)且低溫沖擊性能較好的Q345c鋼。為了節(jié)約空間，鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。(1)不采用傳統(tǒng)的“U”形加勁肋，縱肋及橫梁均采用倒“T”開(kāi)口肋，同時(shí)適當(dāng)加大翼緣板厚度。(2)行車(chē)道板的縱肋及橫梁底面齊平并焊接為整體。(3)行車(chē)道板各個(gè)節(jié)段之間全部采用熔透對(duì)接焊。

盡管如此，在城B荷載及組合作用下行車(chē)道板在線路中線位置依然需要總高度不低于375mm(路緣側(cè)高度不小于270mm)。綜合考慮支座高度、鋪裝厚度后總高度依然超過(guò)現(xiàn)狀路冠高程10cm。為了滿足結(jié)構(gòu)受力及橋面線形的要求，行車(chē)道板改造在正橋范圍內(nèi)進(jìn)行了變截面設(shè)計(jì)。在橋梁中部344m范圍內(nèi)，行車(chē)道板高度維持不變。在正橋端部20m范圍內(nèi)，行車(chē)道板頂面形成了0.5%的縱坡。在橋梁中線位置行車(chē)道板高度由375mm調(diào)整至272mm；在路緣側(cè)則有中部的270mm調(diào)整至170mm。

行車(chē)道板頂板厚度為20mm。縱肋橫橋向布置標(biāo)準(zhǔn)間距為430mm，腹板厚度10mm，翼緣板厚度20mm，翼緣板寬度為60mm。橫隔板間距4m，鋼桁梁橫梁布置基本相同。橫隔板翼緣板厚度為20mm，寬度為200mm。橫隔板腹板厚度在橋梁中部344m范圍內(nèi)為10mm；隨著行車(chē)道板厚度逐漸降低，橫隔板厚度按照2mm級(jí)差增加至20mm。

4. 支座設(shè)計(jì)

4.1 單向活動(dòng)支座

行車(chē)道板改造是一項(xiàng)綜合性項(xiàng)目。支座是行車(chē)道板的支撐和邊界條件，相適應(yīng)的支座設(shè)計(jì)是另一關(guān)鍵問(wèn)題。雖然支座總高度受限，但是支撐、限位、抗拉拔等功能不能降低。為了解決該問(wèn)題，將支座的各項(xiàng)功能分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)置了單向活動(dòng)支座、限位裝置和抗拉拔裝置，橋梁支座系統(tǒng)布置如圖3所示(由于篇幅限制僅列出一聯(lián)支座布置情況)。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，單向活動(dòng)支座擬采用球形支座，橫橋向布置間距為2.15m，布置于鋼桁梁縱橫梁相交處。支座總高度為40mm，豎向承載能力為500kN，橫橋向承載能力為50kN?？v橫橋向相對(duì)變形量是支座設(shè)計(jì)的重要參數(shù)?？v橋向變形量的計(jì)算除了要考慮溫度荷載的作用外，還需要考慮恒載以及活載引起主桁變形而導(dǎo)致的行車(chē)道板相對(duì)于鋼桁梁的伸縮量。橫橋向除了計(jì)算常規(guī)溫差作用下各排支座間的位移量外，尚需要重點(diǎn)考慮橋面鋪裝攤鋪高溫作用下的瞬時(shí)位移量。澆筑式瀝青混凝土能夠在很短的時(shí)間內(nèi)引起頂板升溫150℃～-180℃，引起橋面板縱橫橋向伸長(zhǎng)量是正常使用時(shí)的4倍甚至以上。除了防止個(gè)別支座橫橋向抵死后而引起主桁受力較大或支座錨固螺栓剪斷外，尚應(yīng)采取有效措施防止降溫后行車(chē)道板或支座不能恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置。

本項(xiàng)目中線路中線位置的兩排支座橫橋向允許位移量為±2mm，往路緣方向依次為±5mm、±7mm、±9mm。同時(shí)澆筑式瀝青混凝土限制為逐個(gè)車(chē)道進(jìn)行攤鋪，恢復(fù)正常溫度后支座的復(fù)位則采用了小直徑螺栓配合沖釘強(qiáng)行矯正的方案。

4.2 縱向限位裝置

為了降低支座的高度，采用縱向限位裝置取代固定支座。在每聯(lián)的中部設(shè)置一排縱向限位裝置，每排4個(gè)?？v向限位裝置采用了卡槽式，即在鋼桁梁縱梁和行車(chē)道板縱肋上分別設(shè)置凸形和凹形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在正常使用狀態(tài)，上下部結(jié)構(gòu)之間相互咬合10mm。

限位裝置上部結(jié)構(gòu)固定在行車(chē)道板縱肋下翼緣板上，在這一節(jié)間范圍內(nèi)翼緣板有標(biāo)準(zhǔn)的60mm寬度調(diào)整到160mm，并設(shè)置8套直徑高強(qiáng)螺栓連接固定。下部則通過(guò)4套精致螺栓與鋼桁梁的縱梁連接固定。縱向限位裝置選用了耐磨性能較好的鑄鋼材料，鑄造成型。

4.3 抗拉拔裝置

行車(chē)道板在車(chē)輛荷載以及主桁變形的綜合作用下會(huì)產(chǎn)生向上的拉拔力。仿真分析時(shí)應(yīng)采用三維有限元模型，否則該豎向拉拔力將失真或偏差較大。原設(shè)計(jì)的混凝土行車(chē)道板主要通過(guò)間距80cm的錨固螺栓抵抗該拉拔力。通常情況下正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板可通過(guò)抗拉拔支座抵抗該拉拔力，但是如此處理時(shí)支座高度將達(dá)到180mm，甚至更大。因此本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了專用的抗拉拔裝置。

經(jīng)計(jì)算，每聯(lián)的端部支座均會(huì)產(chǎn)生拉拔力，橫橋向靠近外側(cè)第二排支座的拉拔力最大，最大拉拔力達(dá)到了34kN。受篇幅限制此處僅列出第三排支座拉拔力縱向分布，如圖5所示。

根據(jù)拉拔力的分布，在每聯(lián)的端部設(shè)置抗拉拔裝置；同時(shí)，為了保證在主桁發(fā)生較大變形的情況下行車(chē)道板不脫空，在每聯(lián)的中部也增加了抗拉拔裝置，抗拉拔裝置全橋布置如圖6所示。

圖3 橋梁支座系統(tǒng)布置示意圖

圖4 縱向限位裝置構(gòu)造示意圖

圖5 橫橋向第3排支座拉拔力縱橋向分布

圖6 抗拉拔裝置半立面布置圖/m

5. 推薦施工方案

優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮施工的可行性。綜合考慮運(yùn)輸、吊裝及半幅封閉交通等因素，新制正交異性鋼橋面板板橫橋向分兩塊制造，縱橋向長(zhǎng)度與節(jié)間長(zhǎng)度相當(dāng)，約為4m。最大板塊重量約為11t，方便板塊的吊裝和架設(shè)。

目前既有橋梁鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板的施工方法主要有汽車(chē)吊拼裝法、專用架板機(jī)吊裝法等。而專用架板機(jī)更加適合流水作業(yè)、有利于縮短工期。同時(shí)還具有全自動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、吊具具有360°旋轉(zhuǎn)功能等優(yōu)勢(shì)。架板機(jī)采用液壓動(dòng)力方式，為6支腿門(mén)式結(jié)構(gòu)。前支腿支撐在既有橋梁的縱梁或橫梁位置；中、后支腿則支撐于已經(jīng)架設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板上。新制的鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板利用架板機(jī)上的天車(chē)吊起并沿著縱向逐塊吊裝并向前推進(jìn)。因此新制正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板采用專用架板機(jī)進(jìn)行架設(shè)具有一定的優(yōu)勢(shì)，且能夠保證施工質(zhì)量、有利于縮短工期。

6. 小結(jié)

混凝土行車(chē)道板改造是鋼桁梁普遍面臨和需要解決的問(wèn)題。目前多采用強(qiáng)度較高的正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車(chē)道板替換原始的混凝土行車(chē)道板。本項(xiàng)目通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超薄行車(chē)道板的構(gòu)造和功能。在支座設(shè)計(jì)中大膽創(chuàng)新，通過(guò)單獨(dú)的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)支座的集合功能。同時(shí)通過(guò)該方法在保證支座功能完善的前提下實(shí)現(xiàn)了大幅度降低支座高度。

[1] JTG D64-2015 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB/T 17955-2009 橋梁球型支座[S].

[3] JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4] 顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5] 張清華、崔闖、卜一之等.港珠澳大橋正交異性鋼橋面板疲勞特性研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47(9)：110-119

[6] 馮亞成、王春生.正交異性鋼橋面板縱肋與橋面板連接細(xì)節(jié)的疲勞評(píng)估及修復(fù)措施[J].工程設(shè)計(jì)，2011，143(2)：27-32

[7] 唐細(xì)彪.某橋正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)受力分析[J].世界橋梁，2015(1)：32-37.

[8] 張敏.JSHB180公鐵兩用架橋機(jī)在連鹽鐵路中的成功應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2016(16)：118-121.