周偉光

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院 廣東廣州 510030）

引言

對(duì)于20世紀(jì)末期許多中小城市橋梁，采用舊規(guī)范設(shè)計(jì)，橋面構(gòu)造設(shè)計(jì)基于同期荷載水平，隨著交通日趨繁忙以及橋梁結(jié)構(gòu)服役年限的增加，許多橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害問題，需要對(duì)這些病害橋梁進(jìn)行維修加固處理。城市病害橋梁往往地處交通要塞，對(duì)該類橋梁進(jìn)行維修加固時(shí)，工期往往是確定加固方案時(shí)考慮的最重要因素。鋼混疊合梁因鋼結(jié)構(gòu)在工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝方便，可作為混凝土橋面板澆筑的模板，結(jié)構(gòu)施工方便、效率高，能充分發(fā)揮材料特性，質(zhì)量有保障，工期快，能快速恢復(fù)交通，是城市橋梁搶險(xiǎn)加固過程中常用的方案。本文以廣州市某市政橋梁搶險(xiǎn)加固工程為例，分析鋼混疊合梁方案在該類搶險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

廣州某市政橋梁地處廣佛兩地連接通道，交通十分繁忙。該橋引橋?yàn)槎嗫缈招陌辶?，跨徑均?0m。橋面橫向布置為0.25m（欄桿）+2.25m（人行道）+15.25m（3車行道+1機(jī)非混行）+1.5m（中央隔離帶）+15.25m（3車行道+1機(jī)非混行）+2.25m（人行道）+0.25m（欄桿）=37m，分為南北兩幅，北幅斷面如圖1所示。

原設(shè)計(jì)荷載為：汽車超-20，掛車-120，人群荷載3.5kN/m2。運(yùn)營(yíng)至今已有22年，在交通荷載及自然條件作用下，存在主梁承載力不足、混凝土耐久性病害、橋梁下部結(jié)構(gòu)病害等。2016年該橋橋梁技術(shù)狀況被評(píng)定為D級(jí)，建議盡快進(jìn)行中修或加固處理。2017年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)東引橋某跨北幅橋橋面出現(xiàn)明顯下?lián)希畲髶隙冗_(dá)5cm之多，橋面開裂嚴(yán)重，橋梁結(jié)構(gòu)安全情況十分危機(jī)，需對(duì)該跨橋梁進(jìn)行搶險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)。

圖1 既有北幅空心板斷面圖

2 搶險(xiǎn)設(shè)計(jì)分析

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，問題跨北幅橋上部結(jié)構(gòu)空心板病害嚴(yán)重，部分空心板下?lián)?cm以上，且結(jié)構(gòu)性裂縫較多，空心板承載力嚴(yán)重降低。主要原因如下：①據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及竣工圖分析，該橋上部結(jié)構(gòu)空心板橫向未設(shè)置現(xiàn)澆層，空心板橫向聯(lián)系較弱，且該橋重載車較多，車輛行駛軌跡單一，鉸縫失效后形成單梁受力。②該橋空心板采用雙支座，且支座采用球冠圓板式橡膠支座及四氟滑板橡膠支座，支座脫空較多、支座變形較大，空心板支座一旦失效，空心板受力模式改變，支座局部承壓增加，在反復(fù)荷載作用下，梁板將產(chǎn)生較大位移的振動(dòng)，首先會(huì)影響到橋梁使用性能，其次，梁板反復(fù)變形會(huì)加速鉸縫破壞，進(jìn)一步消弱橫向梁體之間聯(lián)系，對(duì)梁板受力不利。

由于該橋地處廣佛重要連接通道，交通量大，搶險(xiǎn)設(shè)計(jì)主要考慮以下原則：盡量縮短工期，盡快恢復(fù)交通，減少對(duì)周邊交通運(yùn)行的影響；保證結(jié)構(gòu)病害得到妥善處理；充分考慮方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)充分考慮結(jié)構(gòu)的承載力潛能；兼顧結(jié)構(gòu)加固后的耐久性。因原空心板結(jié)構(gòu)性裂縫較多，橫向聯(lián)系已幾乎失效，再對(duì)其加固質(zhì)量難以保證，需要對(duì)該幅橋梁進(jìn)行整體更換。

考慮到既有橋的空心板結(jié)構(gòu)臨時(shí)預(yù)制較為困難，且混凝土養(yǎng)護(hù)需較長(zhǎng)時(shí)間，因此不宜重新更換新的空心板。如改為預(yù)制小箱梁，上部結(jié)構(gòu)總高度將不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。為加快工期，盡快恢復(fù)交通，搶險(xiǎn)方案采用新建工字鋼混疊合梁上部結(jié)構(gòu)替換既有空心板結(jié)構(gòu)，并將高低墊石改造，雙支座改為單支座傳力。

為縮短工期，在拆橋的同時(shí)預(yù)制工字鋼梁，預(yù)制工字梁主要施工步驟如下：①考慮預(yù)拱度及豎曲線影響，在工廠分段焊接制造板單元，按照梁的編號(hào)，經(jīng)在胎架上預(yù)拼合格后焊成整片梁。②在工字梁焊接抗剪栓釘，做防腐涂裝。③吊裝前應(yīng)對(duì)墩頂頂面高程、支座墊石及各孔跨徑進(jìn)行復(fù)測(cè)，誤差在容許范圍方可吊裝。④把工字梁逐片按規(guī)定的順序吊裝到位，運(yùn)輸過程中要注意保持工字梁的穩(wěn)定，應(yīng)采取可靠措施防止鋼構(gòu)件變形。⑤施工梁與梁之間的橫向連接。⑥支立混凝土橋面板澆筑模板，綁扎現(xiàn)澆層鋼筋，現(xiàn)澆混凝土層形成整體。⑦施工人行道、橋面鋪裝等，最后成橋。

圖2 更換橋跨施工順序示意圖

3 鋼混疊合梁設(shè)計(jì)分析

新建該跨預(yù)制鋼混疊合工字梁為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，梁頂設(shè)1.5%單向橫坡，梁底水平。為利用原有支座墊石，橫向采用與原空心板橫線間距一致，18.5m橋?qū)挊?biāo)準(zhǔn)斷面橫向由13片工字梁組成，梁與梁之間的中心距1.5m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)梁長(zhǎng)19.94m，計(jì)算跨徑19.44m。

圖3 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

組合工字梁的鋼結(jié)構(gòu)部分采用全焊工字梁。鋼梁由工字梁、橫隔及加勁肋組成，工字梁上翼緣板頂面設(shè)置剪力鍵與混凝土橋面板連為整體。工字梁梁高為70mm（從底鋼板底至混凝土板底），底板板寬500mm，板厚28mm，頂板板寬400mm，板厚20mm，頂板上沿橋跨徑方向焊接間距不等的抗剪栓釘。腹板板厚14mm，板高652mm。每片工字梁沿縱向在腹板上成對(duì)設(shè)置11道豎向加勁肋（包括兩端的豎向加勁肋，邊工字梁只在腹板內(nèi)側(cè)設(shè)置豎向加勁肋），加勁肋板厚12mm，兩端豎向加勁肋加厚至22mm。梁與梁之間設(shè)置7道橫向連接系。橫向連接系由豎向加勁板、水平連接板、斜向連接板（連接板均為50mmx6mm角鋼）組成。

預(yù)制組合工字梁頂面的混凝土板厚15cm，在上翼緣鋼板寬度范圍內(nèi)頂面混凝土板加厚到20cm，兩側(cè)采用1：1.5的斜率過渡到15cm厚。在橋跨兩側(cè)距離兩端2m范圍內(nèi)混凝土板由15cm加厚到20cm。組合工字梁及加勁肋采用Q345C，橫向連接角鋼采用Q235C。橋面板采用C40混凝土?？辜羲ㄡ?shù)淖饔檬莻鬟f橋面板與鋼梁之間的剪力，是混凝土板、鋼梁聯(lián)合受力的關(guān)鍵?？辜羲ㄡ敳捎肣235鋼圓柱頭焊釘，材料性能等級(jí)為4.6級(jí)。支座采用板式橡膠支座。

3.1 有限元計(jì)算

為準(zhǔn)確模擬橋梁施工過程與運(yùn)營(yíng)期間的受力特性，以三維梁?jiǎn)卧獮榉治鰡卧?，建立全橋空間三維桿系結(jié)構(gòu)幾何模型，有限元分析軟件采用Midas Civil，全橋共1384個(gè)節(jié)點(diǎn)、1894個(gè)單元。結(jié)構(gòu)整體分析模型見圖4。模型在端部進(jìn)行簡(jiǎn)支約束。

圖4 Midas Civil整體分析模型

計(jì)算荷載主要考慮自重，橋面鋪裝及人行道填砂，車道荷載按城A荷載4車道布置（偏載+中載），并考慮1.3倍超載系數(shù)、沖擊系數(shù)（基頻1.0179Hz，沖擊系數(shù)取1.05）和橫向折減，人群荷載取3.5kN/m2，溫度效應(yīng)按規(guī)范選取。

3.2 結(jié)算結(jié)果

基本組合下工字鋼的最大組合應(yīng)力為148.9MPa，最大剪應(yīng)力為46.1MPa，剪刀撐的最大組合應(yīng)力為190.4MPa，最大剪應(yīng)力為4.4MPa?；炷翗蛎姘遄畲蠼M合應(yīng)力為-15.0MPa，表現(xiàn)為受壓。支座局部壓應(yīng)力為53.1MPa<200MPa。最大跨中截面疲勞正應(yīng)力為26.7MPa，小于容許值79.1MPa，最大跨中截面疲勞剪應(yīng)力為21.3MPa，小于容許值60.4MPa。型鋼的最大撓度為24.7mm，小于L/500。整體穩(wěn)定因上部混凝土橋面板的存在可不計(jì)算，局部穩(wěn)定：腹板橫向加勁肋最大間距amax=1900mm<1.5hw，且滿足不設(shè)置縱向加勁肋的相關(guān)要求。結(jié)構(gòu)在各種工況組合下強(qiáng)度，剛度及穩(wěn)定性均滿足要求，結(jié)構(gòu)受力合理。

4 結(jié)論

鋼混疊合梁（工字鋼+混凝土橋面板）構(gòu)造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)加工方便，采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝方式，可作為混凝土橋面板澆筑的模板，施工簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠，能大大節(jié)省工期。本文中搶險(xiǎn)工程采用鋼混疊合梁方案，工期約一個(gè)月即完成了既有空心板的替換，恢復(fù)了交通。文中方案可為類似搶險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

[1]《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）[S].北京：人民交通出版社.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）[S].北京：人民交通出版社.

[3]《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）[S].北京：人民交通出版社.

[4]《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22-2008）[S].北京：人民交通出版社.