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        公路常規(guī)橋梁檢修通道平臺的標準化設(shè)計

        2022-11-18 04:09:36
        北方交通 2022年11期
        關(guān)鍵詞:縱梁桁架受力

        孫 莉

        (1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司 合肥市 230088; 2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 合肥市 230088)

        0 引言

        目前我國已基本形成以高速公路為骨架的干線公路網(wǎng),隨著公路建設(shè)的日趨完善,我國公路發(fā)展的重點將會由大規(guī)模快速建設(shè)向大規(guī)模養(yǎng)護轉(zhuǎn)型,公路養(yǎng)護將成為我國公路發(fā)展的新主題。面對這一問題,交通運輸部提出了“建設(shè)是發(fā)展,養(yǎng)護管理也是發(fā)展,而且是可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀。

        橋梁是公路系統(tǒng)中的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其良好的服役狀態(tài)對保證道路交通的長期安全暢通起著決定性的作用。一般來說,橋梁的設(shè)計使用年限要達到50~100年。在我國,公路交通呈現(xiàn)流量大、車載重等特點,更加速了橋梁的老化。公路橋梁要保持良好的服役狀態(tài),對其進行有效的養(yǎng)護加固則顯得尤為重要。

        為給橋梁結(jié)構(gòu)的運營養(yǎng)護提供全面有力的保證,從全壽命設(shè)計的角度出發(fā),在橋梁設(shè)計時即應(yīng)充分吸收以往運營養(yǎng)護管理中的經(jīng)驗,將后期養(yǎng)護維修操作的可能性、經(jīng)濟性、安全性等方面納入設(shè)計范圍,在橋梁建設(shè)時將結(jié)構(gòu)巡檢通道、易損件的更換條件、結(jié)構(gòu)安全永久觀測點等檢修條件一并建成,從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要部件的可到達、可檢修和可更換[1]。

        目前大型、重點橋梁建設(shè)中較重視檢修通道的設(shè)置,而在我國橋梁占比最大的常規(guī)橋梁(裝配式箱梁、T梁、現(xiàn)澆箱梁等)則很少設(shè)置此類設(shè)施,或者設(shè)施難以滿足管養(yǎng)需求[2]。此外,現(xiàn)有的檢修設(shè)施設(shè)計未有統(tǒng)一的方式和原則,標準化程度不高,設(shè)置方式、位置與使用性能等與實際需求有差距。目前迫切需要一種適用于公路常規(guī)橋梁、標準化程度高、簡單實用,讓養(yǎng)護人員可以方便、安全地進行日常性抵近觀察橋梁重點易損部位的設(shè)施。

        1 公路橋梁檢修通道的組成

        公路橋梁檢修通道一般指固定在橋梁結(jié)構(gòu)上的檢修爬梯、檢修平臺等,通過合理的規(guī)劃,能使它們形成一個連續(xù)路徑,使檢修人員能夠從橋面或橋下出發(fā),抵達橋梁上需要維修的多個部位[3],它主要包括:

        (1)平臺系統(tǒng),包括為養(yǎng)護人員提供工作空間的平臺結(jié)構(gòu)和其支撐系統(tǒng),如圖1所示。平臺系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景包括:橫向設(shè)置于墩臺頂?shù)臋z修平臺(如圖1檢修平臺1),用于對支座、梁端進行檢修>和養(yǎng)護;沿上部結(jié)構(gòu)主梁縱向設(shè)置的檢修平臺(如圖1檢修平臺2),主要用于對上部結(jié)構(gòu)主梁進行檢修和養(yǎng)護;此外在上部結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵部位,如體外預(yù)應(yīng)力錨固處,也會設(shè)置檢修平臺。

        圖1 橋梁檢修通道

        (2)梯道系統(tǒng),要從地面或橋面上到達上述各種檢修平臺,需設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)絡(luò)梯道。

        2 檢修平臺的標準化設(shè)計問題及思路

        公路常規(guī)橋梁的形式多樣,包括裝配式混凝土箱梁、T梁、現(xiàn)澆箱梁等,以及近年來開始廣泛采用的中小跨徑鋼混組合梁,不同上部結(jié)構(gòu)主梁對應(yīng)需采用不同形式的墩臺,因此實際橋梁項目對檢修通道平臺的布置要求會多種多樣。此外,從養(yǎng)護需求方面來說,有的項目需設(shè)置縱向的檢修通道,有的需從橋面到達梁底的人孔,有的需查看支座,所以檢修通道平臺需要適用的場景繁多。

        但鑒于平臺的主要功能是為養(yǎng)護人員提供工作空間,當將整個平臺系統(tǒng)劃分成平臺結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu),如圖2所示,則可以將平臺結(jié)構(gòu)標準化。通過支撐結(jié)構(gòu)的調(diào)整和布置來實現(xiàn)不同橋梁結(jié)構(gòu)上、不同養(yǎng)護需求下平臺系統(tǒng)的標準化設(shè)計。

        圖2 平臺系統(tǒng)組成示意圖

        實際項目中橋梁上下部結(jié)構(gòu)的尺寸多樣,如橋梁寬度不同時,平臺的布置長度就不同;墩臺的形式不同時,支撐的形式和布置間距就需要改變。為了適應(yīng)盡可能多的工況,將設(shè)計幾種長度的平臺標準段以適應(yīng)不同的支撐間距,并且通過平臺標準段的組拼來實現(xiàn)各種長度平臺的布置。

        圖3 平臺組拼示意圖

        圖3示例了將3個長度為4m的平臺標準段組拼為一座長12m的完整平臺。同時可設(shè)計幾種標準形式的支撐,使平臺可以支撐或吊掛在橋梁的上下部結(jié)構(gòu)上。此外,在平臺系統(tǒng)的設(shè)計中考慮工廠化生產(chǎn)、裝配化施工的可能性,盡量采用小型化、標準化的構(gòu)件,并盡可能多地采用螺栓連接。

        3 平臺系統(tǒng)的標準化設(shè)計

        3.1 兩種結(jié)構(gòu)體系的檢修平臺

        有關(guān)檢修平臺,主要有兩種結(jié)構(gòu)體系,一種為圖4所示的主縱梁體系(后稱“縱梁平臺”),以雙縱梁為主受力構(gòu)件,縱梁簡支在支撐結(jié)構(gòu)上;平臺防護欄桿僅提供防護功能,承受局部荷載,不參與主體結(jié)構(gòu)的受力,可局部拆除;另一種則為圖5所示的桁架結(jié)構(gòu)體系(后稱“桁架平臺”),由型鋼桿件組成的桁架是主受力構(gòu)件,桁架的上弦桿和腹桿除是主受力構(gòu)件的一部分外,同時也作為護欄,提供防護功能。

        圖4 縱梁平臺組成

        圖5 桁架平臺組成

        這兩種結(jié)構(gòu)體系各有優(yōu)缺點,縱梁平臺主要依靠縱梁承載,為簡支結(jié)構(gòu),當跨度逐步增大時,主縱梁的梁高需要不斷增大,這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的總高度相對較大,而一般橋梁結(jié)構(gòu)上的布置空間較局促,檢修平臺的總高度越大則越不便于布置,此外,梁高的增大也會導(dǎo)致用鋼量增加較多。但另一方面,縱梁平臺形式簡潔,美觀性較好;防護欄桿的布置簡單,受力明確,僅承受局部荷載,可根據(jù)實際布置的需要局部取消或單側(cè)取消,節(jié)省材料。

        桁架平臺依靠桁架承載,將安全防護欄桿與結(jié)構(gòu)構(gòu)件融合,一般護欄扶手高度需至少在平臺板頂面以上1m[4],則桁架高度至少1m,根據(jù)簡支桁架梁梁高與跨度之間的關(guān)系,一般為1/10~1/16,公路簡支桁架的經(jīng)濟梁高大致為跨徑的1/5.5~1/8,則桁架體系平臺的單跨跨度最小可達到6m,跨越能力較強。且通過標準化設(shè)計,桁架平臺既可為簡支結(jié)構(gòu),也可形成連續(xù)結(jié)構(gòu),支撐的布置方案較多,因此對各種橋梁結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較好。但桁架平臺的上弦桿和腹桿是主受力結(jié)構(gòu)的組成部分,不能隨意取消,結(jié)構(gòu)形式較固定,當平臺只需設(shè)置單側(cè)護欄或平臺需要與其他檢修通道銜接時,桁架平臺則不如縱梁平臺可調(diào)余地大,材料也更浪費。

        縱梁平臺選用槽鋼來制作縱梁,選擇4種標準段長度2m、4m、6m和8m,按簡支梁設(shè)計,設(shè)計荷載參考文獻[5],槽鋼的選用如表1所示。

        表1 縱梁槽鋼型號選取 mm

        對桁架平臺,結(jié)合桁架結(jié)構(gòu)的受力特點,設(shè)計2m長標準段,標準段之間通過連接構(gòu)造可以不斷接長,如圖5所示,因桁架結(jié)構(gòu)跨越能力強,可每隔6~8m設(shè)置一道支撐。同樣基于文獻[5]的設(shè)計荷載,經(jīng)過計算分析,桁架平臺的上下弦桿選用角鋼L80mm×6mm,各類腹桿、橫向聯(lián)結(jié)系等選用角鋼L50mm×5mm。

        3.2 支撐結(jié)構(gòu)的標準化設(shè)計

        實際橋梁項目中,檢修平臺設(shè)置的原因多樣,平臺既可能依附在上部結(jié)構(gòu)主梁上,也可能附于下部結(jié)構(gòu)墩臺上[6]。結(jié)合前述平臺的標準設(shè)計,形成了懸臂支撐、三角架支撐、吊掛支撐三種標準設(shè)計。

        (1)懸臂支撐

        懸臂支撐一般采用等截面或變截面H型鋼,如圖6所示,主要適用于平臺凈空易于滿足的場合。懸臂式支撐的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工方便且不占用平臺下空間,因此在平臺凈空易于滿足的前提下,優(yōu)先考慮采用懸臂支撐。當H型鋼懸臂長度不超過1.2m時,采用HW125×125型號H型鋼滿足構(gòu)造要求和受力需求。

        圖6 懸臂支撐

        (2)三角架支撐

        三角架支撐結(jié)構(gòu)由豎向槽鋼、水平T型鋼及斜向角鋼焊接而成,如圖7所示。在實際使用中,支撐可通過改變豎向槽鋼的長度,來滿足不同平臺結(jié)構(gòu)凈空的要求。這類支撐結(jié)構(gòu)適用范圍較大,大部分蓋梁和橋墩均能適用,尤其適用于蓋梁高度較小,導(dǎo)致懸臂式支撐無法滿足平臺凈空要求的情形。

        圖7 三角架支撐

        結(jié)合三角架的受力特點,并從標準化設(shè)計的角度出發(fā),固定水平T型鋼(TW62.5×125)和斜向角鋼(∠63×63×5)的型號,以豎向槽鋼的型號和長度作為變化參數(shù),形成各種不同的三角架支撐,以適應(yīng)不同類型、不同跨徑的平臺,如表2所示。

        (3)吊掛支撐

        吊掛支撐為角鋼桿件焊接而成的U型結(jié)構(gòu),如圖8所示,一般通過錨固連接構(gòu)造附于上部結(jié)構(gòu)主梁的梁底。在實際使用中,當布置需要或因考慮平臺與其他附屬結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)而需將檢修平臺附于主梁上時,可以選用吊掛支撐。

        圖8 吊掛支撐

        3.3 平臺系統(tǒng)的選用

        按照模塊化的設(shè)計思路,可用上述的兩種類型平臺的不同長度標準段拼裝出不同長度的平臺,拼裝的方案往往不止一種。例如總長為12m的平臺,可以用縱梁平臺組拼,有三個拼裝方案:6個2m長標準段、3個4m長標準段拼裝和2個6m長標準段;也可用桁架平臺組拼,用其2m標準段拼裝出2×6m的連續(xù)結(jié)構(gòu)。

        選擇拼裝方案時,需要綜合考慮可行性、安全性、經(jīng)濟性和施工便利性等因素。一般可遵循以下原則:

        (1)支撐設(shè)置條件較好時,可供選擇的拼裝方案較多,可從經(jīng)濟性、施工便利性等角度考慮進行選擇。

        (2)支撐設(shè)置受限制時,主要按支撐位置選擇平臺標準段。支撐結(jié)構(gòu)與平臺的配合使用如表3所示。

        表3 支撐結(jié)構(gòu)的適用性

        (3)結(jié)構(gòu)表面預(yù)埋件施工或后錨固施工不方便時,盡量選擇跨徑較大的平臺標準段,以減少支撐數(shù)量。

        (4)桁架平臺可形成多跨連續(xù)結(jié)構(gòu),相比縱梁平臺的簡支結(jié)構(gòu)要更穩(wěn)健,在支撐間距相同時,一般優(yōu)選桁架平臺。

        (5)雖然平臺在設(shè)計時,考慮支撐間距可能達到8m。但在實際使用時,要在視覺觀感上給使用者以安全感,應(yīng)盡可能保證支撐間距不超過6m。

        (6)當平臺的一側(cè)連續(xù)緊靠橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件時,可取消一側(cè)護欄設(shè)置,此時選擇縱梁平臺經(jīng)濟性較好。

        4 結(jié)語

        研究了適用于公路常規(guī)橋梁檢修通道的主縱梁結(jié)構(gòu)體系平臺與桁架體系平臺的標準化設(shè)計,從設(shè)置的角度來說,2m、4m的主縱梁結(jié)構(gòu)體系平臺的主要使用范圍為短平臺。桁架體系平臺的單跨跨度最小可達到6m,平臺結(jié)構(gòu)的跨越能力較強,可主要適用于大支撐間距的情況。標準化的設(shè)計可以縮短設(shè)計工期,大幅度提高養(yǎng)護設(shè)施的標準化程度,可工廠化生產(chǎn)與裝配化施工,進而提升建設(shè)質(zhì)量與效率。

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