某改造桥梁钢板组合梁设计及施工要点浅析

2019-07-15韩少波周晓晨

福建交通科技 2019年3期

■韩少波周晓晨

(苏交科集团股份有限公司，南京 210015)

1 项目背景及工程概况

某工程高架桥全长约6.2km，于1998年建成通车，通车初期货车比例高，超载现象严重，导致桥梁结构受损。近年的桥梁检测结果表明，部分桥跨上部空心板梁产生了斜向剪切裂缝，评定为四类桥梁，且全桥空心板裂缝的数量、长度和宽段并未稳定，仍处于不断发展之中；下部结构病害较少，经耐久性修复后仍可继续使用。根据桥梁检测结果，该段高架桥存在较大的运营安全隐患，因此急需对其进行改造。

高架桥上部结构均采用预制空心板结构，标准跨径20.6m，结构简支桥面连续。下部结构采用双柱式盖梁，墩高约10m，基础采用钻孔桩基础。老桥标准跨横断面如图1所示。

图1 老桥横断面示意图(单位：cm)

2 钢板组合梁设计

2.1 总体设计思路

本项目改造的首要目的是解决桥梁的病害问题，根据桥梁检测结果，结构性病害均发生在上部空心板梁上，下部结构无结构性病害。其次，由于原高架桥建设期较早，设计荷载等级与后建的相接段落高架桥不统一，该段高架桥成为整个高架环线系统的荷载瓶颈，本次改造考虑一并解决。本项目位于城市中心，项目的实施将对主城区交通和周边环境带来较大影响，因此工程的施工期应尽量缩短。

2.2 设计荷载等级选取

本项目老桥设计荷载等级为《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)的汽车-20级，挂车-100级。老桥建成通车之后，陆续修建了与其相接的其他段落高架桥，这些后建的高架桥采用的设计荷载等级均为《公路桥涵设计通用规范》(TGD60-2004)中的公路-Ⅰ级。为了整个高架桥环线系统的荷载等级统一，本次高架桥改造设计荷载等级应选用与《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅰ级荷载相当荷载标准，经研究对比，现行规范《城市桥梁设计规范》(CJJ11-2011)中的城-A级荷载与《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅰ级荷载基本一致，故本次改造设计荷载等级选用现行规范《城市桥梁设计规范》(CJJ11-2011)中的城-A级荷载。

2.3 设计要点

(1)上部结构改造方案比选

经计算，原空心板结构受力不能满足现行城-A荷载的要求，若采用加固原空心板的方案，一来加固效果有限，不能彻底解决桥梁病害问题；二来在原桥恒载不变的条件下，无法提高活载，解决不了荷载统一性的问题。因此加固原空心板的方案不可行，考虑对原桥上部结构的空心板予以更换，更换上部结构的总体改造方案对比见表1。

表1 上部结构总体改造方案对比表

通过以上三种方案的对比可以看出，更换为预制空心板梁结构会增加下部结构的荷载，不可控因素较多，基本不可行；更换为钢箱梁结构对下部结构影响较小，但用钢量大，经济性差。综合比选，推荐采用更换为钢板组合梁结构。

钢板组合梁桥面宽与原结构桥面宽保持一致，改造后钢板组合梁仍采用多片梁结构，钢板组合梁单幅主梁片数比选见表2。

表2 钢板组合梁单幅主梁片数对比表

由上表可知，方案一单桩荷载增加14%，由此带来的不可控因素较多，基本不可行。方案二、方案三考虑主梁用钢量指标和施工便捷性等因素，推荐采用方案二，即单幅5片主梁的断面形式。推荐方案的桥梁横断面如图2所示。

图2 改造后桥梁横断面示意图(单位：cm )

(2)钢板梁结构

考虑到改造的高架桥与相连的高架桥及匝道桥的平顺衔接，本次改造后新桥面标高与老桥面标高保持一致。受老桥桥面标高和盖梁顶标高之间的高度限制，支点附近的组合梁高须控制在0.75m左右；根据结构受力计算，跨中组合梁高度达1.3m。因此针对本工程的特殊情况，本次钢板梁采用了变高度鱼腹型设计，支点处梁高0.72m，跨中处梁高1.3m。

主梁跨中设置3道小横梁，两端设置有端横梁。主梁和横梁连接常用的方式有焊接和栓接。本工程工期紧、任务重，为减少工地焊接，加快现场施工速度，横梁与主梁间均采用摩擦型高强螺栓连接。其中小横梁采用M20高强螺栓，端横梁采用M24高强螺栓。

图3 钢板梁效果图

(3)桥面板结构

本工程桥面板采用C40钢筋混凝土现浇板，跨中厚度22cm，悬臂处厚度18～22cm。桥面板与钢梁之间通过剪力钉连接。

考虑本项目主要为标准断面，桥面板模板周转利用率高，模板可利用钢板梁结构搭设，无需在地面搭设满堂支架，对地面交通影响较小。综合考虑结构受力、施工难易和经济性等因素，推荐采用方案一，即采用现浇桥面板形式(见表3)。另外，为了提高桥面板的抗裂能力和变形能力，本次桥面板设计采用了低收缩、高抗裂、高韧性的混杂纤维混凝土材料，即在混凝土中掺加45kg/m3的钢纤维和0.8kg/m3的聚丙烯腈纤维。

表3 几种桥面板结构的比较

综上所述，改造后钢板组合梁单幅桥面宽度12.75m，主梁采用5片工字型钢梁，梁肋中心距为2.7m，悬臂长度0.975m。跨中段梁高1.3m，支点处梁高0.72m。混凝土桥面板厚22cm。横梁采用实腹式工字型截面。结构钢材采取Q345C，桥面板混凝土采用C40。结构跨中断面如图4所示：

(4)结构验算要点

①计算荷载

恒载自重由模型自行施加；汽车荷载按城-A级；温度效应采用整体升、降温25℃；梯度温度按《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB50917-2013)取值；风荷载采用100年一遇风荷载；混凝土收缩徐变按10年。

②主要计算结果

采用midascivil2015进行计算，采用空间梁单元建模，单梁模型如图5所示：

图4 结构跨中断面图(单位：cm)

图5 计算模型示意图

经计算，基本组合作用下钢板梁最大正应力210.5MPa，小于规范限制270MPa；基本作用下混凝土板最大应力10.1MPa，小于C40混凝土强度设计值18.4MPa。汽车荷载作用下主梁竖向最大挠度1.8cm，小于规范限制L/500=4cm。

除验算结构的应力和变形外，还应根据规范相关要求进行结构疲劳、结构稳定性、剪力钉、高强螺栓等项目的验算。

3 钢板组合梁施工

3.1 钢梁施工要点

钢梁在附近加工厂加工制造成单个构件，平板车运输至桥位处。现场采用汽车吊机将5片主梁分别组拼成2个和3个主梁的单元(含小横梁、端横梁和支座)，按照先中后边的顺序，依次将钢梁单元吊装至桥墩盖梁的临时支座上(见图6)；钢梁标高调整到位后，安装两个单元间小横梁和端横梁，钢梁形成整体；采用重力灌浆浇筑支座垫石，钢梁架设完成。

3.2 桥面板施工要点

桥面板为全现浇结构，为方便模板支架安拆，加快施工速度，桥面板采用吊模支架浇筑。

在钢梁上翼缘每隔1m开设Φ22的孔，通过M20普通螺栓分别将桥面板悬臂部分的三角支架和钢梁间桥面板的方钢管支架固定在钢梁上。在支架上铺设纵桥向的20×5cm木方，在木方上铺设1.5cm厚清水模板。其中M20螺栓的螺母超上、螺杆朝下，并且用PVC材料对螺母进行包裹，桥面板浇筑完成后，螺母留在桥面板中，螺杆拆卸后循环利用。详见图7～8。