钢混叠合梁在抢险加固工程中的应用

2018-05-02周伟光

建材与装饰 2018年16期

周伟光

（广州市市政工程设计研究总院广东广州 510030）

引言

对于20世纪末期许多中小城市桥梁，采用旧规范设计，桥面构造设计基于同期荷载水平，随着交通日趋繁忙以及桥梁结构服役年限的增加，许多桥梁出现了不同程度的病害问题，需要对这些病害桥梁进行维修加固处理。城市病害桥梁往往地处交通要塞，对该类桥梁进行维修加固时，工期往往是确定加固方案时考虑的最重要因素。钢混叠合梁因钢结构在工厂预制、现场拼装方便，可作为混凝土桥面板浇筑的模板，结构施工方便、效率高，能充分发挥材料特性，质量有保障，工期快，能快速恢复交通，是城市桥梁抢险加固过程中常用的方案。本文以广州市某市政桥梁抢险加固工程为例，分析钢混叠合梁方案在该类抢险加固工程中的应用优势。

1 工程概况

广州某市政桥梁地处广佛两地连接通道，交通十分繁忙。该桥引桥为多跨空心板梁，跨径均为20m。桥面横向布置为0.25m（栏杆）+2.25m（人行道）+15.25m（3车行道+1机非混行）+1.5m（中央隔离带）+15.25m（3车行道+1机非混行）+2.25m（人行道）+0.25m（栏杆）=37m，分为南北两幅，北幅断面如图1所示。

原设计荷载为：汽车超-20，挂车-120，人群荷载3.5kN/m2。运营至今已有22年，在交通荷载及自然条件作用下，存在主梁承载力不足、混凝土耐久性病害、桥梁下部结构病害等。2016年该桥桥梁技术状况被评定为D级，建议尽快进行中修或加固处理。2017年检测发现东引桥某跨北幅桥桥面出现明显下挠，最大挠度达5cm之多，桥面开裂严重，桥梁结构安全情况十分危机，需对该跨桥梁进行抢险工程设计。

图1 既有北幅空心板断面图

2 抢险设计分析

通过现场观察，问题跨北幅桥上部结构空心板病害严重，部分空心板下挠5cm以上，且结构性裂缝较多，空心板承载力严重降低。主要原因如下：①据现场观察及竣工图分析，该桥上部结构空心板横向未设置现浇层，空心板横向联系较弱，且该桥重载车较多，车辆行驶轨迹单一，铰缝失效后形成单梁受力。②该桥空心板采用双支座，且支座采用球冠圆板式橡胶支座及四氟滑板橡胶支座，支座脱空较多、支座变形较大，空心板支座一旦失效，空心板受力模式改变，支座局部承压增加，在反复荷载作用下，梁板将产生较大位移的振动，首先会影响到桥梁使用性能，其次，梁板反复变形会加速铰缝破坏，进一步消弱横向梁体之间联系，对梁板受力不利。

由于该桥地处广佛重要连接通道，交通量大，抢险设计主要考虑以下原则：尽量缩短工期，尽快恢复交通，减少对周边交通运行的影响；保证结构病害得到妥善处理；充分考虑方案的可行性和经济性，同时充分考虑结构的承载力潜能；兼顾结构加固后的耐久性。因原空心板结构性裂缝较多，横向联系已几乎失效，再对其加固质量难以保证，需要对该幅桥梁进行整体更换。

考虑到既有桥的空心板结构临时预制较为困难，且混凝土养护需较长时间，因此不宜重新更换新的空心板。如改为预制小箱梁，上部结构总高度将不能满足结构受力要求。为加快工期，尽快恢复交通，抢险方案采用新建工字钢混叠合梁上部结构替换既有空心板结构，并将高低垫石改造，双支座改为单支座传力。

为缩短工期，在拆桥的同时预制工字钢梁，预制工字梁主要施工步骤如下：①考虑预拱度及竖曲线影响，在工厂分段焊接制造板单元，按照梁的编号，经在胎架上预拼合格后焊成整片梁。②在工字梁焊接抗剪栓钉，做防腐涂装。③吊装前应对墩顶顶面高程、支座垫石及各孔跨径进行复测，误差在容许范围方可吊装。④把工字梁逐片按规定的顺序吊装到位，运输过程中要注意保持工字梁的稳定，应采取可靠措施防止钢构件变形。⑤施工梁与梁之间的横向连接。⑥支立混凝土桥面板浇筑模板，绑扎现浇层钢筋，现浇混凝土层形成整体。⑦施工人行道、桥面铺装等，最后成桥。

图2 更换桥跨施工顺序示意图

3 钢混叠合梁设计分析

新建该跨预制钢混叠合工字梁为简支结构，梁顶设1.5%单向横坡，梁底水平。为利用原有支座垫石，横向采用与原空心板横线间距一致，18.5m桥宽标准断面横向由13片工字梁组成，梁与梁之间的中心距1.5m，桥梁标准断面如图3所示。标准梁长19.94m，计算跨径19.44m。

图3 桥梁标准横断面

组合工字梁的钢结构部分采用全焊工字梁。钢梁由工字梁、横隔及加劲肋组成，工字梁上翼缘板顶面设置剪力键与混凝土桥面板连为整体。工字梁梁高为70mm（从底钢板底至混凝土板底），底板板宽500mm，板厚28mm，顶板板宽400mm，板厚20mm，顶板上沿桥跨径方向焊接间距不等的抗剪栓钉。腹板板厚14mm，板高652mm。每片工字梁沿纵向在腹板上成对设置11道竖向加劲肋（包括两端的竖向加劲肋，边工字梁只在腹板内侧设置竖向加劲肋），加劲肋板厚12mm，两端竖向加劲肋加厚至22mm。梁与梁之间设置7道横向连接系。横向连接系由竖向加劲板、水平连接板、斜向连接板（连接板均为50mmx6mm角钢）组成。

预制组合工字梁顶面的混凝土板厚15cm，在上翼缘钢板宽度范围内顶面混凝土板加厚到20cm，两侧采用1：1.5的斜率过渡到15cm厚。在桥跨两侧距离两端2m范围内混凝土板由15cm加厚到20cm。组合工字梁及加劲肋采用Q345C，横向连接角钢采用Q235C。桥面板采用C40混凝土。抗剪栓钉的作用是传递桥面板与钢梁之间的剪力，是混凝土板、钢梁联合受力的关键。抗剪栓钉采用Q235钢圆柱头焊钉，材料性能等级为4.6级。支座采用板式橡胶支座。

3.1 有限元计算

为准确模拟桥梁施工过程与运营期间的受力特性，以三维梁单元为分析单元，建立全桥空间三维杆系结构几何模型，有限元分析软件采用Midas Civil，全桥共1384个节点、1894个单元。结构整体分析模型见图4。模型在端部进行简支约束。

图4 Midas Civil整体分析模型

计算荷载主要考虑自重，桥面铺装及人行道填砂，车道荷载按城A荷载4车道布置（偏载+中载），并考虑1.3倍超载系数、冲击系数（基频1.0179Hz，冲击系数取1.05）和横向折减，人群荷载取3.5kN/m2，温度效应按规范选取。

3.2 结算结果

基本组合下工字钢的最大组合应力为148.9MPa，最大剪应力为46.1MPa，剪刀撑的最大组合应力为190.4MPa，最大剪应力为4.4MPa。混凝土桥面板最大组合应力为-15.0MPa，表现为受压。支座局部压应力为53.1MPa<200MPa。最大跨中截面疲劳正应力为26.7MPa，小于容许值79.1MPa，最大跨中截面疲劳剪应力为21.3MPa，小于容许值60.4MPa。型钢的最大挠度为24.7mm，小于L/500。整体稳定因上部混凝土桥面板的存在可不计算，局部稳定：腹板横向加劲肋最大间距amax=1900mm<1.5hw，且满足不设置纵向加劲肋的相关要求。结构在各种工况组合下强度，刚度及稳定性均满足要求，结构受力合理。