基于长寿命理念的跨线桥结构研究

朱 静

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

对于跨线桥梁，设计中较少考虑由于桥下交通运行的特殊性、重要性及桥梁运营通车后无法或很难中断交通而进行后期养护维护的现实情况，进而造成对此类桥梁运营期间进行后期养护维护时十分困难，使得维护人员及维护设备无法进行正常工作，对桥梁无法进行定期的维修和养护，加速了桥梁病害发展，影响桥梁的安全运营，甚至导致桥梁损坏拆除，大大缩短了桥梁的寿命周期，同时拆除此类桥梁对桥下公路或铁路等的正常运行造成巨大的影响，对经济效益、社会效益等造成巨大的损失[1-2]。

因此，本论文就跨线桥梁运营期面临养护维护十分困难等问题日益突出的现状，针对基于长寿命理念的跨线桥结构进行研究，意在通过对结构选型及构造措施、高耐久性材料应用技术，以及施工工艺的研究，尽可能多地延长跨线桥梁的少维护使用寿命，减少此类桥梁维护的次数，最大限度地降低对桥下运营中的铁路、公路等交通影响，并能够达到合理优化和节约桥梁建设资金、延长桥梁的使用寿命、降低桥梁正常的维修养护成本的目的。

“长寿命理念”是指综合考虑结构优化设计理论及全寿命周期成本等因素，提高跨线桥梁的耐久性，减缓其病害的发展，减少并易于桥梁的后期养护维修工作，延长其寿命。

1 基于长寿命理念的跨线桥梁结构形式比选

1.1 T梁混凝土结构形式

T梁结构采用优化的结构形式，在T梁横隔板设计中，加大了下缘钢筋的直径。优化T梁预应力钢束设置，取消了平弯。取消了腹板下缘马蹄的设置，方便了设计和施工。

从挠度分析，梁高最小不小于1.2m，翼板端部厚度应介于13～15cm，翼板根部厚度应介于18～20cm。梁高在1.2～1.4m阶段，混凝土的压应力受翼板厚度的影响越来越不明显；翼板端部厚度在13～17cm，翼板根部厚度在18～22cm时，混凝土的压应力受翼板厚度的影响越来越不明显。

腹板宽度不变时，翼板端部的厚度应在13～17cm(梁高的10%～13%)之间为宜，翼板根部的厚度应在18～22cm(梁高的13.8%～16.9%)之间为宜；梁高应在1.2～1.4m(跨径的8%～9%)之间为宜。

综合比较考虑了混凝土拌和、梁体预制、底模板、现浇、运输、安装等建筑安装费用以及后期养护维修费用、对桥下交通社会影响全寿命周期费用。通过比较可以得出在8～20m跨径范围内，建设初期预制T梁费用比空心板梁仅高10%左右，但考虑桥梁全寿命周期的成本远远低于空心板梁。

图1 混凝土T梁桥加中载时模型(1/2跨)

图2 混凝土T梁桥加偏载时模型(1/2跨)

1.2 钢混组合结构形式

在实际工程中，钢主梁上下缘的最大应力值、桥面板上下缘的最大应力值、钢主梁和桥面板的剪应力值以及主梁挠度是需要特别关注的。以混凝土桥面板的厚度、钢主梁上翼缘板的厚度、钢梁底板厚度、钢梁腹板厚度、腹板高度、混凝土强度以及钢材标号做为以上应力值的影响因素，探讨影响因素的改变对组合梁各个应力指标以及极限承载力的影响，并结合混凝土方量和钢材的用钢量，对组合梁截面进行优化，如图3所示。得出结论如下：

图3 钢混组合梁参数优化结果

(1)主梁抗弯极限承载力：随着混凝土桥面板厚度增加而增大且增幅明显，设计时可适当增加混凝土桥面板厚度；受钢梁翼板厚度影响较小；随钢梁底板厚度增大而增大且增幅较为明显；随腹板厚度增大而增大，增幅不十分明显；随主梁高度增加而增大，增幅较为明显；随混凝土强度增大而增大，随钢材强度增大而增大，但增幅均不十分明显。为获得较高的承载力，应优先考虑优化截面尺寸，加大混凝土桥面板及钢梁底板厚度，其次再考虑提高材料强度。

(2)对主梁构件的构造提出如下优化建议：腹板厚度16～25mm；高跨比1/17～1/22；底板厚度20～35mm；翼板厚度15～20mm；桥面板厚度200～350mm；混凝土宜采用高强混凝土。

2 跨线桥梁构造措施研究

跨线桥构造上宜采用耐久性较好的防撞护栏、支座、伸缩装置等，对不易维修更换的构造局部进行加强，提高设计标准。

针对普通支座已发生老化、脱空、养护不便等问题，通过研究，提出适用于寒冷地区新型高耐久性支座的性能要求，可实现跨线桥梁支座安全可靠、经久耐用、性能稳定、减震耗能等优势。

2.1 耐久性支座

2.1.1材料方面

(1)采用新型材料，替代原有板式橡胶支座的加劲钢板。保证竖向、横向刚度的同时，减小加劲钢板对橡胶支座横向剪切能力的束缚，提高支座位移能力。

(2)采用高阻尼橡胶材料，使支座具有高阻尼橡胶支座良好的阻尼滞回耗能能力。

(3)采用耐低温橡胶能广泛应用于低温地区,材料耐低温达到-60℃以下,所在-30℃地区使用橡胶才能性能不变,具有使用价值。

2.1.2性能方面

(1)提高支座的剪切变形能力，此外，较小的面外刚度使支座可以发生翘曲滚动，以实现更大的水平位移。

(2)支座高阻尼橡胶的特质，使得支座具有了良好的减震耗能能力。

(3)支座橡胶中掺入的有机钴盐，可有效增强橡胶和加劲材料钢丝网间的粘结，从而保障支座稳定的受力性能。

(4)支座加劲材料钢丝网周边采用焊接处理，使加劲层对橡胶在竖向力下的横向膨胀有更大的约束力，提高支座的竖向承载能力。

2.2 检修平台及检修车设置

由于跨线桥梁的特殊性，结构应预留检查或维修空间，便于构件维修与更换，如图4所示。

图4 检测车及检测平台设置

(1)为便于钢箱梁的养护与检查，设置梁底检查车。

(2)在钢箱梁两侧的检测车端部位置均设置液压升降平台，以便从检测车直接到达桥面，检测车设置踏步等设施方便车辆启动前检修人员可由桥面进入检测车。

3 高耐久性材料应用技术研究

3.1 高性能混凝土应用技术

采用高强高性能混凝土可以减小截面尺寸，减轻自重，获得较大的经济效益。高性能修补混凝土指掺加一种或多种优质矿物掺料和高性能减水剂、较低水胶比和较少水泥用量，具有良好的粘结与力学特性、工作性、密实性、耐久性的水泥混凝土[3-4]。

处于多种劣化因素综合作用下的混凝土结构宜采用高性能混凝土。根据混凝土结构所处的环境条件，高性能混凝土应满足下列一种或几种技术要求：

(1)水胶比不大于0.38。

(2)56d龄期的6h总导电量小于1000C。

(3)300次冻融循环后相对动弹性模量大于80%。

(4)胶凝材料抗硫酸盐腐蚀试验的试件15周膨胀率小于0.4%，混凝土最大水胶比不大于0.45。

(5)混凝土中可溶性碱总含量小于3.0kg/m3。

高性能混凝土相关性能指标建议：

(1)高效减水剂可以增加坍落度，但坍落度经时损失随之加大，选用减水剂时应测定混凝土坍落度与坍落度损失时间。

(2)影响坍落度因素：砂率增加1%坍落度增加20mm，增加粉煤灰掺量可以减小坍落度。增大水灰比可有效地减小坍落度损失。矿粉+粉煤灰可以有效降低坍落度经时损失率，泵送混凝土建议按照扩展度450～550mm、坍落度180～220mm。倒坍落度筒流下时间以5～25s的指标对混凝土流动性、黏度进行控制。

3.2 耐候钢应用技术

向普通碳钢中添加少量的铜、铬、镇、银等合金元素炼制而成的钢称为耐候钢，此钢在保证其力学性能的同时，抗腐烛性能为普通碳钢的2～8倍，而且随着时间的增加，其耐腐蚀性能的增加更为明显。在大气环境中经过几年的服役后，耐候钢的表面形成一层稳定、致密的锈层，它可以阻止基体的进一步锈蚀。因此，耐候钢以良好的耐蚀性能，优良的力学性能和较好的焊接性能广泛用于集装箱、铁道车辆及桥梁[5]。耐候钢桥梁设计要点：

(1)伸缩件：采用非排水型。

(2)桥面板：设置高性能的防水层。

(3)排水系统：把排水管口伸到钢梁下翼缘以下，并且确保排水管不漏水。

(4)钢梁端部：钢梁腹板设置切口，确保通风或对端部进行防锈处理。

(5)钢梁下翼缘的截水：设置截水板，防止钢梁端部的排水向跨中流入。

(6)钢梁下翼缘的排水：设置排水坡度。

(7)护栏：确保护栏接头处止水。

4 结论

针对跨线桥梁养护维护困难等问题，对混凝土桥梁、钢桥以及钢混组合桥梁，从结构合理性、耐久性、施工便捷性，以及全寿命周期经济性等角度出发，优选适用于辽宁省地区基于长寿命理念的跨线桥梁结构形式，并针对此结构形式桥梁就结构设计、施工及易于后期养护的角度出发，对其进行优化设计研究，有针对性地提出跨线桥梁设计对策，保证桥梁有较好的耐久性，减少桥梁的后期养护工作并易于桥梁的后期维修工作。同时研究成果可为国内同行在跨线桥梁的长寿命设计方面提供安全、可靠、经济、适用性强的技术依据。在跨线桥梁长寿命设计理论的研究过程中，在一定的研究工作的基础上，主要研究成果归纳如下：

(1)跨线桥梁设计对策包含了：结构整体性、连续性和冗余性原则；可检性、可修性和可替换性原则；重视施工因素、优化施工工艺与工序设计对策。

(2)针对跨线桥梁，跨径在8～20m主梁宜采用混凝土T梁，梁高取值1.2～1.4m(跨径的8%～9%)。

(3)跨径在30m以上主梁宜采用钢混组合梁，高跨比一般选用1/17～1/22，梁高受限的特殊情况选用1/22～1/25；腹板厚度16～25mm；高跨比1/17～1/22；底板厚度20～35mm；翼板厚度15～20mm；桥面板厚度200～350mm。

(4)构造上宜采用耐久性较好的防撞护栏、支座、伸缩装置等，对不易维修更换的构造局部进行加强，提高设计标准；同时设置检修平台及检修车等构造措施，从设计之初将便于养护维修的理念融入其中。

(5)耐久性材料宜选用高性能混凝土和耐候钢，提高材料的使用寿命。

(6)施工工艺可采用预制安装、悬臂施工、转体、顶推等，对桥下交通减少影响。