天津海門橋混凝土橋面板維修設計

鄧錦平，袁有為，王艷寧

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 前言

天津塘沽海門大橋始建于1982年，1985年正式竣工通車，是天津塘沽地區溝通海河南北兩岸的重要交通樞紐。同時它也是我國早期開啟橋中跨度最大、提升高度最高的直升式公路橋。海門大橋由主橋(提升跨、甲乙型跨)、引橋、引道等3部分組成，總長903.74 m，主橋立面布置詳見圖1所示。

圖1 海門大橋主橋立面布置

主橋為48 m+48 m+64 m+48 m+48 m的5跨簡支下承式栓焊桁架，鋼桁架桁高8 m，桁架中心距15.2 m。中間跨為提升跨，跨徑64 m，提升高度24 m，橋面板為12 mm厚鋼板，采用環氧瀝青鋪裝層。提升跨左右相鄰跨為甲型跨，跨徑為48 m，相應的鋼桁架梁上建有45 m高的提升鋼塔架。甲型跨兩端為乙型跨，跨徑為48 m，甲乙型跨橋面板均為12 cm厚預制混凝土板。

1 原設計標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計車速：40 ～50 km/h。

（3）設計荷載：汽車－20級，掛車—100，人群荷載，整體分析時采用 2.5 kN/m2，局部分析時采用3.5 kN/m2。

（4）設計基準期：100 a。

（5）結構安全等級：一級。

（6）橋面縱坡：開啟跨支點為平坡，甲型梁和乙型梁支點連線分別在1.28%和 2.2%的坡度上，兩岸引橋橋面縱坡均為2.2%。正橋橋面按前述縱坡組成半徑為4 600 m豎曲線以利行車與外觀。

（7）橋面橫坡：正橋橋面雙向 1%橫坡，人行道單向1%。

（8）橋面布置（主橋）：機動車道寬度為14 m，兩側各設2 m寬人行道，在兩者之間設 1 m隔離帶(由緣石和鋼梁主桁組成)，橋面凈寬20 m。

2 舊橋面板主要病害

車行道混凝土橋面板全寬14.4 m，厚12 cm，縱向支承在間距為1.9 m間隔的鋼縱梁上，在鋼縱梁上設置高度不等的素混凝土墊塊實現橋面橫坡，墊塊通過每2 m一組的螺栓和鋼縱梁連成整體，橋面板橫斷面如圖2所示。橋面鋪裝采用2 cm瀝青磨耗層+5 cmC30細石混凝土。

圖2 舊橋面板橫斷布置(單位：cm)

經過近30年的使用，南、北甲型跨和乙型跨的混凝土橋面板開裂現象普遍，桁架主結構未出現較大病害。雖然經過歷次加固和大修，根據最新檢測報告，嚴重開裂的橋面板占整個南、北甲型跨和乙型跨橋面板的6%。橋面板下混凝土墊塊大部分壓碎或缺失，部分缺失處用木條替代。為使海門大橋的承載能力恢復到原設計荷載水平，檢測單位建議將甲乙型跨橋面板拆除重建。

導致橋面板主要病害有兩個原因：橋面板偏薄，同時超載加劇了橋面板的破壞；素混凝土墊塊缺失或壓碎，橋面板和鋼梁之間缺乏有效連接，導致橋面板受力模式發生變化，原有結構配筋不能滿足受力要求。

3 橋面板設計

橋面板厚度選擇主要參考日本相關規范的規定，日本《道路橋示方書》規定，鋼橋鋼筋混凝土橋面板的最小厚度必須滿足表1的要求，并且車行道部分的橋面板厚度不得小于160 mm。對于鋼筋混凝土橋面板，鋼筋最大使用應力小于普通鋼筋混凝土結構鋼筋應力的80%；對于結合梁等維修困難的橋梁，鋼筋最大使用應力一般控制在普通鋼筋混凝土結構容許應力的67%。

表1 車行道部分混凝土橋面板最小厚度（單位：mm）

鋼縱梁間距1.9 m，按表1公式計算，橋面板厚度需要167 mm。海門橋為開啟橋，兩側甲型跨上有提升跨的塔架結構，甲型跨的跨中撓度值的增加對塔架垂度有影響，可能導致提升跨無法提升，因此橋面板不能增厚太多。

最終采用16 cm厚的C40防水混凝土，混凝土板上設置1 cm的應力吸收層，磨耗層為5 cm AC-16C的中粒式瀝青混凝土，橋面板加鋪裝層總厚度為22 cm，較原設計增厚3 cm，一跨總重增加65 t。橋面板厚度增加后，提升塔架向邊跨側傾斜位移為53 mm，較原設計位移48 mm增加了5 mm，施工完成后對提升跨的提升并無影響。橋面板下緣配筋為φ 20@10 cm，上緣配筋為φ 16@10 cm，按140 kN的后軸軸載并考慮0.3的沖擊系數計算，下緣鋼筋應力為145 MPa，上緣鋼筋應力為120 MPa。

橋面板加厚后，原鋼桁架結構桿件最大拉壓應力以及節點板驗算也滿足規范要求。

4 剪力連接件設計

4.1 剪力連接件選擇

除了長期的超載運行外，導致原設計的橋面板破損嚴重還有一個重要的原因：橋面板下混凝土墊塊壓碎或缺失導致橋面板受力模式發生變化。因此，為了使混凝土橋面板與鋼梁共同工作，在兩者之間必須設置剪力連接件。目前，國內常用的剪力連接件有剪力釘和開孔板連接件。

剪力釘連接件受力沒有方向性，不像開孔板連接件需要考慮受力方向進行設置，剪力釘和鋼梁的連接需要專用焊接機，操作技術不需要很高，焊接質量容易保證。對于疲勞而言，由于鋼梁翼緣彎曲應力和組合作用引起的截面剪應力的綜合作用,加之剪力釘的焊接會帶來焊接缺陷和焊接殘余應力,因此疲勞裂紋總是始于剪力釘連接的焊縫處，因此保證焊接質量對剪力釘疲勞強度以及構件疲勞強度相當重要。

開孔板連接件是依靠鋼板圓孔中的混凝土承擔鋼與混凝土之間作用力的新型連接件。其破壞形式是圓孔中混凝土的破壞，因此不存在疲勞破壞的問題。這種連接件的抗剪性能突出，如果在圓孔中貫通鋼筋，可進一步增加連接件的抗剪剛度、強度和延性。開孔板和鋼梁之間通過角焊縫連接，施工簡便，但用鋼量較大。

該橋為維修項目，所有焊接工作均在現場完成，結合焊接質量和抗疲勞性能，連接件采用開孔板連接件。鋼縱梁翼緣上設置兩塊高120 mm、厚12 mm的開孔鋼板，開孔鋼板中心距為12 cm，鋼板上設置間距150 mm直徑為60 mm的圓孔，孔內貫通直徑16 mm的HRB335鋼筋。

4.2 結構分析

取甲型跨建立計算模型（未考慮提升塔架），桁架梁桿件為實際截面，混凝土橋面板采用梁格模型。在現有的數值模擬方法中，采用彈簧元對開孔板連接件的模擬是較為方便和準確的，但是這種模擬方式需要通過大量的實測數據來擬核開孔板連接件的抗剪剛度計算式。為簡化計算，剪力連接件采用剛性連接模擬，沿縱梁方向每延米一個。全橋共有1 433個單元，966個節點，模型如圖3所示。

圖3 結構整體模型

開孔板連接件的受力機理主要有三個方面：一是依靠孔中混凝土和鋼筋的抗剪作用承擔沿鋼板的縱向剪力；二是依靠孔中混凝土和鋼筋的抗剪作用承擔鋼與混凝土間的分離力；三是依靠鋼板受壓承擔面外的橫向剪力。

對于開孔板極限承載力計算式的研究，現在已有多種形式：一種是以Leonhardt為代表的將鋼筋抗剪作用考慮在孔中混凝土的抗剪作用中；一種是考慮孔中混凝土和貫通鋼筋的分別作用；還有一種不僅考慮孔中混凝土和貫通鋼筋的抗剪作用，還將開孔板底部的混凝土承壓作用加以考慮，這種計算式在橋梁結構中的應用較少，橋梁結構中所采用的開孔板連接件主要為多孔抗剪的形式，底部混凝土的承壓作用相對很小，可忽略不計。

Hosaka等人對貫通鋼筋的抗剪作用進行了研究，將開孔板的抗剪極限承載力分為有貫通鋼筋和無貫通鋼筋兩種。在有貫通鋼筋的計算式中，認為開孔板的極限承載力由孔中混凝土和貫通鋼筋分別作用，通過試驗數據的回歸分析，提出了計算式：

Nishium等人通過試驗觀察到開孔板連接件在最大荷載作用時，貫通鋼筋都已屈服，依據試驗數據建立了計算式：

鋼混結合梁中對剪力件內力影響的因素主要有：恒載（包括二期恒載），溫度、混凝土收縮徐變、活載等。考慮最不利組合，開孔板連接件每延米最大拉拔力為364.8 kN，每延米最大橫向剪力為1 334.9 kN，每延米最大縱向剪力為758.8 kN。根據上述Hosaka公式和Nishium公式計算，開孔板抗剪板極限承載力滿足使用要求。

5 結論

開孔板連接件具有抗剪強度大、不易疲勞等優點，在需要現場焊接的維修項目中，更具有施工簡便的優點。通過通車近一年的檢驗，維修后的海門橋行車舒適性及安全性均得到了大幅度提升。

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