鋼混疊合梁在搶險加固工程中的應用

周偉光

（廣州市市政工程設計研究總院 廣東廣州 510030）

引言

對于20世紀末期許多中小城市橋梁，采用舊規范設計，橋面構造設計基于同期荷載水平，隨著交通日趨繁忙以及橋梁結構服役年限的增加，許多橋梁出現了不同程度的病害問題，需要對這些病害橋梁進行維修加固處理。城市病害橋梁往往地處交通要塞，對該類橋梁進行維修加固時，工期往往是確定加固方案時考慮的最重要因素。鋼混疊合梁因鋼結構在工廠預制、現場拼裝方便，可作為混凝土橋面板澆筑的模板，結構施工方便、效率高，能充分發揮材料特性，質量有保障，工期快，能快速恢復交通，是城市橋梁搶險加固過程中常用的方案。本文以廣州市某市政橋梁搶險加固工程為例，分析鋼混疊合梁方案在該類搶險加固工程中的應用優勢。

1 工程概況

廣州某市政橋梁地處廣佛兩地連接通道，交通十分繁忙。該橋引橋為多跨空心板梁，跨徑均為20m。橋面橫向布置為0.25m（欄桿）+2.25m（人行道）+15.25m（3車行道+1機非混行）+1.5m（中央隔離帶）+15.25m（3車行道+1機非混行）+2.25m（人行道）+0.25m（欄桿）=37m，分為南北兩幅，北幅斷面如圖1所示。

原設計荷載為：汽車超-20，掛車-120，人群荷載3.5kN/m2。運營至今已有22年，在交通荷載及自然條件作用下，存在主梁承載力不足、混凝土耐久性病害、橋梁下部結構病害等。2016年該橋橋梁技術狀況被評定為D級，建議盡快進行中修或加固處理。2017年檢測發現東引橋某跨北幅橋橋面出現明顯下撓，最大撓度達5cm之多，橋面開裂嚴重，橋梁結構安全情況十分危機，需對該跨橋梁進行搶險工程設計。

圖1 既有北幅空心板斷面圖

2 搶險設計分析

通過現場觀察，問題跨北幅橋上部結構空心板病害嚴重，部分空心板下撓5cm以上，且結構性裂縫較多，空心板承載力嚴重降低。主要原因如下：①據現場觀察及竣工圖分析，該橋上部結構空心板橫向未設置現澆層，空心板橫向聯系較弱，且該橋重載車較多，車輛行駛軌跡單一，鉸縫失效后形成單梁受力。②該橋空心板采用雙支座，且支座采用球冠圓板式橡膠支座及四氟滑板橡膠支座，支座脫空較多、支座變形較大，空心板支座一旦失效，空心板受力模式改變，支座局部承壓增加，在反復荷載作用下，梁板將產生較大位移的振動，首先會影響到橋梁使用性能，其次，梁板反復變形會加速鉸縫破壞，進一步消弱橫向梁體之間聯系，對梁板受力不利。

由于該橋地處廣佛重要連接通道，交通量大，搶險設計主要考慮以下原則：盡量縮短工期，盡快恢復交通，減少對周邊交通運行的影響；保證結構病害得到妥善處理；充分考慮方案的可行性和經濟性，同時充分考慮結構的承載力潛能；兼顧結構加固后的耐久性。因原空心板結構性裂縫較多，橫向聯系已幾乎失效，再對其加固質量難以保證，需要對該幅橋梁進行整體更換。

考慮到既有橋的空心板結構臨時預制較為困難，且混凝土養護需較長時間，因此不宜重新更換新的空心板。如改為預制小箱梁，上部結構總高度將不能滿足結構受力要求。為加快工期，盡快恢復交通，搶險方案采用新建工字鋼混疊合梁上部結構替換既有空心板結構，并將高低墊石改造，雙支座改為單支座傳力。

為縮短工期，在拆橋的同時預制工字鋼梁，預制工字梁主要施工步驟如下：①考慮預拱度及豎曲線影響，在工廠分段焊接制造板單元，按照梁的編號，經在胎架上預拼合格后焊成整片梁。②在工字梁焊接抗剪栓釘，做防腐涂裝。③吊裝前應對墩頂頂面高程、支座墊石及各孔跨徑進行復測，誤差在容許范圍方可吊裝。④把工字梁逐片按規定的順序吊裝到位，運輸過程中要注意保持工字梁的穩定，應采取可靠措施防止鋼構件變形。⑤施工梁與梁之間的橫向連接。⑥支立混凝土橋面板澆筑模板，綁扎現澆層鋼筋，現澆混凝土層形成整體。⑦施工人行道、橋面鋪裝等，最后成橋。

圖2 更換橋跨施工順序示意圖

3 鋼混疊合梁設計分析

新建該跨預制鋼混疊合工字梁為簡支結構，梁頂設1.5%單向橫坡，梁底水平。為利用原有支座墊石，橫向采用與原空心板橫線間距一致，18.5m橋寬標準斷面橫向由13片工字梁組成，梁與梁之間的中心距1.5m，橋梁標準斷面如圖3所示。標準梁長19.94m，計算跨徑19.44m。

圖3 橋梁標準橫斷面

組合工字梁的鋼結構部分采用全焊工字梁。鋼梁由工字梁、橫隔及加勁肋組成，工字梁上翼緣板頂面設置剪力鍵與混凝土橋面板連為整體。工字梁梁高為70mm（從底鋼板底至混凝土板底），底板板寬500mm，板厚28mm，頂板板寬400mm，板厚20mm，頂板上沿橋跨徑方向焊接間距不等的抗剪栓釘。腹板板厚14mm，板高652mm。每片工字梁沿縱向在腹板上成對設置11道豎向加勁肋（包括兩端的豎向加勁肋，邊工字梁只在腹板內側設置豎向加勁肋），加勁肋板厚12mm，兩端豎向加勁肋加厚至22mm。梁與梁之間設置7道橫向連接系。橫向連接系由豎向加勁板、水平連接板、斜向連接板（連接板均為50mmx6mm角鋼）組成。

預制組合工字梁頂面的混凝土板厚15cm，在上翼緣鋼板寬度范圍內頂面混凝土板加厚到20cm，兩側采用1：1.5的斜率過渡到15cm厚。在橋跨兩側距離兩端2m范圍內混凝土板由15cm加厚到20cm。組合工字梁及加勁肋采用Q345C，橫向連接角鋼采用Q235C。橋面板采用C40混凝土。抗剪栓釘的作用是傳遞橋面板與鋼梁之間的剪力，是混凝土板、鋼梁聯合受力的關鍵。抗剪栓釘采用Q235鋼圓柱頭焊釘，材料性能等級為4.6級。支座采用板式橡膠支座。

3.1 有限元計算

為準確模擬橋梁施工過程與運營期間的受力特性，以三維梁單元為分析單元，建立全橋空間三維桿系結構幾何模型，有限元分析軟件采用Midas Civil，全橋共1384個節點、1894個單元。結構整體分析模型見圖4。模型在端部進行簡支約束。

圖4 Midas Civil整體分析模型

計算荷載主要考慮自重，橋面鋪裝及人行道填砂，車道荷載按城A荷載4車道布置（偏載+中載），并考慮1.3倍超載系數、沖擊系數（基頻1.0179Hz，沖擊系數取1.05）和橫向折減，人群荷載取3.5kN/m2，溫度效應按規范選取。

3.2 結算結果

基本組合下工字鋼的最大組合應力為148.9MPa，最大剪應力為46.1MPa，剪刀撐的最大組合應力為190.4MPa，最大剪應力為4.4MPa。混凝土橋面板最大組合應力為-15.0MPa，表現為受壓。支座局部壓應力為53.1MPa<200MPa。最大跨中截面疲勞正應力為26.7MPa，小于容許值79.1MPa，最大跨中截面疲勞剪應力為21.3MPa，小于容許值60.4MPa。型鋼的最大撓度為24.7mm，小于L/500。整體穩定因上部混凝土橋面板的存在可不計算，局部穩定：腹板橫向加勁肋最大間距amax=1900mm<1.5hw，且滿足不設置縱向加勁肋的相關要求。結構在各種工況組合下強度，剛度及穩定性均滿足要求，結構受力合理。

4 結論

鋼混疊合梁（工字鋼+混凝土橋面板）構造簡單，結構加工方便，采用工廠預制、現場拼裝方式，可作為混凝土橋面板澆筑的模板，施工簡單，質量可靠，能大大節省工期。本文中搶險工程采用鋼混疊合梁方案，工期約一個月即完成了既有空心板的替換，恢復了交通。文中方案可為類似搶險加固工程設計提供一定參考。

[1]《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）[S].北京：人民交通出版社.中國建筑工業出版社.

[2]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[S].北京：人民交通出版社.

[3]《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）[S].北京：人民交通出版社.

[4]《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22-2008）[S].北京：人民交通出版社.