某改造橋梁鋼板組合梁設計及施工要點淺析

■韓少波 周曉晨

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210015)

1 項目背景及工程概況

某工程高架橋全長約6.2km，于1998年建成通車，通車初期貨車比例高，超載現象嚴重，導致橋梁結構受損。近年的橋梁檢測結果表明，部分橋跨上部空心板梁產生了斜向剪切裂縫，評定為四類橋梁，且全橋空心板裂縫的數量、長度和寬段并未穩定，仍處于不斷發展之中；下部結構病害較少，經耐久性修復后仍可繼續使用。根據橋梁檢測結果，該段高架橋存在較大的運營安全隱患，因此急需對其進行改造。

高架橋上部結構均采用預制空心板結構，標準跨徑20.6m，結構簡支橋面連續。下部結構采用雙柱式蓋梁，墩高約10m，基礎采用鉆孔樁基礎。老橋標準跨橫斷面如圖1所示。

圖1 老橋橫斷面示意圖(單位：cm)

2 鋼板組合梁設計

2.1 總體設計思路

本項目改造的首要目的是解決橋梁的病害問題，根據橋梁檢測結果，結構性病害均發生在上部空心板梁上，下部結構無結構性病害。其次，由于原高架橋建設期較早，設計荷載等級與后建的相接段落高架橋不統一，該段高架橋成為整個高架環線系統的荷載瓶頸，本次改造考慮一并解決。本項目位于城市中心，項目的實施將對主城區交通和周邊環境帶來較大影響，因此工程的施工期應盡量縮短。

2.2 設計荷載等級選取

本項目老橋設計荷載等級為 《公路橋涵設計通用規范》(JTJ021-89)的汽車-20級，掛車-100級。老橋建成通車之后，陸續修建了與其相接的其他段落高架橋，這些后建的高架橋采用的設計荷載等級均為 《公路橋涵設計通用規范》(TGD60-2004)中的公路-Ⅰ級。為了整個高架橋環線系統的荷載等級統一，本次高架橋改造設計荷載等級應選用與 《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅰ級荷載相當荷載標準，經研究對比，現行規范《城市橋梁設計規范》(CJJ11-2011)中的城-A級荷載與《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅰ級荷載基本一致，故本次改造設計荷載等級選用現行規范《城市橋梁設計規范》(CJJ11-2011)中的城-A級荷載。

2.3 設計要點

(1)上部結構改造方案比選

經計算，原空心板結構受力不能滿足現行城-A荷載的要求，若采用加固原空心板的方案，一來加固效果有限，不能徹底解決橋梁病害問題；二來在原橋恒載不變的條件下，無法提高活載，解決不了荷載統一性的問題。因此加固原空心板的方案不可行，考慮對原橋上部結構的空心板予以更換，更換上部結構的總體改造方案對比見表1。

表1 上部結構總體改造方案對比表

通過以上三種方案的對比可以看出，更換為預制空心板梁結構會增加下部結構的荷載，不可控因素較多，基本不可行；更換為鋼箱梁結構對下部結構影響較小，但用鋼量大，經濟性差。綜合比選，推薦采用更換為鋼板組合梁結構。

鋼板組合梁橋面寬與原結構橋面寬保持一致，改造后鋼板組合梁仍采用多片梁結構，鋼板組合梁單幅主梁片數比選見表2。

表2 鋼板組合梁單幅主梁片數對比表

由上表可知，方案一單樁荷載增加14%，由此帶來的不可控因素較多，基本不可行。方案二、方案三考慮主梁用鋼量指標和施工便捷性等因素，推薦采用方案二，即單幅5片主梁的斷面形式。推薦方案的橋梁橫斷面如圖2所示。

圖2 改造后橋梁橫斷面示意圖(單位：cm )

(2)鋼板梁結構

考慮到改造的高架橋與相連的高架橋及匝道橋的平順銜接，本次改造后新橋面標高與老橋面標高保持一致。受老橋橋面標高和蓋梁頂標高之間的高度限制，支點附近的組合梁高須控制在0.75m左右；根據結構受力計算，跨中組合梁高度達1.3m。因此針對本工程的特殊情況，本次鋼板梁采用了變高度魚腹型設計，支點處梁高0.72m，跨中處梁高1.3m。

主梁跨中設置3道小橫梁，兩端設置有端橫梁。主梁和橫梁連接常用的方式有焊接和栓接。本工程工期緊、任務重，為減少工地焊接，加快現場施工速度，橫梁與主梁間均采用摩擦型高強螺栓連接。其中小橫梁采用M20高強螺栓，端橫梁采用M24高強螺栓。

圖3 鋼板梁效果圖

(3)橋面板結構

本工程橋面板采用C40鋼筋混凝土現澆板，跨中厚度22cm，懸臂處厚度18～22cm。橋面板與鋼梁之間通過剪力釘連接。

考慮本項目主要為標準斷面，橋面板模板周轉利用率高，模板可利用鋼板梁結構搭設，無需在地面搭設滿堂支架，對地面交通影響較小。綜合考慮結構受力、施工難易和經濟性等因素，推薦采用方案一，即采用現澆橋面板形式(見表3)。另外，為了提高橋面板的抗裂能力和變形能力，本次橋面板設計采用了低收縮、高抗裂、高韌性的混雜纖維混凝土材料，即在混凝土中摻加45kg/m3的鋼纖維和0.8kg/m3的聚丙烯腈纖維。

表3 幾種橋面板結構的比較

綜上所述，改造后鋼板組合梁單幅橋面寬度12.75m，主梁采用5片工字型鋼梁，梁肋中心距為2.7m，懸臂長度0.975m。跨中段梁高1.3m，支點處梁高0.72m。混凝土橋面板厚22cm。橫梁采用實腹式工字型截面。結構鋼材采取Q345C，橋面板混凝土采用C40。結構跨中斷面如圖4所示：

(4)結構驗算要點

①計算荷載

恒載自重由模型自行施加；汽車荷載按城-A級；溫度效應采用整體升、降溫25℃；梯度溫度按《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》(GB50917-2013)取值；風荷載采用100年一遇風荷載；混凝土收縮徐變按10年。

②主要計算結果

采用midascivil2015進行計算，采用空間梁單元建模，單梁模型如圖5所示：

圖4 結構跨中斷面圖(單位：cm)

圖5 計算模型示意圖

經計算，基本組合作用下鋼板梁最大正應力210.5MPa，小于規范限制270MPa；基本作用下混凝土板最大應力10.1MPa，小于C40混凝土強度設計值18.4MPa。汽車荷載作用下主梁豎向最大撓度1.8cm，小于規范限制L/500=4cm。

除驗算結構的應力和變形外，還應根據規范相關要求進行結構疲勞、結構穩定性、剪力釘、高強螺栓等項目的驗算。

3 鋼板組合梁施工

3.1 鋼梁施工要點

鋼梁在附近加工廠加工制造成單個構件，平板車運輸至橋位處。現場采用汽車吊機將5片主梁分別組拼成2個和3個主梁的單元(含小橫梁、端橫梁和支座)，按照先中后邊的順序，依次將鋼梁單元吊裝至橋墩蓋梁的臨時支座上(見圖6)；鋼梁標高調整到位后，安裝兩個單元間小橫梁和端橫梁，鋼梁形成整體；采用重力灌漿澆筑支座墊石，鋼梁架設完成。

3.2 橋面板施工要點

橋面板為全現澆結構，為方便模板支架安拆，加快施工速度，橋面板采用吊模支架澆筑。

在鋼梁上翼緣每隔1m開設Φ22的孔，通過M20普通螺栓分別將橋面板懸臂部分的三角支架和鋼梁間橋面板的方鋼管支架固定在鋼梁上。在支架上鋪設縱橋向的20×5cm木方，在木方上鋪設1.5cm厚清水模板。其中M20螺栓的螺母超上、螺桿朝下，并且用PVC材料對螺母進行包裹，橋面板澆筑完成后，螺母留在橋面板中，螺桿拆卸后循環利用。詳見圖7～8。

圖6 鋼梁吊裝現場

圖7 橋面板模板支架斷面圖(單位：mm)

圖8 橋面板模板支架

4 結語

鋼板組合梁結構根據其受力特點能較大限度的發揮出鋼材和混凝土材料的特性，不但滿足了結構的功能要求，而且還有較好的技術經濟效益，同時施工快速便捷，在只需更換上部結構的橋梁改造中具有廣闊的應用前景，本工程鋼板組合梁的設計和施工經驗可供類似工程參考借鑒。