工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造中的應用

姜紅

（甘肅博睿交通重型裝備制造有限公司，蘭州730000）

1 引言

隨著環保要求及國家去產能政策的推動，使鋼結構在中小跨度公路橋梁和市政橋梁中的應用越來越多，并且迎來了新的發展契機，從而改變了我國鋼結構橋梁在橋梁工程總數量中占比極低的現狀，為橋梁工程的可持續發展奠定了基礎。鋼-混凝土組合梁是結合鋼結構和混凝土結構的優勢而形成的一種新型復合式結構。該組合梁能夠充分發揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，使這2種不同性能的材料得到合理利用。此外，鋼-混凝土組合梁同鋼筋混凝土梁相比，具有結構自重輕、抗震性能好、截面尺寸小、施工周期短、延性好等優點。同鋼梁相比，具有用鋼量少、剛度大、穩定性和整體性好等優點。

早在20世紀50年代，日本及歐美國家就對鋼-混組合梁開展了相關研究，并陸續制定了設計指南及規范。工字鋼-混凝土組合梁結構以其構造簡單、經濟耐用等優勢得到了歐美國家橋梁設計者的青睞。以法國為例，在近幾年，工字鋼-混凝土橋梁在所建造的組合梁橋中占比高達90%之多。近幾十年里，工字鋼-混凝土組合結構在我國迅速發展，已在橋梁領域得到了廣泛應用，大大降低了工程造價，得到了社會各界的一致認可。

2 工程概況

臨園大橋位于S309線K81+206處，于1959年建成。1965年對墩臺進行了局部加固，并將上部結構全部更換為鋼板-鋼筋混凝土組合梁，主梁由4片鉚接鋼板梁組成，梁高1.23 m。橋梁全長123m，橋寬組合為2×0.5 m（欄）+11m（行車道）=12m。下部結構為U形橋臺、現澆重力式橋墩。之后分別在2005年、2013年進行過2次加固[1]。

經過多年運營和近些年運輸壓力的加大，橋梁原設計荷載已不能滿足實際需要。此外，橋面鋪裝破損嚴重，存在坑槽較多、混凝土面板底部裂縫較多且滲水泛堿、鋼板主梁鉚釘存在較多缺失等病害。

本橋在2019年的定期檢查技術狀況評定為4類，參考相關規定，對于總體技術狀況評定結果為4類的橋梁進行改造。改造完成后，要使橋梁結構構件的性能滿足實際需求，并保證耐久性，使橋梁服務水平滿足要求。

3 方案比選

因該橋原上部結構為鋼-混組合梁，主要病害均集中在上部結構，下部結構良好，且已采用鋼筋混凝土套裙加固，故提出更換上部結構，對橋臺及墩帽進行加寬改造的思路。根據這一思路，提出4種改造方案，4種方案的設計荷載等級均為公路-Ⅰ級。現分別從技術優缺點、施工階段、運營階段、造價這幾個方面對這4種方案進行對比選優（見表1）。

通過表1中的對比可以看出，方案二施工難度較小，技術成熟，且造價也較低。綜合考慮選擇方案二。

方案二主要實施內容包括：

1）拆除原橋橋面及上部結構，對橋臺及墩帽加寬利用；

2）更換上部結構為工字鋼-混凝土組合梁，橋梁寬度為12m；

表1 危橋改造方案比選分析

3）對橋頭兩側路面進行恢復。

4 鋼梁制作

鋼-混凝土組合梁所用鋼材技術標準見表2。

預應力技術在橋梁公路作業中的應用，已有較長時間，但我國在這方面起步晚，技術發展仍有較大的進步空間，在實際操作施工過程中也沒有明確規范步驟，因此，施工要求標準較低，施工不嚴格，在通常情況下，很多施工單位采取的方法都是采用1.5級的油壓表作為施工計量工具，但是在實際施工過程中，由于施工技術人員的素質水平較低，沒有控制好張拉幅度，使最終得出的數值與實際需要的數值相差甚遠，而且由于張拉力在不同階段出現較大差異，因此導致混凝土環境整體下降，結構強度較低。所以，在張拉力控制方面，需要不斷明確操作規范，提高攻克技術難題的能力，不斷提升設備的質量。

表2 鋼-混凝土組合梁所用鋼材標準

本項目組合梁節段結構復雜，尺寸較大，焊縫長，產生的焊接變形和殘余應力較大。為控制結構變形，保證施工質量，加快制造進度，現確定以下鋼梁制作原則：鋼-混凝土組合結構橋梁鋼梁承擔單位應根據設計文件的技術要求、JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》[2]、Q CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》[3]、GB 50755—2012《鋼結構工程施工規范》[4]、GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》[5]及其他相關國家規定，編制詳細的鋼梁制造工藝方案。

1）施工單位應根據焊接形式編制焊接工藝評定報告，確定焊接參數，采取有效措施控制焊接變形、降低焊接殘余應力。焊接工藝評定試驗也必須通過專家評審后方可執行。

2）鋼梁可整片運輸或根據運輸能力分段運輸，分段位置應設在變截面位置。分段拼接位置嚴禁設置在跨中6～10m范圍內，分段應滿足JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[6]第7.2.3 條的要求，鋼梁拼接處的焊接均應采用全熔透對接焊。在工廠分段制造檢驗合格后，分節段運抵現場存放地。

3）構件尺寸應考慮制造時溫度修正和焊接收縮余量、加工余量等。

4）所有桿件精切外露邊緣必須確保精切棱邊勻順。整體節點處板圓弧部位在精切后必須打磨勻順。

5 橋上施工準備

施工準備工作包括：技術、勞動組織、物資及現場準備，即施工項目不僅在開工前要做好以上準備，還要預先考慮施工過程中可能發生的事故并提前做好預備方案。具體到本項目，應做好以下幾點：

1）根據焊接總量和進度要求，在每個焊接作業面配置200 kV·A容量的焊接電源；

2）施工吊裝前、調試好配電、焊接及通風排塵設備、防風棚架、除銹、氣刨及火焰切割工具、焊接材料烘干箱、防水防潮設備、高強度螺栓施擰等施工必備工器具，并設立專職維護管理人員；

4）提前做好施工所用焊接材料的采購及復驗工作。

6 施工步驟

1）鋼梁在工廠分節段加工，檢驗合格后，運抵現場鋼梁存放場。

2）在橋位拼裝場地焊接各段鋼梁，形成整跨單片鋼梁。

3）拆除原橋橋面連續構造，對橋墩、橋臺進行拓寬改造，拓寬后斷面如圖1所示。逐片吊裝鋼梁并在墩（臺）上準確定位，安裝施工順序。設置臨時支撐設施防止鋼梁傾覆，相鄰2片鋼梁吊裝就位后應盡快設置橫向聯系增強穩定性。

4）拼裝連接主梁間橫聯及端橫梁，拼裝橫向加勁肋及縱向角鋼。鋪設懸臂及主梁間的壓型鋼板，綁扎橋面板鋼筋，焊接懸臂壓型鋼板堵頭板。灌注端橫梁內的細石子混凝土，需加壓灌注保證混凝土灌注密實。

圖1 橋墩（臺）拓寬后斷面

5）澆筑橋面板混凝土，主梁間壓型鋼板上方澆筑混凝土分2次澆筑形成，第二次需待第一次混凝土強度和彈性模量達到28 d的80%以上后再澆筑，如圖2所示。

圖2 橋面板分次澆筑示意圖

6）多孔橋按橋面板連續構造施工，橋面連續構造澆筑UHPC超高性能混凝土。

7）二次混凝土強度和彈性模量達到28 d相應值的85%以上時，安裝防護欄。

8）完成二次防水層、橋面鋪裝及其他附屬工程。

7 鋼梁焊接

鋼梁構件在制梁廠生產后運至橋位，之后焊接成整跨單片鋼梁。在焊接前，技術工作人員應根據焊接工藝評定報告仔細核對坡口尺寸、清除破口內雜質、污染及定位焊外焊渣、飛濺及污物。焊接后，認真除去焊道上的飛濺、焊瘤、咬邊、表面氣孔、未熔合、裂紋等缺陷。焊接結束的焊縫應在焊接結束24 h后按照無損探傷檢驗要求進行打磨，并修整邊緣呈圓滑過渡，不得存在硬邊。

8 橋位涂裝

鋼梁橋一經投入運營，由于常年暴露在外，會受到河水、空氣、土壤等環境中腐蝕性物質的侵蝕，鋼梁各部位很容易出現不同程度的銹蝕。為減小鋼梁受腐蝕的概率，工程中常用涂層保護法對橋梁進行保護。本項目采用2種涂裝工藝：（1）傳統有氣噴涂設備噴涂；（2）輥涂、刷涂等工藝涂裝。

此外，涂裝的整體質量是橋梁能否正常服役的關鍵，關乎人們生命與財產安全。所以，檢驗人員必須嚴格把關，做好涂裝前的表面處理工作；在整個涂裝過程中，必須嚴格把控涂裝質量，施工單位及監理單位應派專人進行檢驗并記錄，以此確保涂裝質量達到設計要求。對環保涂裝體系的推廣應用，需要進一步加強研究、提高綜合性能，設計者應勇于接受新技術新工藝。

9 結語

本文結合甘肅省S309省道上某危橋改造實際案例，分別從方案比選、鋼梁制作、施工步驟等方面詳細闡述了工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造中應用的全過程。工字鋼-混凝土組合梁具有造價低、施工周期短、施工技術成熟可控、對環境污染較小等顯著優勢。另外，在橋面連續構造處使用UHPC超高性能混凝土，能夠在一定程度上避免改造前橋面易破損病害的發生。因此，工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造以及中小跨徑橋梁設計中具有良好的應用前景。