基于長壽命理念的跨線橋結構研究

朱 靜

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

對于跨線橋梁，設計中較少考慮由于橋下交通運行的特殊性、重要性及橋梁運營通車后無法或很難中斷交通而進行后期養護維護的現實情況，進而造成對此類橋梁運營期間進行后期養護維護時十分困難，使得維護人員及維護設備無法進行正常工作，對橋梁無法進行定期的維修和養護，加速了橋梁病害發展，影響橋梁的安全運營，甚至導致橋梁損壞拆除，大大縮短了橋梁的壽命周期，同時拆除此類橋梁對橋下公路或鐵路等的正常運行造成巨大的影響，對經濟效益、社會效益等造成巨大的損失[1-2]。

因此，本論文就跨線橋梁運營期面臨養護維護十分困難等問題日益突出的現狀，針對基于長壽命理念的跨線橋結構進行研究，意在通過對結構選型及構造措施、高耐久性材料應用技術，以及施工工藝的研究，盡可能多地延長跨線橋梁的少維護使用壽命，減少此類橋梁維護的次數，最大限度地降低對橋下運營中的鐵路、公路等交通影響，并能夠達到合理優化和節約橋梁建設資金、延長橋梁的使用壽命、降低橋梁正常的維修養護成本的目的。

“長壽命理念”是指綜合考慮結構優化設計理論及全壽命周期成本等因素，提高跨線橋梁的耐久性，減緩其病害的發展，減少并易于橋梁的后期養護維修工作，延長其壽命。

1 基于長壽命理念的跨線橋梁結構形式比選

1.1 T梁混凝土結構形式

T梁結構采用優化的結構形式，在T梁橫隔板設計中，加大了下緣鋼筋的直徑。優化T梁預應力鋼束設置，取消了平彎。取消了腹板下緣馬蹄的設置，方便了設計和施工。

從撓度分析，梁高最小不小于1.2m，翼板端部厚度應介于13～15cm，翼板根部厚度應介于18～20cm。梁高在1.2～1.4m階段，混凝土的壓應力受翼板厚度的影響越來越不明顯；翼板端部厚度在13～17cm，翼板根部厚度在18～22cm時，混凝土的壓應力受翼板厚度的影響越來越不明顯。

腹板寬度不變時，翼板端部的厚度應在13～17cm(梁高的10%～13%)之間為宜，翼板根部的厚度應在18～22cm(梁高的13.8%～16.9%)之間為宜；梁高應在1.2～1.4m(跨徑的8%～9%)之間為宜。

綜合比較考慮了混凝土拌和、梁體預制、底模板、現澆、運輸、安裝等建筑安裝費用以及后期養護維修費用、對橋下交通社會影響全壽命周期費用。通過比較可以得出在8～20m跨徑范圍內，建設初期預制T梁費用比空心板梁僅高10%左右，但考慮橋梁全壽命周期的成本遠遠低于空心板梁。

圖1 混凝土T梁橋加中載時模型(1/2跨)

圖2 混凝土T梁橋加偏載時模型(1/2跨)

1.2 鋼混組合結構形式

在實際工程中，鋼主梁上下緣的最大應力值、橋面板上下緣的最大應力值、鋼主梁和橋面板的剪應力值以及主梁撓度是需要特別關注的。以混凝土橋面板的厚度、鋼主梁上翼緣板的厚度、鋼梁底板厚度、鋼梁腹板厚度、腹板高度、混凝土強度以及鋼材標號做為以上應力值的影響因素，探討影響因素的改變對組合梁各個應力指標以及極限承載力的影響，并結合混凝土方量和鋼材的用鋼量，對組合梁截面進行優化，如圖3所示。得出結論如下：

圖3 鋼混組合梁參數優化結果

(1)主梁抗彎極限承載力：隨著混凝土橋面板厚度增加而增大且增幅明顯，設計時可適當增加混凝土橋面板厚度；受鋼梁翼板厚度影響較小；隨鋼梁底板厚度增大而增大且增幅較為明顯；隨腹板厚度增大而增大，增幅不十分明顯；隨主梁高度增加而增大，增幅較為明顯；隨混凝土強度增大而增大，隨鋼材強度增大而增大，但增幅均不十分明顯。為獲得較高的承載力，應優先考慮優化截面尺寸，加大混凝土橋面板及鋼梁底板厚度，其次再考慮提高材料強度。

(2)對主梁構件的構造提出如下優化建議：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；橋面板厚度200～350mm；混凝土宜采用高強混凝土。

2 跨線橋梁構造措施研究

跨線橋構造上宜采用耐久性較好的防撞護欄、支座、伸縮裝置等，對不易維修更換的構造局部進行加強，提高設計標準。

針對普通支座已發生老化、脫空、養護不便等問題，通過研究，提出適用于寒冷地區新型高耐久性支座的性能要求，可實現跨線橋梁支座安全可靠、經久耐用、性能穩定、減震耗能等優勢。

2.1 耐久性支座

2.1.1材料方面

(1)采用新型材料，替代原有板式橡膠支座的加勁鋼板。保證豎向、橫向剛度的同時，減小加勁鋼板對橡膠支座橫向剪切能力的束縛，提高支座位移能力。

(2)采用高阻尼橡膠材料，使支座具有高阻尼橡膠支座良好的阻尼滯回耗能能力。

(3)采用耐低溫橡膠能廣泛應用于低溫地區,材料耐低溫達到-60℃以下,所在-30℃地區使用橡膠才能性能不變,具有使用價值。

2.1.2性能方面

(1)提高支座的剪切變形能力，此外，較小的面外剛度使支座可以發生翹曲滾動，以實現更大的水平位移。

(2)支座高阻尼橡膠的特質，使得支座具有了良好的減震耗能能力。

(3)支座橡膠中摻入的有機鈷鹽，可有效增強橡膠和加勁材料鋼絲網間的粘結，從而保障支座穩定的受力性能。

(4)支座加勁材料鋼絲網周邊采用焊接處理，使加勁層對橡膠在豎向力下的橫向膨脹有更大的約束力，提高支座的豎向承載能力。

2.2 檢修平臺及檢修車設置

由于跨線橋梁的特殊性，結構應預留檢查或維修空間，便于構件維修與更換，如圖4所示。

圖4 檢測車及檢測平臺設置

(1)為便于鋼箱梁的養護與檢查，設置梁底檢查車。

(2)在鋼箱梁兩側的檢測車端部位置均設置液壓升降平臺，以便從檢測車直接到達橋面，檢測車設置踏步等設施方便車輛啟動前檢修人員可由橋面進入檢測車。

3 高耐久性材料應用技術研究

3.1 高性能混凝土應用技術

采用高強高性能混凝土可以減小截面尺寸，減輕自重，獲得較大的經濟效益。高性能修補混凝土指摻加一種或多種優質礦物摻料和高性能減水劑、較低水膠比和較少水泥用量，具有良好的粘結與力學特性、工作性、密實性、耐久性的水泥混凝土[3-4]。

處于多種劣化因素綜合作用下的混凝土結構宜采用高性能混凝土。根據混凝土結構所處的環境條件，高性能混凝土應滿足下列一種或幾種技術要求：

(1)水膠比不大于0.38。

(2)56d齡期的6h總導電量小于1000C。

(3)300次凍融循環后相對動彈性模量大于80%。

(4)膠凝材料抗硫酸鹽腐蝕試驗的試件15周膨脹率小于0.4%，混凝土最大水膠比不大于0.45。

(5)混凝土中可溶性堿總含量小于3.0kg/m3。

高性能混凝土相關性能指標建議：

(1)高效減水劑可以增加坍落度，但坍落度經時損失隨之加大，選用減水劑時應測定混凝土坍落度與坍落度損失時間。

(2)影響坍落度因素：砂率增加1%坍落度增加20mm，增加粉煤灰摻量可以減小坍落度。增大水灰比可有效地減小坍落度損失。礦粉+粉煤灰可以有效降低坍落度經時損失率，泵送混凝土建議按照擴展度450～550mm、坍落度180～220mm。倒坍落度筒流下時間以5～25s的指標對混凝土流動性、黏度進行控制。

3.2 耐候鋼應用技術

向普通碳鋼中添加少量的銅、鉻、鎮、銀等合金元素煉制而成的鋼稱為耐候鋼，此鋼在保證其力學性能的同時，抗腐燭性能為普通碳鋼的2～8倍，而且隨著時間的增加，其耐腐蝕性能的增加更為明顯。在大氣環境中經過幾年的服役后，耐候鋼的表面形成一層穩定、致密的銹層，它可以阻止基體的進一步銹蝕。因此，耐候鋼以良好的耐蝕性能，優良的力學性能和較好的焊接性能廣泛用于集裝箱、鐵道車輛及橋梁[5]。耐候鋼橋梁設計要點：

(1)伸縮件：采用非排水型。

(2)橋面板：設置高性能的防水層。

(3)排水系統：把排水管口伸到鋼梁下翼緣以下，并且確保排水管不漏水。

(4)鋼梁端部：鋼梁腹板設置切口，確保通風或對端部進行防銹處理。

(5)鋼梁下翼緣的截水：設置截水板，防止鋼梁端部的排水向跨中流入。

(6)鋼梁下翼緣的排水：設置排水坡度。

(7)護欄：確保護欄接頭處止水。

4 結論

針對跨線橋梁養護維護困難等問題，對混凝土橋梁、鋼橋以及鋼混組合橋梁，從結構合理性、耐久性、施工便捷性，以及全壽命周期經濟性等角度出發，優選適用于遼寧省地區基于長壽命理念的跨線橋梁結構形式，并針對此結構形式橋梁就結構設計、施工及易于后期養護的角度出發，對其進行優化設計研究，有針對性地提出跨線橋梁設計對策，保證橋梁有較好的耐久性，減少橋梁的后期養護工作并易于橋梁的后期維修工作。同時研究成果可為國內同行在跨線橋梁的長壽命設計方面提供安全、可靠、經濟、適用性強的技術依據。在跨線橋梁長壽命設計理論的研究過程中，在一定的研究工作的基礎上，主要研究成果歸納如下：

(1)跨線橋梁設計對策包含了：結構整體性、連續性和冗余性原則；可檢性、可修性和可替換性原則；重視施工因素、優化施工工藝與工序設計對策。

(2)針對跨線橋梁，跨徑在8～20m主梁宜采用混凝土T梁，梁高取值1.2～1.4m(跨徑的8%～9%)。

(3)跨徑在30m以上主梁宜采用鋼混組合梁，高跨比一般選用1/17～1/22，梁高受限的特殊情況選用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；橋面板厚度200～350mm。

(4)構造上宜采用耐久性較好的防撞護欄、支座、伸縮裝置等，對不易維修更換的構造局部進行加強，提高設計標準；同時設置檢修平臺及檢修車等構造措施，從設計之初將便于養護維修的理念融入其中。

(5)耐久性材料宜選用高性能混凝土和耐候鋼，提高材料的使用壽命。

(6)施工工藝可采用預制安裝、懸臂施工、轉體、頂推等，對橋下交通減少影響。