熱軋型鋼-混凝土組合梁在危橋改造工程中的應用

朱 靜

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

某橋位于遼寧省朝陽市，建成于1986年，橋梁照片見圖1。橋梁全長為67.2m，跨徑布置為13.2m+3×13m+13.2m，交角為90°，全橋平面線形為直線段。橋面凈寬為9.0m，兩側各設1.0m寬人行道和0.25m欄桿。0、5號臺側路面寬11.0m。橋面鋪裝采用瀝青混凝土，無伸縮縫。支座為油毛氈支座。該橋上部結構設計為預制鋼筋混凝土無翼緣空心板，每孔7片板，施工時橫向分3塊進行澆筑，縱向有明顯施工接縫。下部結構為石砌重力式墩臺，基礎均為擴大基礎。設計荷載：汽車-20級、掛車-100。

近年來，因公路交通量不斷增長，重載和超載車輛日益增多，本橋已出現了嚴重的病害，斜向、不規則網狀裂縫、橫向裂縫、豎向裂縫、L型裂縫，孔板剝落、露筋、蜂窩麻面，局部露骨料等病害。檢測時發現有重車過橋，且橋面已經采取交通管制，局部封閉。橋梁立面、橫斷面示意圖見圖2、圖3。由于病害嚴重，本橋半幅已封閉交通，經過專家評審，本橋上部重新改建。

圖1 橋梁改造前原貌

圖2 橋梁立面示意圖(單位：cm)

圖3 橋梁橫斷面示意圖(單位：cm)

2 上部改建方案比選

經過鋼板組合梁、矮T梁、型鋼組合梁[1]三個方案綜合比選，本橋最終選用熱軋型鋼組合梁方案。本方案主要優點：

(1)由于超載嚴重，橋梁耐久性是本橋考慮的重點。考慮到本橋為地方道路，超載車輛無法控制，充分利用H型鋼組合梁鋼材的抗拉能力和混凝土的抗壓能力，相對于混凝土結構有更高的安全儲備，有較好的耐久性。

(2)H型鋼組合梁較鋼板組合梁能減少工廠加工制造費用，減少后期施工及架設的難度。型鋼能避免焊接殘余應力等不利影響，具有更穩定的力學性能。

(3)考慮到小橋加固都是由地方規模較小施工單位完成，本橋優化設計，未采用任何鋼板焊接和栓接設計，降低對設備和工人能力的要求[2-3]。

3 技術參數

3.1 設計標準

(1)設計荷載：公路Ⅰ級。

(2)橋面寬度：凈寬12m，總寬度13m。

(3)設計安全等級：一級。

(4)環境類別：Ⅱ類。

3.2 上部結構尺寸

經過計算分析，本橋采用H型鋼組合梁方案。橫向設置7片H708×304×15×28主梁(梁高708mm，腹板厚15mm)，主梁間距為1900mm。橋面板厚度為220mm。跨間設置一道橫梁,端橫梁厚度為400mm，跨間橫梁采用槽鋼。

4 熱軋型鋼組合梁設計與計算

主橋結構采用空間梁格模型，主橋結構靜力計算包括施工階段和運營階段分析，施工階段荷載包括結構恒荷載，混凝土收縮徐變，運營階段荷載有汽車荷載。荷載組合根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》的規定：組合梁的持久狀況按承載能力極限狀態的要求，進行承載力及穩定性驗算，作用組合采用作用基本組合；同時應按正常使用極限狀態要求，進行組合梁的抗裂和撓度的驗算，作用組合采用頻遇、準永久組合。有限元計算模型見圖4。

4.1 使用階段承載能力檢算

(1)基本組合內力驗算如圖5～圖6所示。

圖4 有限元計算模型圖

圖5 基本組合彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 基本組合剪力圖(單位：kN)

(2)強度驗算如圖7～圖9所示。

圖7 基本組合鋼梁上緣應力包絡圖(單位：MPa)

圖8 基本組合鋼梁下緣應力包絡圖(單位：MPa)

圖9 基本組合混凝土橋面板上緣應力包絡圖(單位：MPa)

依據《公路鋼混組合梁橋設計與施工規范》(JTG/T D64-01—2015)第7.2.1條規定對上部進行強度檢算，其中組合應力已經包含重要性系數1.1。從基本組合應力圖中可以看出，鋼梁頂板最大應力為102MPa，下緣最大應力為187MPa，均小于Q345D級鋼強度設計值270MPa。混凝土壓應力為7.9MPa， C40混凝土強度設計值為18.4MPa，混凝土強度滿足規范要求。

4.2 正常使用階段混凝土應力檢算

圖10 正常使用極限狀態混凝土橋面板上緣應力包絡圖(單位：MPa)

依據《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》第7.1.5條規定，對上部橋面板正應力檢算，其中組合均為標準值。從應力圖中可以看出，混凝土最大壓應力為11.9MPa， C40混凝土受壓區最大壓應力容許值為0.5 fck=13.4MPa，橋面板混凝土最大壓應力滿足規范要求。

4.3 結構位移及撓度驗算

圖11 汽車荷載作用下豎向最小位移(單位：mm)

圖12 汽車荷載作用下豎向最大位移(單位：mm)

經計算得知，結構撓跨比為1/844，小于容許繞跨比1/500，滿足規范要求。同時，根據計算設置預拱度為16mm。

5 運營現狀

本橋于2018年建成并通車運營，根據現場橋梁狀況，驗證了熱軋型鋼-混凝土組合梁在危橋改造工程中的成功應用。通過實橋荷載試驗，可知橋梁結構實際受力性能和承載能力滿足技術規范要求，實體工程可靠，在設計使用荷載下工作性能良好。

圖13 橋梁運營現狀圖

6 結論

通過前期深入地實地調研，對舊橋技術狀況有了全面地了解，并且針對橋梁改造后運營要求，以受力合理、經濟適用、環保耐久為原則，對危橋結構進行改造設計。驗證了熱軋型鋼-混凝土組合梁改造設計方案的合理性。

通過該項目施工及新橋運營，驗證了熱軋型鋼-混凝土組合梁施工的高效性以及結構整體受力性能合理性，對于有效促進橋梁建設施工標準化、規范化、精細化等具有積極意義，為我國危橋改造工程提了新思路，也為推進鋼結構工業化、標準化、智能化建造，緩解鋼鐵行業化解過剩產能的供給側矛盾提供了新市場。另外，與鋼結構相比，采用熱軋型鋼-混凝土組合結構可節省工程造價10%以上。不同于一般的鋼混組合梁而是采用成品熱軋H型鋼作為鋼梁，與混凝土橋面板形成組合截面。將其代替空心板結構，為危橋改造工程提供有利的參考價值。