正交異性橋面板鋼箱梁在既有線改造中的應用

王明明

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

1 工程概況

某企業專用鐵路為電氣化鐵路，其橋梁工點位于廠區范圍內，為4個股道分設的13 m跨度簡支鋼板梁橋，由于年久失修且存在一定損傷，需進行既有線換梁改造。線路位于直線上，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ股道平坡，Ⅳ股道9‰坡度，均為50 kg/m鋼軌。4個股道的既有橋結構形式相同，均為上承式鉚釘鋼板梁，明橋面、木枕。每孔梁分別編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，線間距分別為5.0 m、5.13 m、11.15 m。具體平面布置，如圖1所示。

橋下既有公路道路為中央大道，與鐵路垂直交叉，凈寬11 m，與鐵路交叉處限高3.5 m，為廠區內主干道。既有道路瀝青路面，四周地面較高，為下挖道路。

圖1 既有橋平面示意圖(m)

2 正交異性橋面板鋼箱梁的特點

隨著橋梁設計及建造技術的發展，正交異性橋面板鋼箱梁在公鐵大跨度橋梁中的應用逐步增多。它是在相互垂直的縱橫向隔板和加勁肋上設置鋼橋面板，并與鋼箱梁本身共同承受各種荷載的橋梁結構形式，但在以往的橋梁結構設計中，正交異性橋面板在小跨度橋梁中的應用并不多見。本文研究了一種正交異性橋面板和小跨度簡支鋼箱梁相結合，在橋面板上鋪設木枕的橋梁結構形式[1]。其構造示意如圖2所示，其結構特點如下：

圖2 正交異性橋面板簡支鋼箱梁構造示意圖(mm)

(1)與預應力混凝土梁相比，結構高度低，自重輕

以12 m跨度為例，預應力混凝土T梁的標準梁高為1.3 m，本設計中正交異性橋面板簡支鋼箱梁為1.03 m，結構高度可降低約27 cm。而鋼箱梁在自重上與預應力混凝土梁相比則具有絕對的優勢[2]。

(2)與既有明橋面鋼板梁相比，結構橫向剛度大，穩定性好[3-4]

隨著既有提速及改造的開展，既有下承式明橋面鋼板梁橋出現的橫向振幅過大問題已經非常嚴重。與既有的明橋面鋼板梁相比，正交異性橋面板鋼箱梁采用閉口截面形式，其橫向剛度及扭轉剛度方面明顯要優于傳統的明橋面鋼板梁，提高了橋梁的結構穩定性和安全性。

(3)既有橋換梁施工進度快，施工干擾影響小

本處橋梁工點為保證橋下凈空需要采用正交異性橋面板鋼箱梁替代既有的鋼板梁結構。既有線施工作業，現場施工速度和施工干擾影響程度成為設計方案能否成立的關鍵所在[5]。預應力鋼筋混凝土槽型梁方案由于自重大需改造和加固橋臺，同時需要現場搭設支架等原因，對橋下公路和既有鐵路運營干擾大而舍棄。鋼箱梁設計采用廠內預制、現場拼裝后吊裝架設的施工方法，施工對公鐵運營干擾小，換梁時間短，可以在既有線運營天窗時間內完成換梁施工。

3 正交異性橋面板鋼箱梁結構構造

為減少后期養護維修，本橋主體結構采用Q420qENH耐候性能鋼材，箱梁主體結構高度為1.03 m，滿足橋下公路凈空要求。

3.1 主梁

鋼梁全長13.5 m，支點距13 m。箱梁腹板處梁高1.03 m，腹板高1.0 m，橫隔板之間設腹板豎向加勁肋；箱梁底寬2.86 m，下翼緣板設置縱向通長加勁肋。主梁分為主體箱梁和兩側懸臂結構3個部分，主梁梁寬3.2 m，兩側懸臂結構各0.85 m，鋼箱梁全寬4.9 m。

3.2 橫隔板

為保證箱梁的整體穩定性，全橋設置7道橫隔板，分別為2道支點橫隔板，5處中間橫隔板，中間橫隔板設進人洞，橫隔板間距2.0～2.5 m不等，橫隔板厚度按14 mm設計，橫隔板設縱橫向加勁肋。

3.3 橋面板

橋面板采用16 mm厚鋼板，兩側懸臂板橋面板采用8 mm厚鋼板，橋面板上防水層和保護層；中間橋面板下設4道U形閉口縱肋，加勁肋高250 mm，用8 mm厚的鋼板冷彎成形。

3.4 箱梁牛腿

由于既有橋梁每1孔的梁高均相同，從鋼箱梁設計、加工制造、現場施工方便性等方面綜合考慮，將鋼箱梁設計為統一的梁高，通過設置梁底牛腿以適應既有橋梁高度。

4 結構分析與計算

4.1 整體計算

整體計算采用 MIDAS/Civil 2010建立全橋板單元有限元模型，如圖3所示。橋面板、U肋及加勁肋等構件均按實際輸入模型進行計算。

圖3 正交異性橋面板鋼箱梁整體板單元有限元模型

計算采用二期恒載16.1 kN/m，活載采用中-活載。其主要計算結果為：

(1)剛度指標

①梁體的豎向靜活載撓度10.6 mm，撓跨比1/1 226。

②梁體的橫向位移0.38 mm，撓跨比1/34 210。

③梁端豎向轉角位2.32×10-3rad。

(2)應力及疲勞計算

①下翼緣板

主梁跨中下翼緣板最大應力σ=100.2 MPa<[σ]=240 MPa。

下翼緣板疲勞應力幅(σmax-σmin)=73.4 MPa<[σ]=110.3 MPa。

②橋面板

主梁跨中下翼緣板最大應力σ=65.7 MPa<[σ]=240 MPa；

下翼緣板疲勞應力幅(σmax-σmin)=49.5 MPa<[σ]=110.3 MPa。

各項指標均滿足設計要求。

4.2 鋼橋面板

正交異性鋼橋面板在橋梁結構中既是縱橫梁的上翼緣蓋板結構，又兼顧把橋面荷載傳遞到梁部主體，參與主梁的整體受力。正交異性鋼橋面板的受力分析一般按照三個基本體系疊加求得[6-7]。

(1)由頂板和縱肋組成的橋面板作為是主梁的一部分，與主梁共同承受荷載，為第一基本體系，也稱為主梁體系。

(2)由縱肋、橫肋和頂板組成的結構系起到了橋面系結構的作用，主要承受橋面荷載，為第二基本體系，也稱為橋面體系。

(3)設置在縱橫肋上的頂板看成是各向同性的連續板直接承受局部荷載作用，為第三基本體系，也稱為蓋板體系。

由于本橋橋面布置的特殊性[8]：即在正交異性橋面板上直接設置木枕，并通過設計的固定裝置限制木枕的活動。由于橋面具有一定的橫坡，木枕與橋面之間需設置橡膠墊片過渡連接，通過橡膠墊片將列車活載傳遞到橋面板上，如圖4所示。

圖4 木枕與鋼橋面板連接示意圖

列車輪載通過鋼軌將荷載傳遞到枕木上，由于鋼軌為具有一定剛度和連續性的構件，車輪的荷載在枕木的分配具有一定的不確定性。本文研究了不同輪載分布對于橋面板受力的影響，主要按照三種活載加載模式進行計算。

活載模式(1)：列車集中荷載范圍內枕木均勻分擔；

活載模式(2)：列車集中荷載由兩個枕木共同分擔；

活載模式(3)：列車集中荷載僅有一個枕木分擔。

上述三種受力模式對橋面板進行受力分析，并與橋面板第一體系應力進行比較，其分析對比結果,如表1所示。

從表1可以看出，加載模式(1)的鋼橋面板應力和整體計算的鋼橋面板應力比較接近，且比整體計算數值略大。加載模式(2)和(3)工況鋼橋面板應力比整體計算中鋼橋面板應力分別大了47.0%和92.2%，說明本橋鋼橋面板第二、三應力體系占有較大比重。因此，承受局部荷載的正交異性鋼橋面板的第二、三應力體系在設計過程中是不可忽視的。鋼橋面板應力滿足設計要求。

5 施工方法

5.1 鋼梁節段預制及拼裝

本橋鋼梁縱向不分節段，橫向分為主體箱梁和兩側懸臂3部分，通過焊接及栓接相結合方式連接。

5.1.1 焊接要求

(1)為保證焊縫的抗疲勞性能，等厚或不等厚板的對接焊縫應順應力方向打磨勻順，受拉構件垂直于應力方向的角焊縫以及受拉角焊縫，均應順應力方向打磨勻順。

(2)施焊方法

①自動焊：主梁腹板與上、下翼板之間的角焊縫；橫梁、縱梁腹板與下翼板之間的角焊縫，橫梁，縱梁腹板與橋面板之間的角焊縫。

②半自動焊：主梁腹板上豎向加勁肋和水平加勁肋的角焊縫,縱肋與橋面板的焊縫。

③手工焊：不能用自動焊和半自動焊的焊縫。

5.1.2 鋼梁預拼裝

鋼梁分段在工廠加工完成后，在工廠內完成預拼裝。滿足精度要求后，再分節段運至工地后進行拼裝，各部分的工地連接方式如下：

(1) 兩側懸臂結構上下緣采用焊接連接，腹板采用高強螺栓連接。

通過現場設計的固定裝置，分別將主體箱梁和兩側懸臂板固定、對齊，先對上下緣進行焊接，然后對腹板處的連接采用高強螺栓進行擰緊固定。

(2) 箱梁整體拼裝完成后，通過預留在鋼箱梁下翼緣的螺栓孔，將牛腿和箱梁采用高強螺栓連接。

5.2 鋼梁架設施工順序及施工工藝

鋼梁現場施工順序及施工工藝為：

(1)鋼梁在工廠加工焊接、預留件焊接、初始涂裝，運至工地完成現場拼裝，二次涂裝。

(2)將既有鋼梁拆除，然后將既有墊石清除，將清除面鑿毛后清洗干凈，通過砂漿找平后，直接將支座放置在既有橋臺頂帽上，并固定支座；同時鋼梁整孔預吊裝，并做好吊裝準備。

(3)采用汽車吊利用預留在鋼梁橋面上的吊耳對鋼梁整孔吊裝就位。

(4)橋面板防水層和保護層施工。鋼橋柔性保護層施工工藝流程如下：

鋼橋面板除銹→鋼橋面板頂面噴灑環氧富鋅漆防腐層→噴灑環氧瀝青粘結下層→3 cm 環氧瀝青混合料保護層→噴灑環氧瀝青粘結上層→3 cm 環氧瀝青混合料保護層。

(5)木枕與橋面連接。本橋枕木和軌道的連接采用Z形鋼構造進行連接，Z形限位鋼板預先焊接在鋼橋面板上，與鋼蓋板用螺栓連接，限位鋼板與木枕側面采用橡膠片塞實，同時應保證鋼蓋板與枕木之間擠壓密實。為限制木枕在橋面上移動，木枕在鋼蓋板處刻槽，以保證木枕在橋面上的穩定性。

(6)軌道恢復,軌道復測及調整。

(7)安裝人行道欄桿和電纜槽、排水管等附屬設施。

(8)完成涂裝修補。

6 結束語

本文研究了采用正交異性橋面板鋼箱梁替代既有鋼板梁結構的應用，將小跨度正交異性鋼橋面板簡支梁用于既有鐵路橋梁的換梁改造中，解決了實際工程中的諸多問題。同時研究了小跨度正交異性鋼橋面板的受力性能，認為承受局部荷載的正交異性鋼橋面板應力中的第二、三應力體系占有較大比重，在設計過程中是不可忽視。