熱軋型鋼-混凝土組合梁在危橋改造工程中的應(yīng)用

朱 靜

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)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(cè)各設(shè)1.0m寬人行道和0.25m欄桿。0、5號(hào)臺(tái)側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為預(yù)制鋼筋混凝土無翼緣空心板，每孔7片板，施工時(shí)橫向分3塊進(jìn)行澆筑，縱向有明顯施工接縫。下部結(jié)構(gòu)為石砌重力式墩臺(tái)，基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載：汽車-20級(jí)、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(xiàn)了嚴(yán)重的病害，斜向、不規(guī)則網(wǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn)有重車過橋，且橋面已經(jīng)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(yán)重，本橋半幅已封閉交通，經(jīng)過專家評(píng)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(jīng)過鋼板組合梁、矮T梁、型鋼組合梁[1]三個(gè)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(yōu)點(diǎn)：

(1)由于超載嚴(yán)重，橋梁耐久性是本橋考慮的重點(diǎn)。考慮到本橋?yàn)榈胤降缆罚d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(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)有更高的安全儲(chǔ)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(fèi)用，減少后期施工及架設(shè)的難度。型鋼能避免焊接殘余應(yīng)力等不利影響，具有更穩(wěn)定的力學(xué)性能。

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

3 技術(shù)參數(shù)

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級(jí)。

(2)橋面寬度：凈寬12m，總寬度13m。

(3)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

(4)環(huán)境類別：Ⅱ類。

3.2 上部結(jié)構(gòu)尺寸

經(jīng)過計(jì)算分析，本橋采用H型鋼組合梁方案。橫向設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)與計(jì)算

主橋結(jié)構(gòu)采用空間梁格模型，主橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算包括施工階段和運(yùn)營階段分析，施工階段荷載包括結(jié)構(gòu)恒荷載，混凝土收縮徐變，運(yùn)營階段荷載有汽車荷載。荷載組合根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的規(guī)定：組合梁的持久狀況按承載能力極限狀態(tài)的要求，進(jìn)行承載力及穩(wěn)定性驗(yàn)算，作用組合采用作用基本組合；同時(shí)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)要求，進(jìn)行組合梁的抗裂和撓度的驗(yàn)算，作用組合采用頻遇、準(zhǔn)永久組合。有限元計(jì)算模型見圖4。

4.1 使用階段承載能力檢算

(1)基本組合內(nèi)力驗(yàn)算如圖5～圖6所示。

圖4 有限元計(jì)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(qiáng)度驗(yàn)算如圖7～圖9所示。

圖7 基本組合鋼梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖8 基本組合鋼梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖9 基本組合混凝土橋面板上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

依據(jù)《公路鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)第7.2.1條規(guī)定對(duì)上部進(jìn)行強(qiáng)度檢算，其中組合應(yīng)力已經(jīng)包含重要性系數(shù)1.1。從基本組合應(yīng)力圖中可以看出，鋼梁頂板最大應(yīng)力為102MPa，下緣最大應(yīng)力為187MPa，均小于Q345D級(jí)鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270MPa。混凝土壓應(yīng)力為7.9MPa， C40混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.4MPa，混凝土強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.2 正常使用階段混凝土應(yīng)力檢算

圖10 正常使用極限狀態(tài)混凝土橋面板上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

依據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.5條規(guī)定，對(duì)上部橋面板正應(yīng)力檢算，其中組合均為標(biāo)準(zhǔn)值。從應(yīng)力圖中可以看出，混凝土最大壓應(yīng)力為11.9MPa， C40混凝土受壓區(qū)最大壓應(yīng)力容許值為0.5 fck=13.4MPa，橋面板混凝土最大壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4.3 結(jié)構(gòu)位移及撓度驗(yàn)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(jīng)計(jì)算得知，結(jié)構(gòu)撓跨比為1/844，小于容許繞跨比1/500，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，根據(jù)計(jì)算設(shè)置預(yù)拱度為16mm。

5 運(yùn)營現(xiàn)狀

本橋于2018年建成并通車運(yùn)營，根據(jù)現(xiàn)場橋梁狀況，驗(yàn)證了熱軋型鋼-混凝土組合梁在危橋改造工程中的成功應(yīng)用。通過實(shí)橋荷載試驗(yàn)，可知橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力性能和承載能力滿足技術(shù)規(guī)范要求，實(shí)體工程可靠，在設(shè)計(jì)使用荷載下工作性能良好。

圖13 橋梁運(yùn)營現(xiàn)狀圖

6 結(jié)論

通過前期深入地實(shí)地調(diào)研，對(duì)舊橋技術(shù)狀況有了全面地了解，并且針對(duì)橋梁改造后運(yùn)營要求，以受力合理、經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)保耐久為原則，對(duì)危橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。驗(yàn)證了熱軋型鋼-混凝土組合梁改造設(shè)計(jì)方案的合理性。

通過該項(xiàng)目施工及新橋運(yùn)營，驗(yàn)證了熱軋型鋼-混凝土組合梁施工的高效性以及結(jié)構(gòu)整體受力性能合理性，對(duì)于有效促進(jìn)橋梁建設(shè)施工標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)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(jìn)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化建造，緩解鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能的供給側(cè)矛盾提供了新市場。另外，與鋼結(jié)構(gòu)相比，采用熱軋型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可節(jié)省工程造價(jià)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(jié)構(gòu)，為危橋改造工程提供有利的參考價(jià)值。