議橋梁設計原則和橋梁加固的技術途徑

戴 超

（中交第二航務工程局有限公司設計研究院，湖北 武漢）

前言

經過20 世紀50 年代諸多學者的研究應用，鋼混疊合梁在橋梁工程中的實踐形式得到了快速的發展，在橋梁工程實際應用中占據著較為顯著的地位。但是，在橋梁工程設計過程中鋼混疊合梁的設計原則不夠明確，也缺乏明了的鋼混疊合梁加固技術方案，影響了鋼混疊合梁橋應用規模的拓展。因此，分析鋼混疊合梁設計實踐與加固技術途徑具有非常突出的現實意義。

1 橋梁設計結構

一鋼混疊合梁橋的斷面結構見圖1。

圖1 鋼混疊合梁橋的斷面結構

圖1 中,1 為小縱梁；2 為主縱梁；3 為橫梁；4 為主縱梁。由圖1 可知，鋼混疊合梁橋斷面為“工”字形。橋梁上部結構為預應力鋼混疊合梁，下部結構為鉆孔灌注樁，中墩墩柱、上部預應力鋼混疊合梁牢固連接。

2 橋梁設計原則

2.1 科學計算

科學計算的橋梁設計需要遵循的首要原則: 在鋼混疊合梁橋設計前，設計者應根據總體結構，利用整體法、局部法或者兩者結合的方法，分析結構受力，根據結構受力，選擇適宜的結構形式、鋼梁與橋面板材質、布置參數，確保設計方案可行性。

2.2 系統分析

鋼混疊合梁橋設計需要落實系統分析原則，綜合考慮主橋結構受力、主橋跨越區域落墩與否、作業期間高速交通中斷與否等因素，進行設計與分析，確保鋼混疊合梁橋的設計方案可以順利落實到現場[1]。

3 橋梁設計實踐

3.1 結構受力分析

根據結構受力分析要求，借助整體與局部相結合的方法，沿著縱橋向于跨中、四分之一截面位置截取梁段。截取梁段后，在有限元模型MIDAS CIVIL 內計算梁段恒定荷載、活動荷載下最大彎矩工作情況，獲得結構各截面在工藝落實環節的內力變化。全橋有限元模型見圖2。

圖2 鋼混疊合梁橋有限元模型

圖2 中整個鋼混疊合梁橋應用半2 漂浮體系，于主塔位置支座模擬彈性連接，并根據設計文件進行支座各向剛度的模擬，邊跨主梁、主跨橋面板與主跨鋼主梁、鋼橫梁、斜拉索、主塔、承臺、輔助墩的材料見表1。

表1 鋼混疊合梁橋材料特性

在鋼混疊合梁橋有限元模型內輸入材料特性，分別提取恒定荷載作用下、活動荷載作用下整體模型彎矩、剪力與軸力，得出結果見表2、表3。

表2 恒定荷載作用下整體鋼混疊合梁橋模型內力

表3 活動荷載作用下整體鋼混疊合梁模型內力

由表2、表3 可知，整體鋼混疊合梁橋在恒定荷載、活動荷載最大彎矩工作狀況下的內力橫向分布不均勻，橫梁上內力（1/8 截面）、橫梁間（1/4 截面）、橋面板應力存在較大差異，橫梁上內力最大，但在縱梁2位置基本保持相同變化趨勢。表明跨中橋面板在兩側拉索水平力作用下出現拉應力，橋面板（除拉索周邊）截面全部承受壓力，此時，跨中橋面板濕接縫需要預先完成索力作用下彈性變形，即在拉索張拉進入尾聲后澆筑跨中橋面板濕接縫，避免區域出現過大拉應力。在明確整體鋼混疊合梁橋內力分布過程中，結合橋面板呈“工”字形分布的特點，以鋼主梁腹板為支撐，設置橋面板寬度。具體操作時，技術人員可以根據表2、表3 中整體鋼混疊合梁橋內力值，進行跨中、橫梁上（1/8 截面）、橫梁間（1/4截面）應力有效分布寬度、有效分布系數的計算，得出結果見表4。

由表4 可知，鋼混疊合梁橋各截面在恒定荷載、活動荷載最大彎矩情況下的有效寬度為9.655 m～12.952 m，有效寬度系數在0.738～0.969 之間，相同截面應力有效分布寬度、有效寬度系數隨固定荷載、活動荷載工作情況的變化而變化，但整體變化幅度較小。基于此，為保證鋼混疊合梁在多種工作狀況下的承受應力安全，可以參照“工”字形鋼混疊合梁橋面板有效寬度取值范圍，選取最小值進行有效應力分布寬度計算[2]。

表4 鋼混疊合梁橋應力分布

3.2 結構設計

鋼混疊合梁是混凝土橋面板、鋼梁的組合體，橋梁結構設計安全等級需達到一級要求。基于此，第一跨、第二跨的截面總高度取2.35 m，第三跨的截面總高度在1.86 m～2.35 m 之間變化，變化形式為直線。同時，根據“工”字形鋼混疊合梁橋面板有效應力分布寬度，設置開口箱型鋼梁，橫向跨越橋向布置倒梯形分離雙箱，經橫梁連接兩箱。單一開口箱型鋼梁內外側額腹板分別為直腹板、斜腹板，中心距為4.52 m，鋼梁頂翼緣寬度與底板寬度分別為800 mm、2 975 mm～3 399 mm，鋼梁頂翼緣寬度與底板厚度分別為20 mm～30 mm、20 mm～38 mm，底部加勁肋尺寸為高160 mm×厚16 mm，橫隔板、底部加勁肋間距分別為5 m、600 mm。鋼混疊合梁橋中混凝土面板尺寸為厚35 cm×寬1 650 cm×長214 cm。

4 橋梁加固的技術途徑

4.1 設置開孔板連接件

傳統鋼混疊合梁橋連接混凝土板、鋼梁的形式是焊釘連接件，作為一種局部焊接形式，焊釘連接件的剪力傳遞過程具有顯著的離散性，極易引發應力集中、初始疲勞裂縫，無法保證負彎矩區混凝土板承受拉力情況下焊釘承載能力、抗疲勞強度與設計相符[3]。基于此，為有效控制鋼混疊合梁橋面板拉應力，可以利用開孔板連接件，向上移動疊合梁截面中心點，縮短混凝土板承受拉力區域、鋼混疊合梁截面形心距離，增加鋼梁上翼緣厚度，具體見圖3。

圖3 開孔板連接件設置方式

由圖3 可知，沿著鋼梁縱方向設置開孔板連接件，需要利用焊接方法固定開孔板連接件、鋼翼緣，因連續角焊縫的焊腳尺寸較小，焊接可靠性較高，可以為剪力的均勻傳遞提供依據。開孔板連接件的構造見圖4。

圖4 開孔板連接件

由圖4 可知，開孔板連接件的連接形式表現為鋼板圓孔內混凝土承擔結合面作用力，可以借助圓孔內混凝土增加鋼梁、混凝土板連接強度[4]。整個過程中，開孔板連接件抗剪承載力如下：

式中：V 為開孔板連接件抗剪承載力，MPa；d 為開孔板孔徑，mm；r 為開孔板內鋼筋直徑；f 為混凝土棱柱體抗壓強度，MPa；y 為孔中鋼筋屈服強度。開孔板孔徑、孔內鋼筋屈服強度、孔內鋼筋直徑對開孔板連接件抗剪承載力具有直接影響。基于此，可以設置孔內鋼筋約束、孔中鋼筋對混凝土約束條件，確保開孔板連接件抗剪能力。

4.2 體外預應力加固

鋼混疊合梁橋的體外預應力加固方案為無黏結預應力鋼絞線錨固鋼齒板+轉向裝置[5]。錨固鋼尺板由Q335D 傳力鋼板、加勁鋼板組成，傳力鋼板、鋼梁腹板、鋼梁底板之間均為雙面坡口焊接；傳力鋼板、加勁肋鋼板之間則需先經角焊縫打磨光滑后緊固頂部，再借助雙面坡口熔透成一個整體。同時，利用M16 螺栓連接預應力錨頭、支腿鋼板，此時，在預應力驅動下，傳力鋼板、加勁肋鋼板可以將承受應力傳遞到鋼梁底板、鋼梁腹板，降低預應力損失。

在無黏結預應力鋼絞線錨固鋼齒板的基礎上，設計者可以從鋼混疊合梁預應力鋼束張拉過程著手，設置轉向裝置，限制整體位移，為下一階段預應力鋼絞線再次張拉、替換提供依據。轉向裝置主要設置在鋼混疊合梁橫隔板位置，經橫隔板穿孔對中后，焊接轉向裝置一端、鋼管一端，并在鋼管另外一端焊接擋板位置開設孔洞[6]。并進行磨圓處理。進而根據鋼混疊合梁現有變形，進行開孔放樣，整齊對正擋板開孔、錨板錨頭開孔，在前期磨圓位置開設倒角，倒角邊長為3 mm，形成光滑、圓潤無毛刺的開孔。開孔結束后，利用同樣的方法，進行進料口（一端鋼管上緣）、出料口（另一端鋼管上緣）的開設，向孔洞內灌注漿料，漿料可選擇II 類水泥基灌漿料，整體連接轉向裝置、鋼混疊合梁橋橫向隔板，具體見圖5。

圖5 鋼混疊合梁橋轉向裝置構造

圖5 中，1 為防水密封，主要只針對鋼板間空隙，密封膠為聚氨酯泡沫膠；2 為加強肋；3 為預應力鋼絞線；4 為橫隔板開孔；5 為擋板；6 為擋板；7 為鋼管開孔。

在無黏結預應力鋼絞線錨固鋼齒板+轉向裝置支持下，以對稱交錯方式，分批次張拉鋼梁縱向預應力鋼束。整個過程中，需要先依據預應力鋼束拉直要求張拉1 kN，再利用聚氨酯泡沫膠密封鋼束保護套管位置，初步密封后，將水泥基灌漿料灌入鋼束保護套內。進而以水泥基灌漿料強度達到設計標準為依據，進行2 次張拉，2 次張拉需要分級，分別為設計張拉力的10%、設計張拉力的30%、設計張拉力的50%、設計張拉力的75%、設計張拉力的100%[7]。張拉期間，每一斷面張拉3 束預應力鋼束，并于新增鋼齒板上錨固預應力鋼束，促使鋼主梁跨中截面下緣為鋼主梁提供預壓應力，壓縮承載極限狀態下鋼主梁拉應力，且張拉段原鋼梁底板承受最大應力小于Q345D 鋼材設計強度值，規避鋼混疊合梁跨中截面豎向變形。

5 結論

綜上所述，鋼混疊合梁橋具有大剛度、低造價、操作便捷、抗震性能優良的特點，未來應用前景較為突出。為充分發揮鋼材、混凝土材料的整合優勢，設計者可以從鋼混疊合梁整體結構剛度著手，以鋼筋與橋面板配置條件為重點，規劃構件組合形式，改善結構承受應力性能，從源頭規避鋼筋混凝土組合結構二次受力引發的梁橋開裂問題。在合理設計鋼混疊合梁橋結構的基礎上，設計者可以提前探索鋼混疊合梁橋加固的技術途徑，以便提高構件的抗裂性能，節省造價。