(1.南京市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站, 江蘇 南京 210000; 2.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南工務(wù)段, 山東 濟(jì)南 250031;3.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 江蘇 南京 210032)

0 引言

鋼桁梁橋在國內(nèi)已經(jīng)具有100余a的建設(shè)和使用歷史，具有剛度大和跨越能力強(qiáng)的特點。隨著橋梁運(yùn)營期的延長，橋梁附屬設(shè)施維修一直是繞不開的話題。鋼桁梁行車道板是比較典型、影響鋼桁梁受力、對橋面交通影響巨大的可更換構(gòu)件。近年來，國內(nèi)多座鋼桁梁橋均進(jìn)行了行車道板改造或更換，隨著時間的推移，鋼桁梁行車道板改造項目也會越來越多。

本文對2種常用的鋼桁梁行車道板結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選，分析其適應(yīng)性和相對優(yōu)劣，為類似工程項目的設(shè)計和施工提供參考。

1 橋梁概況

某鋼桁梁橋于1958年開工建設(shè)、1966年建成通車。大橋采用鉚合雙懸臂鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑組合為(68+80+88+80+68)m，橋梁總體布置如圖1所示。

大橋采用平行弦三角形體系，節(jié)間長度4 m。

圖1 某鋼桁梁橋總體布置圖(單位： m)

在支點處設(shè)置加勁弦，高度為9 m。大橋第2和第4孔為雙懸臂簡支錨梁，總長120 m，兩端懸臂長度為20 m，錨梁和吊梁之間采用鉸軸連接。主桁桁高6.2 m，橫橋向設(shè)置4片主桁，桁間距為4.3 m,主桁各桿件為由板件與角鋼鉚接而成的“H”型截面。鋼桁梁縱梁及橫梁頂面位于同一平面上，通過上平聯(lián)連接為整體，縱梁橫橋向間距2.15 m。正橋橫斷面見圖2。

橋梁行車道板為300#防水混凝土，標(biāo)準(zhǔn)板厚為12 cm。行車道板與鋼縱梁通過直徑22 mm的鋼螺桿連接，螺桿縱向間距為800 mm?？v橋向每間隔24 m設(shè)置1道伸縮裝置，全橋合計設(shè)置伸縮裝置17道。正橋橋面鋪裝為:35 mm厚瀝青混凝土+20 mm厚瀝青瑪蹄脂。

圖2 正橋橫斷面(單位： cm)

大橋采用鋼結(jié)構(gòu)支座，高度為800 mm，其中活動支座為輥軸支座。

大橋改造后為城B級荷載標(biāo)準(zhǔn)，行車速度為50 km/h。

2 可行的行車道板改造方案

行車道板改造總體上不能改變鋼桁梁的受力體系，保證主梁的受力安全。目前常用行車道板改造方案包括：預(yù)應(yīng)力混凝土板、鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板、正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板、鋼混疊合板等。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)和受力特點、運(yùn)營狀態(tài)、管理單位要求等方面，對鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板和正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板進(jìn)行重點比選。

2.1 鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板

鋼底模現(xiàn)澆混凝土行車道板是在行車道板的底部設(shè)置一定厚度的鋼板，通過現(xiàn)澆混凝土方式成型的行車道板。該結(jié)構(gòu)將抗拉強(qiáng)度較高的鋼材設(shè)置于底部，抗壓性能較好的混凝土設(shè)置于上部，能夠充分發(fā)揮材料的力學(xué)特性。在施工過程中，鋼板作為模板，通過適當(dāng)?shù)拇胧┻€可以實現(xiàn)少支架和無支架施工[1]。

在運(yùn)營過程中鋼板參與結(jié)構(gòu)的受力，并且鋼板設(shè)置于最底面能夠提高行車道板的有效高度及剛度?，F(xiàn)澆的混凝土行車道板整體性強(qiáng)，行車道板結(jié)構(gòu)本身具有良好的力學(xué)特性，通過預(yù)留鋼板銹蝕余量和完整的涂裝防護(hù)體系能夠保證其耐久性。

采用鋼底模現(xiàn)澆混凝土行車道板時，橋梁伸縮裝置設(shè)置與改造前相同，即每6個節(jié)間設(shè)置1道伸縮裝置。行車道板的縱向支撐長度為24 m，橫橋向支撐間距為2.15 m，為典型的單向受力連續(xù)板結(jié)構(gòu)，受力較明確。鋼底模行車道板與縱梁的連接設(shè)計是重點和關(guān)鍵點。經(jīng)過既有鋼梁材質(zhì)可焊性論證和各細(xì)節(jié)設(shè)計比選后，推薦選用鋼縱梁焊接剪力釘、鋼底模與鋼縱梁焊接的連接構(gòu)造，如圖3所示。

圖3 混凝土行車道板與縱梁的連接構(gòu)造大樣

2.2 正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板是較常規(guī)、成熟的可選方案，但是本項目中有若干因素制約鋼結(jié)構(gòu)行車道板的設(shè)計:既有的行車道板標(biāo)準(zhǔn)厚度僅120 mm，行車道板頂面距離縱橫梁頂面的距離在道路中心和路緣側(cè)分別為310、190 mm,即最外側(cè)行車道板與支座的總高度限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，鋼結(jié)構(gòu)行車道板采用了倒T形開口肋，縱、橫梁/肋的下翼緣板在同一水平面連接為整體[3]。經(jīng)試算，采用常規(guī)板厚的情況下最低高度要達(dá)到270 mm才能滿足城B級荷載要求。為了保證方案可行，必須在橋梁范圍內(nèi)進(jìn)行線形調(diào)整：縱橋向在橋梁中部344 m范圍內(nèi)，行車道板高度維持不變；在端部20 m范圍內(nèi)，行車道板頂面形成0.5%的縱坡；在行車道板高度方面，在路緣側(cè)則由中部的270 mm調(diào)整至170 mm；在高度逐漸降低的20 m范圍內(nèi)，橫隔板厚度在每個節(jié)間按照2 mm級差由10 mm增加至20 mm。

行車道板頂板厚度為20 mm?？v肋橫橋向布置標(biāo)準(zhǔn)間距為430 mm，腹板厚度10 mm，翼緣板厚度20 mm，翼緣板寬度為60 mm[4]。橫隔板間距4 m，翼緣板厚度為20 mm，寬度為200 mm。

為了適應(yīng)既有鋼桁梁縱、橫梁頂?shù)铰饭谥g的高差，在保證行車道板結(jié)構(gòu)受力和鋪裝厚度的前提下，盡量壓縮支座的高度。對于板型結(jié)構(gòu)的支撐，應(yīng)具有支撐，限位、抗拉拔等功能，但是支座高度的降低限制了這些功能的集合。因此，項目中將各個功能分開設(shè)置以實現(xiàn)降低支座高度，即分別設(shè)置活動支座、縱向限位裝置以及抗拉拔裝置。采用此方法經(jīng)專門設(shè)計的球形支座高度能控制為40 mm[5]。

鋼橋面鋪裝是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一個難題，近年來應(yīng)用比較成熟的是組合型橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。經(jīng)綜合比選后，采用澆筑式瀝青混凝土與SMA組合鋪裝結(jié)構(gòu)，但鋪裝施工的高溫對行車道板及支座結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響不容忽視。該問題可通過分車道攤鋪澆筑式瀝青混凝土和適當(dāng)加大球形支座橫橋向間隙的方法解決。

3 行車道板改造方案比選

3.1 恒載

恒載變化是橋梁結(jié)構(gòu)改造必須重點考慮的因素，通常在不改變既有結(jié)構(gòu)受力的前提下,降低恒載以實現(xiàn)提載或提高安全儲備的目的。

改造方案中將對縱、橫梁以上部分的結(jié)構(gòu)全部進(jìn)行更換。基于對比的同等性和針對性，對照的范圍僅包括行車道板和橋面鋪裝部分。既有行車道板與改造方案恒載比選對照如表1所示。

表1 2種方案恒載對比kN·(延m)-1項目鋼底?；炷涟逭划愋凿摻Y(jié)構(gòu)行車道板行車道板58.637.3鋪裝16.823.5合計75.460.8

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板相對于鋼底?，F(xiàn)澆混凝土方案，每延m降低約14.6 kN。

3.2 施工方案及工藝

施工方案和難度是改造設(shè)計的重要內(nèi)容之一，影響方案的優(yōu)劣和改造效果。

3.2.1鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板

工廠內(nèi)按照2.15 m×4 m的尺寸進(jìn)行分塊，每塊的鋼底板、剪力釘和縱、橫鋼筋焊接為整體，高度可以達(dá)到95 mm。該結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢员ＷC在運(yùn)輸及吊裝過程中不變形。

吊裝就位后，鋼底模與鋼桁梁縱、橫梁焊接，鋼底模各分塊之間焊接，行車道板內(nèi)鋼筋網(wǎng)焊接連接為整體。經(jīng)理論計算，在跨中施加20 kN臨時施工集中荷載的情況下，鋼底模最大變形僅為0.12 mm，底板拉應(yīng)力僅為0.65 MPa，頂層支撐點鋼筋拉應(yīng)力約24 MPa。因此在連接可靠的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)小型機(jī)械設(shè)備及施工人員無支架現(xiàn)澆混凝土。

混凝土可采用泵送混凝土澆筑成型，小型平板振動器拖拉振搗。

3.2.2正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板采用工廠內(nèi)分塊制作、逐塊運(yùn)輸?shù)跹b的施工方案。主要的施工工序包括支座(支撐系統(tǒng))的安裝、行車道板吊裝、行車道板精確就位及連接等。綜合考慮工期及經(jīng)濟(jì)性等方面，選定單方向逐塊架設(shè)方案或兩端相向架設(shè)方案。

行車道板的安裝需要選擇合理的機(jī)械設(shè)備，可以使用汽車吊或?qū)Ｓ眉馨鍣C(jī)。行車道板最大結(jié)構(gòu)尺寸為8 m×3.87 m，最大吊裝重量為7.8 t；若采用現(xiàn)場兩塊拼成一塊后進(jìn)行吊裝，則最大重量為15.6 t。相應(yīng)吊裝和運(yùn)輸難度均較小。

由于行車道板高度較小，板塊之間的連接采用焊接。

3.3 行車舒適性

行車舒適性重點在伸縮裝置的數(shù)量比較方面。伸縮裝置位置不可避免地會引起跳車、沖擊等，對橋梁的耐久性和行車舒適性影響較大。

混凝土行車道板和主桁之間材料性能差異較大，行車道板連續(xù)段過長容易導(dǎo)致主桁及平聯(lián)面外內(nèi)力增大，混凝土行車道板因主桁的變形而開裂。我國類似的鋼桁梁結(jié)構(gòu)多采用24 m或32 m間距設(shè)置伸縮裝置的形式來解決上述問題。鋼底模現(xiàn)澆混凝土行車道板方案不能減少橋梁伸縮裝置的數(shù)量。

正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板具有較大的優(yōu)勢。由于與主桁具有相同的材料特性，同時鋼結(jié)構(gòu)變形及抗拉強(qiáng)度均較高，改造后可僅在梁端、固定及活動鉸位置設(shè)置伸縮裝置，即全橋僅設(shè)置5道。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是橋梁維修改造方案的重要比選參數(shù)，主要指經(jīng)濟(jì)投入與加固效果之間的對比，是橋梁管理者以及專業(yè)技術(shù)人員必須首先考慮和斟酌的因素，是評價維修改造設(shè)計的重要原則和評價指標(biāo)。

由表2可知，正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板投入相對較高，約是鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板造價的2.2倍。

表2 改造方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比萬元項目鋼底?；炷涟逭划愋园逍熊嚨腊逯瓢布皾仓?83.12 216.25鋼結(jié)構(gòu)防腐49.859.1支座—230.6橋面鋪裝108.2273.1伸縮裝置412.1173.5合計1 353.22 952.55注: 僅包括行車道板直接相關(guān)部分。

3.5 施工工期

橋面封閉交通的時間往往是橋梁管理單位最關(guān)心的事情，決定著維修改造的方向。

3.5.1鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板

重點工序主要包括吊裝、焊接連接、現(xiàn)澆混凝土及養(yǎng)護(hù)等。其中吊裝就位耗用時間較少，可在進(jìn)行其他工序時完成;焊接連接的工作量較大，鋼板之間、鋼板與縱、橫梁之間焊接及質(zhì)量檢驗難度較大，1個板塊的焊接工作量預(yù)計1 d完成;兩條伸縮裝置之間鋼底模及鋼筋網(wǎng)形成整體后一同澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)，7 d后可通行小型的設(shè)備以施工后續(xù)節(jié)段。全橋行車道板需要吊裝、焊接96×7塊，澆筑混凝土16×2次，單幅改造合計需要時間約96 d。

3.5.2正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板

鋼結(jié)構(gòu)行車道板安裝的主要工序包括：支座的擺放、行車道板的架設(shè)和調(diào)整、焊接等。其中各個板塊之間吊裝及調(diào)整就位后可臨時連接固定，在吊裝空閑時間進(jìn)行全面的焊接工作。全橋合計192塊，施工準(zhǔn)備及首節(jié)安裝需要10 d，其他按照每天安裝2個節(jié)段考慮，焊接連接不占用工期，則單幅安裝需要時間約58 d[6]。

從節(jié)約工期角度比較，正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板具有絕對優(yōu)勢。

4 結(jié)語

隨著城市的發(fā)展，交通運(yùn)輸壓力越來越大。適當(dāng)?shù)卦黾咏?jīng)濟(jì)投入以減小對市民出行影響的思路得到橋梁和城市管理者的支持和認(rèn)可。經(jīng)充分研究比選，正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板較鋼底?；炷涟咫m然工程造價較高，但能夠較大幅度地縮短工期，通過合理設(shè)計各方面性能均能達(dá)到規(guī)范和橋梁管理者的要求，確定采用。