崔海

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050； 2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司)

1 前言

鋼桁梁已經(jīng)具有100多年的使用歷史，到目前依然具有廣闊的使用前景。早期建設(shè)的鋼桁梁多采用混凝土行車道板，行車道板和鋼桁梁之間設(shè)置調(diào)平砂漿墊層和抗拉拔錨栓，通?？估五^栓間距為500～1 000 mm，以抵消行車道板的抗拉拔作用。

運(yùn)營(yíng)多年后，很多鋼桁梁橋的行車道板由于橋面交通量或軸重或耐久性的問題不得不進(jìn)行更換或者改造。改造的形式最常見的有兩種：① 依然采用混凝土行車道板，或預(yù)制或現(xiàn)澆，在鋼桁梁縱橫梁頂部焊接剪力釘連接。該方案與原有結(jié)構(gòu)較相似，但是結(jié)構(gòu)自重大、早期鋼桁梁鋼構(gòu)件的可焊性能需要格外注意；② 隨著中國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的提升和國(guó)家供給側(cè)改造的推薦，正交異性鋼橋面板由于較大的跨越能力和力學(xué)性能而作為鋼桁梁行車道板使用。其高度從400～800 mm不等，可以形成組合結(jié)構(gòu)也可單獨(dú)作為行車道板。鋼結(jié)構(gòu)行車道板與鋼桁梁之間往往通過支座連接。由于鋼結(jié)構(gòu)行車道板承受著日照、交通荷載等多方面作用，其支座應(yīng)同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、滑動(dòng)、抗拉拔等作用。結(jié)合中國(guó)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)江大橋鋼結(jié)構(gòu)行車道板的改造經(jīng)驗(yàn)，正交異性鋼橋面板的支座至少需要180 mm的高度才能滿足所有功能的要求。

行車道板本身要滿足受力和使用性能要求，需要一定的高度。尤其既有鋼桁梁縱橫梁頂面在同一平面的結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)行車道板的高度較小。在滿足功能和規(guī)范要求的前提下，降低支承體系的高度能顯著提高鋼結(jié)構(gòu)行車道板的高度，增強(qiáng)其受力性能、擴(kuò)大使用范圍。該文以重慶某鋼桁梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃榻B其行車道板的改造方案及效果。

2 項(xiàng)目概況

2.1 橋梁概況

重慶某鋼桁梁橋于1964年建成通車，全長(zhǎng)384 m，跨徑組合為(68+80+88+80+68) m，為五跨鉚合鋼桁梁橋，立面布置如圖1所示。

圖1 重慶某鋼桁梁橋立面布置圖(單位：m)

大橋橫橋向設(shè)置4片主桁，間距4.3 m，桁高6.2 m，節(jié)間長(zhǎng)度4 m。鋼桁梁縱梁、橫梁頂面均處于同一水平面上。行車道板采用30號(hào)防水混凝土，標(biāo)準(zhǔn)厚度120 mm，行車道板頂面距離縱橫梁頂面在路緣側(cè)和道路中心處分別為190、310 mm。橋面設(shè)置雙向1.5%橫坡。

改造后大橋汽車荷載為城-B級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2。

2.2 行車道板改造方案

改造前該橋行車道板底部出現(xiàn)了較嚴(yán)重的縱橫向裂縫同時(shí)伴有滲水、析白等病害，從保證安全和結(jié)構(gòu)耐久性方面均需要進(jìn)行更換改造。經(jīng)過對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土行車道板、鋼底?，F(xiàn)澆混凝土行車道板、正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板進(jìn)行比選，最終確定質(zhì)量更輕、跨越能力更強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)行車道板。

為了保證與既有橋面線形相銜接，并保證在城-B級(jí)荷載作用下結(jié)構(gòu)各方面性能滿足規(guī)范要求，行車道板外側(cè)路緣石位置最小高度約為270 mm；相應(yīng)道路中心線位置高度為370 mm。結(jié)構(gòu)采用開口加勁肋，橫橋向標(biāo)準(zhǔn)間距430 mm，橫肋與鋼桁梁橫梁的位置對(duì)應(yīng)，縱橋向間距為4 m。

改造后采用澆筑式瀝青混凝土和改性瀝青SMA組合結(jié)構(gòu)，鋪裝總厚度為70 mm。

3 支承體系總體要求

3.1 運(yùn)營(yíng)狀態(tài)要求

鋼結(jié)構(gòu)行車道板支承體系應(yīng)滿足車輛和其他荷載作用下傳遞荷載和變形的要求。綜合考慮橋梁支座的耐久性、高度、更換的難易程度，最終確定采用球形及弧形支座。支座應(yīng)保證行車道板的受力性能，綜合橋面標(biāo)高的影響，支座的總高度不得超過40 mm。順橋向位移量±50 mm。在運(yùn)營(yíng)階段總體上應(yīng)保證豎向承載力500 kN，橫向承載力50 kN。在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下，支座豎向壓縮變形不應(yīng)大于支座總高度的1%。

3.2 施工狀態(tài)要求

施工要求為施工方便、在構(gòu)造上適應(yīng)既有的鋼桁梁結(jié)構(gòu)、適應(yīng)橋面鋪裝的高溫?cái)備仭?/p>

既有鋼桁梁為鉚接結(jié)構(gòu)，支座的布置位置不應(yīng)與鉚釘位置相互沖突。部分可以解除的鉚釘可以作為固定支座的高強(qiáng)螺栓孔；而受力較大的鉚釘，如托架與主桁連接鉚釘則無法解除，在支座設(shè)計(jì)時(shí)需要專門考慮其適應(yīng)措施。

橋面鋪裝采用澆筑式瀝青混凝土和改性瀝青SMA組合結(jié)構(gòu)。澆筑式瀝青混凝土的溫度達(dá)到了200 ℃，能夠瞬間讓鋼橋面板升溫170～180 ℃。支座的橫橋向位移要作為一個(gè)重點(diǎn)考慮或采取措施保證高溫鋪裝施工完畢后能夠讓支座復(fù)位或矯正到位。

4 支承體系設(shè)計(jì)

為充分降低支承體系的有效高度，支承體系由單向活動(dòng)支座、縱向限位裝置、抗拉拔裝置組成。各個(gè)部件單獨(dú)承受支承、抗拉拔、轉(zhuǎn)動(dòng)和限位功能。支承體系總體布置如圖2所示。

圖2 支承系統(tǒng)布置圖(僅示單聯(lián))(單位：m)

縱向限位裝置設(shè)置于每一聯(lián)的中部，抗拉拔裝置設(shè)置于每一聯(lián)的端部和中部，其余位置設(shè)置單向活動(dòng)支座。

4.1 單向活動(dòng)支座

單向活動(dòng)支座為行車道板提供支承并保證其能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在材料選擇方面，為了保證其耐久性以及球冠與上下支座板之間的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，球冠襯板采用自帶潤(rùn)滑劑的鋁青銅，上下支座板與滑移面及轉(zhuǎn)動(dòng)面區(qū)域采用精加工并精磨，表面粗糙度要求在0.8以下。

在構(gòu)造方面，中間支座采用弧形支座，將原有鉚釘鏟除后利用既有的鉚釘孔與鋼桁梁連接為整體。外側(cè)支座由于魚形板上的鉚釘不得隨意解除，而采用了弧形支座。支座的下支座板在鉚釘位置設(shè)置了槽口以避讓鉚釘。

橫橋向設(shè)置了9排支座，支座的布置位置為鋼桁梁縱橫梁交叉處。最中間的兩排支座橫橋向允許偏移量為±2 mm，作為橫向固定支座。其余支座綜合考慮安裝偏差、高溫橋面鋪裝施工時(shí)行車道板橫橋向伸縮等橫橋向允許位移量設(shè)置為±9 mm。同時(shí)要求，高溫橋面鋪裝澆筑時(shí)橫橋向?qū)挾炔坏贸^一個(gè)車道的寬度，且應(yīng)先澆筑中間車道的鋪裝。單項(xiàng)活動(dòng)球形支座及弧形支座分別如圖3、4所示。

圖3 單向活動(dòng)球形支座大樣(單位：mm)

圖4 單項(xiàng)活動(dòng)弧形支座大樣(單位：mm)

支座的縱橋向位移量應(yīng)建立三維有限元模型，綜合考慮主桁結(jié)構(gòu)變形、行車道板相對(duì)于主桁結(jié)構(gòu)的升降溫等因素確定。

4.2 縱向限位裝置

縱向限位裝置應(yīng)能夠限制行車道板相對(duì)于鋼桁梁的縱向位移，同時(shí)能夠釋放轉(zhuǎn)動(dòng)和橫橋向、豎直方向的相對(duì)位移。為此采用了上下套接的連接構(gòu)造，即縱向限位裝置豎向分為兩部分，分別與鋼行車道板和鋼桁梁縱梁高強(qiáng)螺栓連接。下部固定榫端部設(shè)置外凸的弧形，與上部套筒之間線接觸，以保證上下移動(dòng)的同時(shí)能夠發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)?？v向抗拉拔裝置構(gòu)造見圖5。

圖5 縱向限位裝置構(gòu)造圖(單位：mm)

上下部構(gòu)件之間嵌固深度為10 mm，能夠適應(yīng)行車道板垂直方向的位移要求。

4.3 抗拉拔裝置

鋼結(jié)構(gòu)行車道板在主桁變形和橋面行車荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生上拔力，其中每聯(lián)端部的上拔力主要由車輛荷載作用引起；每聯(lián)中部的上拔力則由主桁變形引起。經(jīng)建立三維仿真分析模型，橫橋向第2排支座的最大上拔力達(dá)到3.4 t。因此必須設(shè)置抗拉拔裝置。

抗拉拔裝置基于結(jié)構(gòu)力學(xué)中上下固結(jié)并發(fā)生水平相對(duì)移動(dòng)的力學(xué)模型。上部通過連接角鋼和連接鋼板與行車道板的縱梁連接固定，下端通過槽鋼與鋼縱梁連接固定。上下部之間設(shè)置不銹鋼鋼帶，厚度5 mm，頂?shù)撞糠謩e與槽鋼和連接鋼板用高強(qiáng)螺栓連接。抗拉拔裝置構(gòu)造如圖6所示。

圖6 抗拉拔裝置構(gòu)造圖(單位：mm)

抗拉拔裝置主要承受行車道板在車輛荷載作用下的上拔力和行車道板相對(duì)于鋼桁梁的升降溫引起的水平位移。假定相對(duì)升降溫t=20 ℃。則最長(zhǎng)聯(lián)端部伸長(zhǎng)量Δ=60 000×20×0.000 012=14.4 mm。根據(jù)簡(jiǎn)化力學(xué)模型，發(fā)生單位水平位移時(shí)，端部彎矩最大M=6i/L，則在發(fā)生水平位移量Δ的情況下端部應(yīng)力σ=6·E·y·Δ×/L2，其中y為鋼帶厚度的一半，L為鋼帶自由長(zhǎng)度，可以取內(nèi)側(cè)高強(qiáng)螺栓之間的距離。

經(jīng)驗(yàn)算，該結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)下應(yīng)力較低，且安裝方便。在后期運(yùn)營(yíng)過程中，不銹鋼鋼帶可以根據(jù)需要進(jìn)行更換。

5 結(jié)語

重慶某鋼桁梁橋混凝土行車道板頂面相對(duì)于主桁縱橫梁頂面的高度較小，改造方案受到很大的限制，通過將抗拉拔支座拆解成單獨(dú)作用的3個(gè)組分(單向活動(dòng)支座、縱向限位裝置、抗拉拔裝置)后，將支座高度降低至40 mm，為正交異性鋼結(jié)構(gòu)行車道板在該橋上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。該設(shè)計(jì)思路明確，各個(gè)組分構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確，類似工程中可以參考應(yīng)用。