钢混组合梁在危桥改造项目中的应用及设计关键技术研究_张东.pdf

-115-钢混组合梁在危桥改造项目中的应用及设计关键技术研究张 东，赵洪蛟，管锡琨（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101）摘要：结合工程实例，总结了钢混组合梁桥的竞争优势，研究了钢混组合梁桥设计关键技术。关键词：钢混组合梁；危桥改造；单向板；桥面板抗裂中图分类号：U442.5 文献标识码：BApplication and research on design key technology of steel-concrete composite beam in dangerous bridge reconstruction project ZHANG Dong,ZHAO Hongjiao,GUAN Xikun（Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250101 China）Abstract:The application prospect of steel-concrete composite beam in dangerous bridge reconstruction project is broad.Combined with an actual engineering examples,this paper summarized the competitive advantages of steel-concrete composite beam bridge,and studied the key technology of steel-concrete composite beam bridge design,which can provide reference for similar bridges.Key words:steel-concrete composite beam;dangerous bridge reconstruction;unidirectional plate;crack resistance of bridge deck引言随着我国社会经济的不断发展进步，人们对交通运输的需求日益增加。始建于十九世纪七八十年代的公路桥梁，在大交通量且重型车比例高的现实情况下多为高负荷运营，出现多处病害，虽经数次维修加固，但很多桥梁结构仍旧无法正常满足通行的安全要求，从而被评定为危桥项目，限载通行或者禁止货车通行，给人民出行带来极大的不便，更影响地区社会经济发展，危桥改造刻不容缓。1 工程概况山东境内某老桥建成于 1989 年，其结构形式为45 m+64 m+45 m 轻型刚架拱，横向布置为 1.5 m 人行道+9 m 行车道+1.5 m 人行道，全宽 12 m，桥面铺装为 29 cm 钢筋混凝土铺装（含桥面板），下部结构为实体墩、台接桩基础，桥梁全长 173.2 m。老桥设计汽车荷载等级为汽车-20 级，挂车-100。老桥经过 27 a 运营，出现多处病害，分别于2008 年、2012 年进行了维修加固。受结构形式限制，桥梁整体性差，裂缝、渗水、混凝土破损等病害多发，且呈加快发展趋势，管理部门对桥梁两头增设了限宽墩，进行了交通管制，使得整个路网正常运营受到影响。2016年，该桥桥梁技术状况评定等级为四类，建议对上部结构进行拆除重建。2 钢混组合梁方案的选定根据建设方的意见，老桥拆除重建要求在原桥位建设的基础上，充分利用老桥水中主墩桩基础，以减少新的桩基础施工对河道断面带来的不利影响，从而降低造价和工程投资；同时桥下净空须满足运河航道通航净空 7 m 的要求；新桥边跨跨越老桥桥台，并拆除老桥桥台地面以上实体部分构造物。拟定出新建桥梁跨径布置为 57 m+64 m+57 m，见图 1。1:1.51:1.51:1.51:1.51503 00042.6601503 00042.1635 500700通航水位38.560常水位35.0002501201203002 80033.00125012012030033.0024506 4005 70018 700河道自然地面桥梁中心线地面高程42.5542.1原桥台实体以上拆除原桥台实体以上拆除原桥墩桩基保留利用原桥墩桩基保留利用桥墩承台、墩身新建桥墩承台、墩身新建2 800图 1 新桥桥跨布置/cm主跨 64 m 可选用的桥梁结构主要有预应力混凝土梁桥、钢箱梁桥和钢混组合梁桥。预应力混凝土梁桥建筑结构高，不满足通航净空的要求，且混凝土箱梁上部结构自重大，亦不能利用老桥主墩桩基础，不符合本项目的建设要求。钢箱梁桥轻质高强、收稿日期：2022-06-30作者简介：张东（1985），男，山东菏泽人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为桥梁设计。张 东，赵洪蛟，管锡琨：钢混组合梁在危桥改造项目中的应用及设计关键技术研究-116-具有优越的跨越能力和较低的建筑高度，可满足通航净空的要求，但钢桥面铺装耐久性差且造价昂贵，钢桥面疲劳开裂问题突出，后期管养投入较大，不满足建设方控制造价的需求。采用混凝土桥面板代替钢桥面的钢混组合梁桥，不仅可解决钢箱梁桥铺装耐久性差和钢桥面板疲劳开裂的问题，还节省了钢材降低了造价，结构建筑高度相较钢箱梁增加不大，能满足桥下通航净空要求。综合比选，最终确定老桥拆除重建方案采用钢混组合梁方案，见图 2。1 2251 125205纵向泄水管纵向泄水管渗水盲沟10 cm 沥青混凝土铺装20 cm钢筋混凝土现浇层8 cm 预制板改性沥青防水层设计线渗水盲沟260295302.2293260205501.5%1.5%50图 2 钢混组合梁断面/cm3 设计关键3.1 总体设计项目上部结构采用双箱单室截面形式组合梁，桥面宽度12.25 m，采用双向1.5%横坡，顶板调横坡，底板水平。单片钢主梁采用槽型开口截面，由上翼缘、底板、腹板及横隔板通过焊接形成钢构架，箱外横隔板及挑梁通过栓接与钢梁连接为整体，现浇混凝土桥面与预制板和钢梁顶板上的剪力钉形成整体，组成钢-混组合箱型梁。钢 梁 底 板 宽 2 600 mm，跨 中 段 厚 30 m，支点 段 厚 30 mm；设 200 mm18 mm 板 肋，间 距 400 mm。顶板宽 700 mm，跨中段厚 30 mm，支点段厚 40 mm，其 上 焊 22 mm150 mm 剪 力 钉。腹 板间距 2 500 mm，高 2 611 2 658 mm，跨中段厚 16 mm，支点段厚 20 mm；在腹板上、下侧各设一道纵向加劲板，规格 180 mm16 mm。横隔板厚 12 mm，间距 5 m，两道横隔板中间设置一道横向加劲肋。桥面板采用 28 cm 厚钢筋混凝土桥面板，分为 8 cm 预制板+20 cm 现浇板。3.2 桥面板构造设计要点根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 33622018）1规定：“四边支承的板，当长边长度与短边长度之比 2 时，可按照短边计算跨径的单向板计算，否则应按双向板计算”。为简化计算，一般将四边支承板通过构造措施设计为长边/短边 2 的单向板。本组合梁桥面板可划分为三种类型，即支承于悬臂小纵梁上翼缘和槽型钢梁上翼缘之上的悬臂段板、支承于单个槽型钢梁两上翼缘间的箱室内板和支承于相邻槽型钢梁临近上翼缘间的箱室间板，见图 3。对于常见的钢混组合梁悬臂板，将其作为支承于两相邻挑臂上翼缘和槽型钢上翼缘的三边支承板，而关于此类桥面板是单向板还是双向板，一般很难给出明确的判定，本例通过增加一道挑臂小纵梁，将三边支承的悬臂板设计为四边支承板，挑臂纵向布置间距设计为 5 m，悬臂板支撑长边/短边=5/1.96 2，则悬臂板的计算可按照单向板计算，主受力方向为横桥向。对于箱室内板，将横隔板设计为仅与槽型钢上翼缘连接，在桥面板下方挖孔，使得箱室内板为支承于槽型钢上翼缘和端横梁上翼缘的四边支承板，长边支承长度为桥跨长度，短边长度为槽型梁相邻腹板间距，即57/2.4822，箱室内板的计算可按照单向板计算，主受力方向为横桥向。对于箱室间板，将相邻槽型梁箱室间横隔板设计为仅与相邻槽型梁腹板连接，不与槽型梁上翼缘连接，如此一来，箱室间板的支承长边亦为桥跨长度，短边长度为 3 m，长边/短边=57/3.0662,箱室间板的计算亦可按照单向板计算，主受力方向为横桥向。1 9602 4823 0662 4821 960悬臂段板挑臂梁挑臂小纵梁横隔板不与上翼缘连接箱室内板箱室间板横隔板开孔图 3 钢混组合梁桥面板分块/cm通过对构造设计细节处理，将钢混组合梁桥面板设计为单向板，使其受力更为明确，计算配筋时更为明确。3.3 负弯矩区桥面板抗裂措施连续梁桥跨中区域为正弯矩区，中支点区域为负弯矩区2。对于钢混组合梁来说，跨中正弯矩区，桥面板作为上翼缘受压，可充分发挥混凝土抗压能力强的优势，但是在中支点负弯矩区，桥面板以受拉为主。如何降低中支点的负弯矩，减小该处桥面板名义拉应力，从而提高桥面板的抗裂性能，成为钢混组合连续梁亟需解决的问题。从四个角度采取措施以提高负弯矩区桥面板的抗裂性能。（1）通过将桥面板设计为单向板，且主受力方向为横桥向。从而避免桥面板第一体系应力（顺桥向）与第二体系应力3（横桥向）的同向叠加导致纵桥向正应力过大的问题，从而降低桥面板开裂的风险。（2）负弯矩区桥面板采用低收缩微膨胀混凝土，2022 年第 6 期山东交通科技-117-同时采用高配筋率的钢筋布置形式提高钢筋混凝土桥面板的抗裂性能。在距离中支点两侧各 0.3 L（L为主跨跨径）范围内，桥面板上缘布置顺桥向双肢主钢筋，直径为 22 mm，布置间距为 12 cm，见图 4。正弯矩区纵向主钢筋纵向主钢筋负弯矩区120120图 4 桥面板纵向钢筋布置/mm（3）调整混凝土桥面板的浇筑顺序，即先浇筑正弯矩区混凝土桥面板，待桥面板强度达到设计要求且负弯矩区钢梁变形发生之后，再浇筑负弯矩区混凝土。通过该种手段可使得负弯矩区桥面板几乎不承受一期恒载产生的效应，仅承受二期恒载和运营阶段活载产生的受拉效应。（4）中支点落梁 60 cm4。吊装钢梁时，在中支点主墩处加设垫块至高出设计高程 60 cm 的位置，待混凝土桥面板施工完毕后，抽离加高垫块，使钢梁落至设计高程。相当于对中支点主梁进行卸载，可显著降低一期恒载下的中支点负弯矩。通过四种手段，降低了负弯矩区混凝土桥面板的开裂风险，提高了结构的耐久性。3.4 桥面板施工构造措施桥面板采用双层混凝土桥面板结构，即采用下层 8 cm 预制板+上层 20 cm 现浇板。下层 8 cm 预制板搭在钢梁上翼缘之上，作为现浇桥面板的底模，承受 20 cm 现浇板的湿重，需在预制板靠近下缘处配置钢筋。通过预制板和现浇板的组合，解决了槽型钢钢混组合梁桥面板底模不好拆除的问题，提升了施工便捷程度，加快了施工速度。4 结语钢混组合梁充分结合了钢箱梁轻质高强且跨越能力大、混凝土桥面板耐久性好且经济的优势，在旧桥危桥改造项目中具有得天独厚的优势。参考文献：1 中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG 33622018S.北京:人民交通出版社,2018.2 范立础,徐光辉.桥梁工程M.北京:人民交通出版社,2001.3 吴冲,强士中.现代钢桥M.北京:人民交通出版社,2006.4 邵长宇.梁式组合结构桥梁M.北京:中国建筑工业出版社,2015.（上接第 108 页）面上时作用点周围会出现平面应力圈，同一平面应力圈内随着远离荷载作用点应力减小，沿着深度方向越接近荷载作用点应力也越小，该规律可得到应力场形态。说明车荷载作用下道路中的应力场为三维近似半椭圆体。（3）应力和深度为非线性关系，当应力衰减到垫层时接近零，变化规律为水平方向远离车荷载应力越来越小，垂直方向随着深度增加应力也越来越小。参考文献：1 杨强强,丁小军,王旭,等.车辆荷载作用下黄土路基竖向土压力传递规律研究J.公路交通科技,2021,38（2）:40-472 鞠斌.车辆荷