鋼－混組合梁在國道217線庫車河橋危橋改造中的應(yīng)用

邱志龍 張良 劉冬林

摘 要：鋼-混組合梁在危橋改造中，充分發(fā)揮了鋼-混組合梁的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度高，重量輕，抗震性能好，耐久性優(yōu)良;施工占用場地少，無環(huán)境污染，工期短，節(jié)省大量模板，因上部重量輕可充分利用原橋下部的資源，應(yīng)用前景廣闊。本文將從工程設(shè)計(jì)的角度詳細(xì)闡述國道217線K991+817處庫車河橋在改造中運(yùn)用鋼-混組合梁的工程應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：危橋改造;鋼-混組合梁;坡彎橋;高強(qiáng)螺栓;技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：U448.21+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼材受拉，混凝土受壓的這一材料優(yōu)點(diǎn)，鋼-混結(jié)構(gòu)具有自重輕、材質(zhì)均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、易于工廠化制造、裝配化施工、便于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升公路橋梁的建設(shè)品質(zhì)，提高結(jié)構(gòu)安全耐久性，降低全壽命周期成本，促進(jìn)公路建設(shè)的轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，符合新時代公路橋梁建設(shè)的發(fā)展要求。

1 原橋概況

國道217線為新疆阿勒泰市至新疆塔什庫爾干縣的公路，簡稱阿塔線，道路等級為二級公路，路基寬12.0 m;K991+817處庫車河橋橋梁全寬12 m，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級（2004標(biāo)準(zhǔn)），本橋修建于2011年11月。

庫車河橋原橋上部采用1-40 m剛架拱橋，原橋下部采用重力式U型橋臺。原橋位處路線縱坡為2.0%，路面單向橫坡為3.4%～6.2%之間，且本橋橋位處于曲線彎道上（半徑R=305 m），屬于坡彎橋，受力復(fù)雜。同時，國道217線為連接南北疆的交通要道，交通量大且重載車多，主要為能源（煤炭）、資源（礦石）和旅游車輛，且橋梁附近焦化廠不經(jīng)過治超檢查站，區(qū)間超載車輛多;直接導(dǎo)致橋梁在投入使用后7年時間內(nèi)成為危橋。 橋位處地震烈度區(qū)（8°）;橋位處設(shè)計(jì)洪水流量為285 m3/s。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 病害原因分析

（1）剛架拱的拱片尺寸小、跨徑大、橫向連接弱（整體性差），在車輛荷載作用下橋梁整體震動較大，長期的頻繁震動導(dǎo)致剛架拱片與橫系梁的聯(lián)結(jié)部位開裂破損，引起橫系梁裂縫增多。（2）本橋位設(shè)置于公路彎道上（R=305 m），橋梁縱坡2.0%，在汽車荷載作用下橋的結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，不光在橋面作用豎向壓力沿路線縱向產(chǎn)生水平力，橋梁橫向也產(chǎn)生較大的水平力（汽車荷載離心力）。煤礦重載車輛多，特別是區(qū)間重載車輛（煤礦至焦化廠段）之間無限制，在重載作用下導(dǎo)致剛架拱肋節(jié)點(diǎn)縱梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性U型橫向裂縫，縫寬為0.3～1.0 mm;原橋上部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件（主拱肋及系梁）評定為四類，急需改造。

通過現(xiàn)場水文調(diào)查結(jié)合歷年水文站觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)水文計(jì)算可知原橋過水能力能滿足洪峰期間橋下泄洪的要求;根據(jù)地勘報(bào)告及現(xiàn)場勘查情況，在調(diào)取原橋竣工圖紙后，發(fā)現(xiàn)橋臺基礎(chǔ)已楔入巖層，其抗沖刷和豎向承載力均滿足要求;由于原橋梁橋臺結(jié)構(gòu)型式為重力式橋臺，經(jīng)驗(yàn)算其抗傾覆、抗推移均滿足要求。

2.2 針對以上主要問題具體方案如下

（1）利用下部橋臺改造上部，拆除老橋上部結(jié)構(gòu)，將原橋的一跨改為兩跨提高梁的剛度，增加一個橋墩可以將坡彎橋產(chǎn)生的橫向力更好地，更均勻地傳遞給橋墩和橋臺。（2）根據(jù)橋位處交通量調(diào)查分析，顯示主要為重車多，加大梁的截面高度，能增大梁體的截面慣距。（3）加強(qiáng)主梁之間的橫向連接、提高梁的整體強(qiáng)度。（4）根據(jù)施工質(zhì)量、進(jìn)度、工程費(fèi)用、后期養(yǎng)護(hù)全壽命周期和受力特點(diǎn)，結(jié)合橋位所處重載交通，高地震烈度區(qū)（8°），橋位位于坡彎橋的特殊情況，受力條件復(fù)雜、施工困難（橋面距河床底14 m高）等情況。

綜合橋型方案比較選用2孔22 m鋼混凝土組合梁橋。

設(shè)計(jì)方案：（1）拆除原橋梁上部結(jié)構(gòu)（主拱肋、橋面系等）、部分側(cè)墻及前墻。（2）橋跨中心新建樁基柱子接蓋梁橋墩，橋臺新建臺帽、恢復(fù)兩側(cè)側(cè)墻。（3）主梁采用2-22 m鋼-砼組合梁，利用老橋橋臺。

3 鋼梁安裝技術(shù)要點(diǎn)

3.1 高強(qiáng)螺栓連接

本次設(shè)計(jì)高強(qiáng)螺栓采用雙螺帽高強(qiáng)螺栓，尺寸為M24-10.9s，螺栓孔徑為26 mm，高強(qiáng)螺栓連接副齊全一顆螺栓、一顆螺母、兩片墊圈配套齊全使用。

（1）高強(qiáng)螺栓連接處的構(gòu)件接觸面（角鋼、加勁板）應(yīng)采取噴砂處理，增加構(gòu)件摩擦系數(shù)，同時防止連接處產(chǎn)生銹蝕。

（2）高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力P=225 kN。

施工扭矩 T=0.15×1.1×255×4=891 N.m。

扭矩扳手（宜使用帶數(shù)字顯示）必須進(jìn)行標(biāo)定，且標(biāo)定需待檢驗(yàn)合格后方可使用，扭矩值偏差不宜超過設(shè)計(jì)值的±3%。

高強(qiáng)螺栓擰緊檢查驗(yàn)收合格后，應(yīng)按要求對其表面進(jìn)行除銹、防腐處理。

（3）施擰要求：1）對鋼梁拼裝的要求：角鋼、加勁肋拼裝前對接觸面應(yīng)清除油、殘留物等，螺栓孔內(nèi)的殘留物應(yīng)同時清理干凈，螺桿破損、彎曲、存在銹蝕、沾染灰塵等情況不能使用。 2）連接件拼裝前備好扳手、臨時螺栓、撬棍、鋼絲刷等工具，對鋼板摩擦面進(jìn)行清理，摩擦面不能有油漆、污泥、水、孔的周圍不應(yīng)有毛刺。遇到安裝孔有問題時，嚴(yán)禁將螺桿打入螺栓孔內(nèi)，也不得使用氣割擴(kuò)孔，建議使用絞刀對螺栓孔進(jìn)行修正，修正后的孔徑不應(yīng)超過1.2D（D為螺栓直徑），修正后應(yīng)再一次清掃孔周圍殘留物。高強(qiáng)度螺栓連接面板間應(yīng)貼緊不得留縫。安裝時同一側(cè)面上高強(qiáng)螺栓螺桿方向一致。3）鋼梁現(xiàn)場拼裝中的高強(qiáng)螺栓施擰工藝，允許分步進(jìn)行，先施擰固定連接件后對高強(qiáng)螺栓復(fù)擰，但具體操作須由在場技術(shù)員來確定。4）墊圈一側(cè)有倒角，穿放時將有倒角的一側(cè)貼向連接件支承面，不得裝反，螺母有標(biāo)志一側(cè)應(yīng)朝外。5）大六角頭高強(qiáng)度螺栓擰緊時，只準(zhǔn)在螺母上施加扭矩。6）相鄰兩根梁之間的高強(qiáng)度螺栓應(yīng)在同一天完成。7）安裝角鋼、加勁肋的摩擦面應(yīng)保持清潔、干燥，并不得在雨中進(jìn)行安裝作業(yè)。

4 改造后橋梁的技術(shù)優(yōu)勢

4.1 重載交通對老橋臺的利用優(yōu)勢明顯

（1）將單跨改為兩跨大大降低橋梁跨中彎矩、橋面作用豎向力沿路線縱向產(chǎn)生水平分力以及橋梁汽車荷載離心力對橋梁的影響。（2）自重荷載方面：橋臺所承擔(dān)的荷載由原荷載的350 t降低至現(xiàn)在的175 t。（3）由于利用老橋臺，節(jié)省了大量建設(shè)資金。

4.2 鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢

（1）由于鋼梁均采用工廠化制造，解決了因預(yù)制梁體而選擇預(yù)制場地的一系列問題。（2）由于鋼梁均采用現(xiàn)場裝配化施工（鋼梁與水平撐、斜撐均為栓接連接）;因此，鋼梁制作、安裝精度高，施工質(zhì)量容易保證。（3）針對工期緊張的情況，由于現(xiàn)場采用裝配化施工，施工進(jìn)度快，能滿足工期要求。（4）鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞、耐久性能好，可回收利用。

4.3 鋼-混結(jié)構(gòu)對彎坡等特殊形狀橋梁方面優(yōu)勢

（1）由于坡彎橋梁受力復(fù)雜的特點(diǎn)，采用鋼-混結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮鋼材在不同方向上的受力優(yōu)勢;因此，在與其他混凝土結(jié)構(gòu)比選中，宜優(yōu)先選用鋼結(jié)構(gòu)。（2）對高地震區(qū)，本橋位處位于8°地震區(qū)，由于鋼-混結(jié)構(gòu)自重較輕，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均勻，具有很高的強(qiáng)度儲備能力（承載能力高），對于橋梁抗震和抵御超載非常有利。

5 鋼混凝土組合梁的設(shè)計(jì)技術(shù)

5.1 鋼-混結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新主要有以下幾點(diǎn)

（1）鋼梁頂鋪裝采用鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆板，整體性好。（2）鋼梁頂面設(shè)計(jì)有圓柱頭焊釘，與鋼筋混凝土現(xiàn)澆板連接，各方向受力均勻，大大提高了鋼梁與鋪裝的連接整體性。（3）在鋼梁的橫向聯(lián)系方面：沿縱向采用了不等間距布置角鋼水平撐和斜撐，即跨中撓度、彎矩大，橫向聯(lián)系布置間距小，可以更充分地發(fā)揮橫向連接的作用。（4）橫向聯(lián)系采用角鋼水平撐及斜撐的組合型，可以有效地將鋼梁承受的豎向荷載分布于相鄰鋼梁上，對橋梁結(jié)構(gòu)整體受力有利。（5）針對本橋橫坡5%，橫向水平推力較大，每根鋼梁之間形成錯臺，導(dǎo)致水平撐、斜撐不在一個水平面，受水平拉力形成扭矩，將對腹板造成屈曲效應(yīng);本次設(shè)計(jì)在腹板處設(shè)置有多處鋼梁加勁板，能明顯克服腹板的屈曲效應(yīng)。（6）由于本項(xiàng)目建筑高度為14 m左右，外懸臂支模難度較大，本次設(shè)計(jì)采用角鋼懸臂支架;鋼梁外懸臂混凝土部分采用鋼梁外側(cè)加勁肋預(yù)留支架螺栓孔位置，施工時可采用角鋼等材料快速完成懸臂支模工序，降低施工難度，加快工期。

6 結(jié)語

（1）橋梁改造通車后，橋梁使用性能良好，大大提高了G217線的通行服務(wù)能力。（2）經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益顯著。國道217線K991+817處2-22 m鋼混組合梁在危橋改造中的應(yīng)用，可以使橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量大大減輕，可以充分利用下部結(jié)構(gòu)老橋臺，節(jié)省了拆除新建下部結(jié)構(gòu)大筆建設(shè)資金。尤其對工期和通行能力有緊迫要求的危橋改造項(xiàng)目，可很快改造完投入運(yùn)營使用。（3）新疆天山以南地區(qū)，氣候干燥，常年干旱少雨，空氣濕度小，對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性影響小;后期養(yǎng)護(hù)投入費(fèi)用少，因此鋼結(jié)構(gòu)在本地區(qū)具有較大優(yōu)勢;施工完成后的養(yǎng)護(hù)工作主要為定期檢查高強(qiáng)螺栓的緊固性及定期涂刷防銹漆即可。（4）示范效應(yīng)顯著。通過本工程，總結(jié)出鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)的適用情形：1）高地震、高烈度地域中需重點(diǎn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的項(xiàng)目。2）因交通量大、超載頻繁且難以控制等原因，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備需求較高的項(xiàng)目。3）上部結(jié)構(gòu)損毀嚴(yán)重，下部結(jié)構(gòu)基本完好，或者受損構(gòu)件經(jīng)加固后能滿足正常使用功能，但對上部自重有硬性要求的項(xiàng)目。4）對時間要求較緊張的搶修、保通工程，對周圍環(huán)境、地貌及居民影響要求較為嚴(yán)格的項(xiàng)目。5）特殊線型結(jié)構(gòu)，各受力工況復(fù)雜（如橋位處于縱坡較大、橋位處于彎道上等），對受力復(fù)雜、混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁無法滿足要求的特殊項(xiàng)目。

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作者簡介：邱志龍（1992—），男，湖南婁底人，本科，研究方向：土木工程道路橋梁，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)工作。