重庆某钢桁梁桥行车道板改造设计关键技术

胡晓红

中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司

重庆某钢桁梁桥行车道板改造设计关键技术

胡晓红

中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司

重庆某钢桁梁桥混凝土行车道板存在严重的病害，在正交异性钢结构行车道板设计中采用了厚板T型肋、纵梁横梁底板联结的方式以及行车道板变高度设计解决了降低高度和调整线形的问题。采用支座的各项功能独立设计的方式实现了支座的集合功能并成功将支座高度降低至40mm。采用专用架板机进行架设、安装有利于缩短工期、保证施工质量。对类似钢桁梁行车道板改造既有极高的参考价值。

钢桁梁；行车道板；改造设计

1. 前言

钢桁梁具有较大的竖向及横向刚度，具有较大的跨越能力，在国内使用历史已经超过了100年。早期建设的钢桁梁由于时代原因多采用陶粒混凝土或普通混凝土行车道板。在设计理论计算中行车道板不参与钢桁梁的受力，即不形成组合结构，行车道板仅作为承受桥面荷载的作用并将荷载传递至主桁结构的附属构件使用。基于此，在桥梁设计使用寿命内行车道板应至少更换一次。目前国内早期修建的钢桁梁也多面临着行车道板更换的问题。

重庆某钢桁梁桥于1966年建成通车，目前已经运营超过50年。大桥钢桁梁主体结构运营状态相对良好，但是混凝土行车道板存在着较严重的开裂、渗水等病害。该钢桁梁的纵、横梁顶面在同一平面内，行车道板厚度小且铺装顶面距离横梁顶面高度小，行车道板改造在结构设计方面有一定的难度。同时交通压力、施工组织等方面的也是既有桥梁行车道板改造必须考虑的因素。本文结合该工程项目详细介绍其行车道板改造的构造及各项关键技术，旨在为类似改造工程项目提供参考和借鉴。

2. 桥梁概况

该大桥全长625.71m，正桥为68m+80m+88m+80m+68m五跨连续铆合钢桁梁桥，立面布置如图1所示。南北岸引桥均为混凝土T梁桥。

正桥钢桁梁第1、3、5孔为吊孔，长度为48m；第2、4孔为双悬臂简支钢桁锚梁，长度为120m，两端悬臂长度为20m。锚梁与吊梁间采用铰轴连接。主桁架为平行弦三角形体系，桁高6.2m，节间长度4m。支点处加劲弦杆高度为9m。

钢桁梁横桥向设置有四片主桁，桁间距4.3m，主桁间设置剪刀撑，横断面布置如图2所示。

图1 重庆某钢桁梁桥立面布置图/m

图2 重庆某钢桁梁桥横断面/cm

行车道钢纵梁与钢横梁顶面位于同一平面上，通过上平联连接为整体。300号防水混凝土行车道板直接支撑并锚固于纵横梁顶面。锚固螺栓直径22mm，纵向标准间距为80cm。同时，行车道板边缘与行车道边纵梁现场浇筑混凝土连接为整体。经过50余年的使用，行车道板存在着大量的裂缝，并且1/3以上数量的裂缝宽度超过了0.2mm。行车道板底板网状开裂的面积超过了总面积的15%，部分位置甚至存在着渗水病害。从结构安全和耐久性方面考虑，行车道板必须进行改造更换。

3. 钢结构行车道板设计的关键技术

经过对预制预应力混凝土行车道板、钢底模现浇混凝土行车道板以及正交异性钢结构行车道板三个方案在造价、工期、施工难度、交通压力等多方面的比选和论证，最终确定为正交异性钢结构行车道板方案。但是既有行车道板在非支撑位置标准厚度仅有12cm，行车道板顶面至纵横梁顶面的高差在桥梁中线及路缘附近分别为310mm和190mm。在一定程度上增加了行车道板设计的难度。改造以后正桥及引桥桥面必须平顺衔接，钢结构行车道板、支座及伸缩装置设计等有若干个关键问题需要解决。

3.1 正交异性钢结构行车道板设计

重庆地区气候温和，最低月平均气温约6℃；同时公路桥梁对钢材性能要求相对较低，因此选择了大量生产且低温冲击性能较好的Q345c钢。为了节约空间，钢结构行车道板在结构设计方面从以下几方面进行优化和调整。(1)不采用传统的“U”形加劲肋，纵肋及横梁均采用倒“T”开口肋，同时适当加大翼缘板厚度。(2)行车道板的纵肋及横梁底面齐平并焊接为整体。(3)行车道板各个节段之间全部采用熔透对接焊。

尽管如此，在城B荷载及组合作用下行车道板在线路中线位置依然需要总高度不低于375mm(路缘侧高度不小于270mm)。综合考虑支座高度、铺装厚度后总高度依然超过现状路冠高程10cm。为了满足结构受力及桥面线形的要求，行车道板改造在正桥范围内进行了变截面设计。在桥梁中部344m范围内，行车道板高度维持不变。在正桥端部20m范围内，行车道板顶面形成了0.5%的纵坡。在桥梁中线位置行车道板高度由375mm调整至272mm；在路缘侧则有中部的270mm调整至170mm。

行车道板顶板厚度为20mm。纵肋横桥向布置标准间距为430mm，腹板厚度10mm，翼缘板厚度20mm，翼缘板宽度为60mm。横隔板间距4m，钢桁梁横梁布置基本相同。横隔板翼缘板厚度为20mm，宽度为200mm。横隔板腹板厚度在桥梁中部344m范围内为10mm；随着行车道板厚度逐渐降低，横隔板厚度按照2mm级差增加至20mm。

4. 支座设计

4.1 单向活动支座

行车道板改造是一项综合性项目。支座是行车道板的支撑和边界条件，相适应的支座设计是另一关键问题。虽然支座总高度受限，但是支撑、限位、抗拉拔等功能不能降低。为了解决该问题，将支座的各项功能分开实现，同时设置了单向活动支座、限位装置和抗拉拔装置，桥梁支座系统布置如图3所示(由于篇幅限制仅列出一联支座布置情况)。

经过分析计算，单向活动支座拟采用球形支座，横桥向布置间距为2.15m，布置于钢桁梁纵横梁相交处。支座总高度为40mm，竖向承载能力为500kN，横桥向承载能力为50kN。纵横桥向相对变形量是支座设计的重要参数。纵桥向变形量的计算除了要考虑温度荷载的作用外，还需要考虑恒载以及活载引起主桁变形而导致的行车道板相对于钢桁梁的伸缩量。横桥向除了计算常规温差作用下各排支座间的位移量外，尚需要重点考虑桥面铺装摊铺高温作用下的瞬时位移量。浇筑式沥青混凝土能够在很短的时间内引起顶板升温150℃～-180℃，引起桥面板纵横桥向伸长量是正常使用时的4倍甚至以上。除了防止个别支座横桥向抵死后而引起主桁受力较大或支座锚固螺栓剪断外，尚应采取有效措施防止降温后行车道板或支座不能恢复到设计位置。

本项目中线路中线位置的两排支座横桥向允许位移量为±2mm，往路缘方向依次为±5mm、±7mm、±9mm。同时浇筑式沥青混凝土限制为逐个车道进行摊铺，恢复正常温度后支座的复位则采用了小直径螺栓配合冲钉强行矫正的方案。

4.2 纵向限位装置

为了降低支座的高度，采用纵向限位装置取代固定支座。在每联的中部设置一排纵向限位装置，每排4个。纵向限位装置采用了卡槽式，即在钢桁梁纵梁和行车道板纵肋上分别设置凸形和凹形结构，结构如图4所示。在正常使用状态，上下部结构之间相互咬合10mm。

限位装置上部结构固定在行车道板纵肋下翼缘板上，在这一节间范围内翼缘板有标准的60mm宽度调整到160mm，并设置8套直径高强螺栓连接固定。下部则通过4套精致螺栓与钢桁梁的纵梁连接固定。纵向限位装置选用了耐磨性能较好的铸钢材料，铸造成型。

4.3 抗拉拔装置

行车道板在车辆荷载以及主桁变形的综合作用下会产生向上的拉拔力。仿真分析时应采用三维有限元模型，否则该竖向拉拔力将失真或偏差较大。原设计的混凝土行车道板主要通过间距80cm的锚固螺栓抵抗该拉拔力。通常情况下正交异性钢结构行车道板可通过抗拉拔支座抵抗该拉拔力，但是如此处理时支座高度将达到180mm，甚至更大。因此本项目中设计了专用的抗拉拔装置。

经计算，每联的端部支座均会产生拉拔力，横桥向靠近外侧第二排支座的拉拔力最大，最大拉拔力达到了34kN。受篇幅限制此处仅列出第三排支座拉拔力纵向分布，如图5所示。

根据拉拔力的分布，在每联的端部设置抗拉拔装置；同时，为了保证在主桁发生较大变形的情况下行车道板不脱空，在每联的中部也增加了抗拉拔装置，抗拉拔装置全桥布置如图6所示。

图3 桥梁支座系统布置示意图

图4 纵向限位装置构造示意图

图5 横桥向第3排支座拉拔力纵桥向分布

图6 抗拉拔装置半立面布置图/m

5. 推荐施工方案

优秀的结构设计必须考虑施工的可行性。综合考虑运输、吊装及半幅封闭交通等因素，新制正交异性钢桥面板板横桥向分两块制造，纵桥向长度与节间长度相当，约为4m。最大板块重量约为11t，方便板块的吊装和架设。

目前既有桥梁钢结构行车道板的施工方法主要有汽车吊拼装法、专用架板机吊装法等。而专用架板机更加适合流水作业、有利于缩短工期。同时还具有全自动、结构简单、自重轻、吊具具有360°旋转功能等优势。架板机采用液压动力方式，为6支腿门式结构。前支腿支撑在既有桥梁的纵梁或横梁位置；中、后支腿则支撑于已经架设的钢结构行车道板上。新制的钢结构行车道板利用架板机上的天车吊起并沿着纵向逐块吊装并向前推进。因此新制正交异性钢结构行车道板采用专用架板机进行架设具有一定的优势，且能够保证施工质量、有利于缩短工期。

6. 小结

混凝土行车道板改造是钢桁梁普遍面临和需要解决的问题。目前多采用强度较高的正交异性钢结构行车道板替换原始的混凝土行车道板。本项目通过特殊的结构设计实现了超薄行车道板的构造和功能。在支座设计中大胆创新，通过单独的构造实现支座的集合功能。同时通过该方法在保证支座功能完善的前提下实现了大幅度降低支座高度。

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