正交異性橋面板鋼箱梁在既有線改造中的應(yīng)用

王明明

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

1 工程概況

某企業(yè)專用鐵路為電氣化鐵路，其橋梁工點(diǎn)位于廠區(qū)范圍內(nèi)，為4個(gè)股道分設(shè)的13 m跨度簡(jiǎn)支鋼板梁橋，由于年久失修且存在一定損傷，需進(jìn)行既有線換梁改造。線路位于直線上，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ股道平坡，Ⅳ股道9‰坡度，均為50 kg/m鋼軌。4個(gè)股道的既有橋結(jié)構(gòu)形式相同，均為上承式鉚釘鋼板梁，明橋面、木枕。每孔梁分別編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，線間距分別為5.0 m、5.13 m、11.15 m。具體平面布置，如圖1所示。

橋下既有公路道路為中央大道，與鐵路垂直交叉，凈寬11 m，與鐵路交叉處限高3.5 m，為廠區(qū)內(nèi)主干道。既有道路瀝青路面，四周地面較高，為下挖道路。

圖1 既有橋平面示意圖(m)

2 正交異性橋面板鋼箱梁的特點(diǎn)

隨著橋梁設(shè)計(jì)及建造技術(shù)的發(fā)展，正交異性橋面板鋼箱梁在公鐵大跨度橋梁中的應(yīng)用逐步增多。它是在相互垂直的縱橫向隔板和加勁肋上設(shè)置鋼橋面板，并與鋼箱梁本身共同承受各種荷載的橋梁結(jié)構(gòu)形式，但在以往的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，正交異性橋面板在小跨度橋梁中的應(yīng)用并不多見。本文研究了一種正交異性橋面板和小跨度簡(jiǎn)支鋼箱梁相結(jié)合，在橋面板上鋪設(shè)木枕的橋梁結(jié)構(gòu)形式[1]。其構(gòu)造示意如圖2所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

圖2 正交異性橋面板簡(jiǎn)支鋼箱梁構(gòu)造示意圖(mm)

(1)與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比，結(jié)構(gòu)高度低，自重輕

以12 m跨度為例，預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的標(biāo)準(zhǔn)梁高為1.3 m，本設(shè)計(jì)中正交異性橋面板簡(jiǎn)支鋼箱梁為1.03 m，結(jié)構(gòu)高度可降低約27 cm。而鋼箱梁在自重上與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比則具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[2]。

(2)與既有明橋面鋼板梁相比，結(jié)構(gòu)橫向剛度大，穩(wěn)定性好[3-4]

隨著既有提速及改造的開展，既有下承式明橋面鋼板梁橋出現(xiàn)的橫向振幅過大問題已經(jīng)非常嚴(yán)重。與既有的明橋面鋼板梁相比，正交異性橋面板鋼箱梁采用閉口截面形式，其橫向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度方面明顯要優(yōu)于傳統(tǒng)的明橋面鋼板梁，提高了橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。

(3)既有橋換梁施工進(jìn)度快，施工干擾影響小

本處橋梁工點(diǎn)為保證橋下凈空需要采用正交異性橋面板鋼箱梁替代既有的鋼板梁結(jié)構(gòu)。既有線施工作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)施工速度和施工干擾影響程度成為設(shè)計(jì)方案能否成立的關(guān)鍵所在[5]。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽型梁方案由于自重大需改造和加固橋臺(tái)，同時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)支架等原因，對(duì)橋下公路和既有鐵路運(yùn)營(yíng)干擾大而舍棄。鋼箱梁設(shè)計(jì)采用廠內(nèi)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝后吊裝架設(shè)的施工方法，施工對(duì)公鐵運(yùn)營(yíng)干擾小，換梁時(shí)間短，可以在既有線運(yùn)營(yíng)天窗時(shí)間內(nèi)完成換梁施工。

3 正交異性橋面板鋼箱梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造

為減少后期養(yǎng)護(hù)維修，本橋主體結(jié)構(gòu)采用Q420qENH耐候性能鋼材，箱梁主體結(jié)構(gòu)高度為1.03 m，滿足橋下公路凈空要求。

3.1 主梁

鋼梁全長(zhǎng)13.5 m，支點(diǎn)距13 m。箱梁腹板處梁高1.03 m，腹板高1.0 m，橫隔板之間設(shè)腹板豎向加勁肋；箱梁底寬2.86 m，下翼緣板設(shè)置縱向通長(zhǎng)加勁肋。主梁分為主體箱梁和兩側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)3個(gè)部分，主梁梁寬3.2 m，兩側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)各0.85 m，鋼箱梁全寬4.9 m。

3.2 橫隔板

為保證箱梁的整體穩(wěn)定性，全橋設(shè)置7道橫隔板，分別為2道支點(diǎn)橫隔板，5處中間橫隔板，中間橫隔板設(shè)進(jìn)人洞，橫隔板間距2.0～2.5 m不等，橫隔板厚度按14 mm設(shè)計(jì)，橫隔板設(shè)縱橫向加勁肋。

3.3 橋面板

橋面板采用16 mm厚鋼板，兩側(cè)懸臂板橋面板采用8 mm厚鋼板，橋面板上防水層和保護(hù)層；中間橋面板下設(shè)4道U形閉口縱肋，加勁肋高250 mm，用8 mm厚的鋼板冷彎成形。

3.4 箱梁牛腿

由于既有橋梁每1孔的梁高均相同，從鋼箱梁設(shè)計(jì)、加工制造、現(xiàn)場(chǎng)施工方便性等方面綜合考慮，將鋼箱梁設(shè)計(jì)為統(tǒng)一的梁高，通過設(shè)置梁底牛腿以適應(yīng)既有橋梁高度。

4 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

4.1 整體計(jì)算

整體計(jì)算采用 MIDAS/Civil 2010建立全橋板單元有限元模型，如圖3所示。橋面板、U肋及加勁肋等構(gòu)件均按實(shí)際輸入模型進(jìn)行計(jì)算。

圖3 正交異性橋面板鋼箱梁整體板單元有限元模型

計(jì)算采用二期恒載16.1 kN/m，活載采用中-活載。其主要計(jì)算結(jié)果為：

(1)剛度指標(biāo)

①梁體的豎向靜活載撓度10.6 mm，撓跨比1/1 226。

②梁體的橫向位移0.38 mm，撓跨比1/34 210。

③梁端豎向轉(zhuǎn)角位2.32×10-3rad。

(2)應(yīng)力及疲勞計(jì)算

①下翼緣板

主梁跨中下翼緣板最大應(yīng)力σ=100.2 MPa<[σ]=240 MPa。

下翼緣板疲勞應(yīng)力幅(σmax-σmin)=73.4 MPa<[σ]=110.3 MPa。

②橋面板

主梁跨中下翼緣板最大應(yīng)力σ=65.7 MPa<[σ]=240 MPa；

下翼緣板疲勞應(yīng)力幅(σmax-σmin)=49.5 MPa<[σ]=110.3 MPa。

各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 鋼橋面板

正交異性鋼橋面板在橋梁結(jié)構(gòu)中既是縱橫梁的上翼緣蓋板結(jié)構(gòu)，又兼顧把橋面荷載傳遞到梁部主體，參與主梁的整體受力。正交異性鋼橋面板的受力分析一般按照三個(gè)基本體系疊加求得[6-7]。

(1)由頂板和縱肋組成的橋面板作為是主梁的一部分，與主梁共同承受荷載，為第一基本體系，也稱為主梁體系。

(2)由縱肋、橫肋和頂板組成的結(jié)構(gòu)系起到了橋面系結(jié)構(gòu)的作用，主要承受橋面荷載，為第二基本體系，也稱為橋面體系。

(3)設(shè)置在縱橫肋上的頂板看成是各向同性的連續(xù)板直接承受局部荷載作用，為第三基本體系，也稱為蓋板體系。

由于本橋橋面布置的特殊性[8]：即在正交異性橋面板上直接設(shè)置木枕，并通過設(shè)計(jì)的固定裝置限制木枕的活動(dòng)。由于橋面具有一定的橫坡，木枕與橋面之間需設(shè)置橡膠墊片過渡連接，通過橡膠墊片將列車活載傳遞到橋面板上，如圖4所示。

圖4 木枕與鋼橋面板連接示意圖

列車輪載通過鋼軌將荷載傳遞到枕木上，由于鋼軌為具有一定剛度和連續(xù)性的構(gòu)件，車輪的荷載在枕木的分配具有一定的不確定性。本文研究了不同輪載分布對(duì)于橋面板受力的影響，主要按照三種活載加載模式進(jìn)行計(jì)算。

活載模式(1)：列車集中荷載范圍內(nèi)枕木均勻分擔(dān)；

活載模式(2)：列車集中荷載由兩個(gè)枕木共同分擔(dān)；

活載模式(3)：列車集中荷載僅有一個(gè)枕木分擔(dān)。

上述三種受力模式對(duì)橋面板進(jìn)行受力分析，并與橋面板第一體系應(yīng)力進(jìn)行比較，其分析對(duì)比結(jié)果,如表1所示。

從表1可以看出，加載模式(1)的鋼橋面板應(yīng)力和整體計(jì)算的鋼橋面板應(yīng)力比較接近，且比整體計(jì)算數(shù)值略大。加載模式(2)和(3)工況鋼橋面板應(yīng)力比整體計(jì)算中鋼橋面板應(yīng)力分別大了47.0%和92.2%，說明本橋鋼橋面板第二、三應(yīng)力體系占有較大比重。因此，承受局部荷載的正交異性鋼橋面板的第二、三應(yīng)力體系在設(shè)計(jì)過程中是不可忽視的。鋼橋面板應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

5 施工方法

5.1 鋼梁節(jié)段預(yù)制及拼裝

本橋鋼梁縱向不分節(jié)段，橫向分為主體箱梁和兩側(cè)懸臂3部分，通過焊接及栓接相結(jié)合方式連接。

5.1.1 焊接要求

(1)為保證焊縫的抗疲勞性能，等厚或不等厚板的對(duì)接焊縫應(yīng)順應(yīng)力方向打磨勻順，受拉構(gòu)件垂直于應(yīng)力方向的角焊縫以及受拉角焊縫，均應(yīng)順應(yīng)力方向打磨勻順。

(2)施焊方法

①自動(dòng)焊：主梁腹板與上、下翼板之間的角焊縫；橫梁、縱梁腹板與下翼板之間的角焊縫，橫梁，縱梁腹板與橋面板之間的角焊縫。

②半自動(dòng)焊：主梁腹板上豎向加勁肋和水平加勁肋的角焊縫,縱肋與橋面板的焊縫。

③手工焊：不能用自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊的焊縫。

5.1.2 鋼梁預(yù)拼裝

鋼梁分段在工廠加工完成后，在工廠內(nèi)完成預(yù)拼裝。滿足精度要求后，再分節(jié)段運(yùn)至工地后進(jìn)行拼裝，各部分的工地連接方式如下：

(1) 兩側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)上下緣采用焊接連接，腹板采用高強(qiáng)螺栓連接。

通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的固定裝置，分別將主體箱梁和兩側(cè)懸臂板固定、對(duì)齊，先對(duì)上下緣進(jìn)行焊接，然后對(duì)腹板處的連接采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行擰緊固定。

(2) 箱梁整體拼裝完成后，通過預(yù)留在鋼箱梁下翼緣的螺栓孔，將牛腿和箱梁采用高強(qiáng)螺栓連接。

5.2 鋼梁架設(shè)施工順序及施工工藝

鋼梁現(xiàn)場(chǎng)施工順序及施工工藝為：

(1)鋼梁在工廠加工焊接、預(yù)留件焊接、初始涂裝，運(yùn)至工地完成現(xiàn)場(chǎng)拼裝，二次涂裝。

(2)將既有鋼梁拆除，然后將既有墊石清除，將清除面鑿毛后清洗干凈，通過砂漿找平后，直接將支座放置在既有橋臺(tái)頂帽上，并固定支座；同時(shí)鋼梁整孔預(yù)吊裝，并做好吊裝準(zhǔn)備。

(3)采用汽車吊利用預(yù)留在鋼梁橋面上的吊耳對(duì)鋼梁整孔吊裝就位。

(4)橋面板防水層和保護(hù)層施工。鋼橋柔性保護(hù)層施工工藝流程如下：

鋼橋面板除銹→鋼橋面板頂面噴灑環(huán)氧富鋅漆防腐層→噴灑環(huán)氧瀝青粘結(jié)下層→3 cm 環(huán)氧瀝青混合料保護(hù)層→噴灑環(huán)氧瀝青粘結(jié)上層→3 cm 環(huán)氧瀝青混合料保護(hù)層。

(5)木枕與橋面連接。本橋枕木和軌道的連接采用Z形鋼構(gòu)造進(jìn)行連接，Z形限位鋼板預(yù)先焊接在鋼橋面板上，與鋼蓋板用螺栓連接，限位鋼板與木枕側(cè)面采用橡膠片塞實(shí)，同時(shí)應(yīng)保證鋼蓋板與枕木之間擠壓密實(shí)。為限制木枕在橋面上移動(dòng)，木枕在鋼蓋板處刻槽，以保證木枕在橋面上的穩(wěn)定性。

(6)軌道恢復(fù),軌道復(fù)測(cè)及調(diào)整。

(7)安裝人行道欄桿和電纜槽、排水管等附屬設(shè)施。

(8)完成涂裝修補(bǔ)。

6 結(jié)束語

本文研究了采用正交異性橋面板鋼箱梁替代既有鋼板梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，將小跨度正交異性鋼橋面板簡(jiǎn)支梁用于既有鐵路橋梁的換梁改造中，解決了實(shí)際工程中的諸多問題。同時(shí)研究了小跨度正交異性鋼橋面板的受力性能，認(rèn)為承受局部荷載的正交異性鋼橋面板應(yīng)力中的第二、三應(yīng)力體系占有較大比重，在設(shè)計(jì)過程中是不可忽視。