天津海门桥混凝土桥面板维修设计.pdf

1 0 2 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 4 月第 4期 天津海门桥混凝土桥面板维修设计 邓锦平 ， 袁有为 ， 王艳 宁 ( 天津市 市政 工程设 计研究 院 ， 天津 市 3 0 0 0 5 1 ) 摘 要： 海门大桥为简支下承式栓焊桁架桥， 是我国早期开启桥中跨度最大 、 提升高度最高的直升式公路桥， 其甲乙型跨采用的 钢筋混凝土 桥面板经过 多年使用 ， 破损严重 。介绍该 桥维修设计 方案 ， 即根据提升 式开启桥 的特点 ， 参 考相关规 范 ， 将桥 面板厚度 适当增加， 采用开孔板作为剪力连接件， 加强钢梁和混凝土桥面板的联系。 关键词： 钢桁架开启桥； 混凝土桥面板； 开孔板连接件 中图分 类号 ： U 4 4 5 7 文 献标 识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 1 0 2 0 2 0 前 言 天津 塘沽海 门大桥始建 于 1 9 8 2年 ， 1 9 8 5年正 式竣工通车， 是天津塘沽地区沟通海河南北两岸的 重要交通枢 纽。同时它也是我 国早期 开启桥 中跨 度最大、 提升高度最高的直升式公路桥。 海门大桥 由主桥( 提升跨 、 甲乙型跨) 、 引桥、 引道等 3部分组 成 ， 总长 9 0 3 7 4 m， 主桥立面布置详见 图 1 所示 。 盈 j i 圈 北 4 8 m 乙型 跨 L 4 8 m 甲型 跨 提升跨 席4 8 m 平型琏 席4 8 m 乙型 图 1 海 门大桥 主桥立面布 置 主桥 为 4 8 m + 4 8 m + 6 4 m + 4 8 m+ 4 8 m 的 5跨 简支下承式栓焊桁架 ， 钢桁架桁高 8 m， 桁架中心 距 l 5 2 m。中间跨为提升跨 ， 跨径 6 4 m， 提升高度 2 4 m， 桥面板为 1 2 mm厚钢板 ， 采用环氧沥青铺装 层。提升跨左右相邻跨为 甲型跨 ， 跨径为 4 8 m， 相 应的钢桁架梁上建有 4 5 m高的提升钢塔架。 甲型 跨两端为乙型跨， 跨径为 4 8 m， 甲乙型跨桥面板均 为 1 2 e m厚 预制混凝土板 。 1 原设 计标 准 ( 1 ) 道路等级 ： 城市主干路。 ( 2 ) 设计车速 ： 4 0 5 0 k m h 。 ( 3 ) 设计荷 载 ： 汽车 -2 0级 ， 挂车一 1 0 0 ， 人群 荷载， 整体分析时采用 2 5 k N m ， 局部分析时采 用 3 5 k N m 。 ( 4) 设计基准期 ： 1 0 0 a 。 ( 5 ) 结构安全等级 ： 一级。 ( 6 ) 桥面纵坡 ： 开启跨支点为平坡 ， 甲型梁和 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 2 0 7 作者简介： 邓锦平( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 湖南双峰人， 硕士， 工程师 ， 从 事桥梁设计工作。 乙型梁 支点连线 分别在 1 2 8 和 2 2 的坡度上 ， 两岸引桥桥面纵坡均为 2 2 。正桥桥面按前述纵 坡组成半径为 4 6 0 0 m竖 曲线 以利行车与外观 。 ( 7 ) 桥面横坡 ： 正桥桥面双向 1 横坡 ， 人行道 单 向 1 。 ( 8 ) 桥 面布置( 主桥 ) ： 机动 车道宽度 为 1 4 r n ， 两侧各设 2 m宽人行道 ， 在两者之间设 1 m 隔离 带f 由缘石和钢梁主桁组成) ， 桥面净宽 2 0 m。 2 旧桥 面板主 要病 害 车行道混凝土桥面板全宽 1 4 4 m，厚 1 2 e m， 纵 向支 承在间距为 1 9 m间隔的钢纵梁上 ， 在钢纵 梁上设置高度不等的素混凝土垫块实现桥面横 坡 ，垫块通过每 2 m一组 的螺栓和钢纵梁连成整 体 ， 桥面板横断面如 图 2所示。 桥面铺装采用 2 e m 沥青磨耗层 + 5 e mC 3 0细石混凝 土。 图 2 旧桥面 板横断布 置( 单位 ： c m) 经过近 3 0年的使用 ，南 、北 甲型跨 和乙型跨 的混凝土桥面板开裂现象普遍 ，桁架主结构未出 现较大病害 。虽然经过历次加 固和大修 ， 根据最新 检测报告 ， 严 重开裂的桥 面板 占整个南 、 北 甲型跨 和 乙型跨桥面板的 6 。桥面板下混凝土垫块大部 分压碎或缺失， 部分缺失处用木条替代。为使海门 大桥 的承载能力恢复到原设计荷载水平 ，检测单 位建议将甲乙型跨桥面板拆除重建。 导致 桥面板主要病害有两个原 因 ：桥面板偏 薄 ， 同时超载加剧 了桥面板 的破坏 ； 素混凝土垫块 缺失或压碎 ， 桥 面板 和钢梁之 间缺乏有效连接 ， 导 致桥面板受力模式发生变化，原有结构配筋不能 满足受力要求 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥与防 洪 桥梁结构 1 0 3 3 桥 面板设 计 桥面板厚度选择主要参考 13 本相关规范的规 定， 13本 道路桥示方书 规定， 钢桥钢筋混凝土桥 面板 的最小厚度必须满足表 1的要求 ，并且车行 道部分 的桥面板厚度不得小于 1 6 0 m m。对于钢筋 混凝土桥面板，钢筋最大使用应力小于普通钢筋 混凝土结构钢筋应力 的 8 0 ；对于结合梁等维修 困难的桥梁，钢筋最大使用应力一般控制在普通 钢筋混凝土结构容许应力 的 6 7 。 表 1 车行道部 分混凝 土桥面 板最小厚 度( 单 位 ： mm ) 桥 面 板 类 型 l 堡 塑 霉 钢纵梁 间距 1 9 m， 按 表 1公 式计算 ， 桥 面板 厚度需要 1 6 7 mm。海 门桥为开启桥 ， 两侧 甲型跨 上有 提升跨 的塔架结构 ，甲型跨 的跨 中挠度 值 的 增加对塔架垂 度有影响 ，可能导致提升跨无 法提 升 ， 因此桥面板不能增厚太 多。 最终 采用 1 6 c m厚 的 C 4 0防水混凝 土 ，混凝 土板 上设置 1 c m 的应力 吸收层 ，磨耗层 为 5 c m A C 一 1 6 C的中粒 式沥青混凝 土 ， 桥面板加铺 装层总 厚度 为 2 2 c m， 较原设计增厚 3 c m， 一跨 总重 增加 6 5 t 。桥面板厚度增加后 ， 提升塔架 向边跨侧倾 斜 位移为 5 3 mm， 较原设计位移 4 8 mm增加了 5 m m， 施工完成后对 提升跨 的提升并无影 响。桥 面板下 缘配筋为ff2 0 1 0 c m，上缘配筋为1 6 1 0 c m， 按 1 4 0 k N的后轴轴载并考虑 0 3的冲击系数计算 ， 下缘钢筋应力为 1 4 5 M P a ， 上缘钢筋应力为 1 2 0 M P a 。 桥 面板 加厚后 ，原钢桁 架结构杆件最大 拉压 应力 以及节点板验算也满足规范要求。 4 剪力连 接件设 计 4 1 剪 力连 接 件 选 择 除 了长 期的超载运行外 ，导致 原设计 的桥 面 板破损严重还有一个重要 的原 因 ：桥面板下混凝 土 垫块 压碎 或 缺失 导致 桥 面板 受 力模 式 发 生变 化。因此， 为了使混凝土桥面板与钢梁共同工作 ， 在两者之间必须设置剪力连接件。目前， 国内常用 的剪力连接件有剪力钉和开孔板连接件 。 剪力钉连接件受力没有方向性 ，不像开孔板 连接件需要考虑受力方向进行设置 ，剪力钉和钢 梁的连接需要专用焊接机， 操作技术不需要很高， 焊接质量容易保证。对于疲劳而言， 由于钢梁翼缘 弯曲应力和组合作用引起的截面剪应力的综合作 用， 加之剪力钉的焊接会带来焊接缺陷和焊接残 余应力， 因此疲劳裂纹总是始于剪力钉连接的焊缝 处 ，因此保证焊接质量对剪力钉疲劳强度以及构 件疲劳强度相当重要 。 开孑 L 板连接件是依靠 钢板 圆孔 中的混凝土 承 担钢与混凝土之间作用力 的新型连接件 。其破坏 形式是圆孔中混凝土的破坏，因此不存在疲劳破 坏 的问题 。这种连接件 的抗剪性能突 出， 如果在 圆 孔 中贯通钢筋 ， 可进一步增加连接件 的抗剪 刚度 、 强度和延性 。开孔板和钢梁之间通过角焊缝连接 ， 施工简便， 但用钢量较大。 该桥为维修项 目，所有焊 接工作均在现场完 成 ， 结合焊接质量和抗疲劳性能 ， 连接件采用开孔 板 连接件 。钢纵梁翼缘上设置两块 高 1 2 0 mm、 厚 1 2 mm的开孔钢板 ，开孔钢板 中心距为 1 2 c m， 钢 板 上设 置 间距 1 5 0 m m直 径为 6 0 mm的 圆孔 ， 孔 内贯通直径 1 6 m m的 HR B 3 3 5钢筋 。 4 2 结构分析 取 甲型跨建立计算模型( 未考虑提升塔架 ) ， 桁 架梁杆件为实际截面，混凝土桥面板采用梁格模 型。 在现有的数值模拟方法 中， 采用弹簧元对开孔板 连接件 的模拟是较 为方便 和准确 的，但是这种模 拟方式需要通过 大量 的实测数据来拟核开孔板连 接件 的抗剪 刚度计算式 。为简化计算 ， 剪力连接件 采用刚性连接模拟 ， 沿纵梁方向每延米一个 。全桥 共有 1 4 3 3个单元 ， 9 6 6个节点 ， 模型如图 3所示 。 图 3 结 构 整 体 模 型 开孔板 连接件的受力机理主要有三个方面 ： 一 是依靠孔 中混凝土和钢筋 的抗剪作用 承担沿 钢板 的纵 向剪力 ；二是依靠孔 中混凝 土和钢筋 的抗 剪 作用承担钢与混凝土 问的分离力 ；三是依靠 钢板 受压承担面外的横 向剪力 。 对于开孔板极限承载力计算式 的研究 ， 现在 已 有多种形式 ：一种是 以 L e o n h a r d t 为代表 的将 钢筋 抗剪作用考虑在孔中混凝土的抗剪作用中；一种 是考虑孔中混凝土和贯通钢筋的分别作用； 还有一 种不仅考虑孔中混凝土和贯通钢筋的抗剪作用 ， 还将开孔板底部的混凝土承压作用加 以考虑 ， 这 种计算式在桥梁结构中的应用较少，桥梁结构中 ( 下转第 1 0 7页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构 1 0 7 表 9工况 应 变结果表 工况 测点位置 实测挠度 mm 实测挠度 mm校验系数 间， 残余变形与最大变形之问的比值为 0 1 2 4 = 0 0 4 ， 满 足相关试验 规程 的限值要求 ， 表 明桥 梁结 构 的弹性工作性能 良好 。同时 ， 在工况 I I I的试验 车辆加载过程 中及加载前后 ，没有观测到结构性 裂缝的出现 。 5 结论 通过对既有大跨钢筋混凝土拱桥进行荷 载试 验 ， 进一步明确 了桥梁荷载试验的步骤 和重点。荷 载试验 的结果表明 ，所 检测桥梁 的各类 校验 系数 满足试验规程的要求， 弹性工作性能良好。本文所 做的研究工作对 同类 型桥梁 的检测 和评定具有借 鉴 意 义 参考文献 1 邵 旭东 桥梁工程【 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 7 【 2 吴文东 危旧拱桥综合加固技术探讨 J J 城市道桥与防洪 ， 2 0 1 0 ( 2) ： 8 8 9 1 3 王建华 ， 孙胜江 桥涵工程试验检测技术 M 北京 ： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 4 4 】 J T G T J 2 1 2 0 1 1 ， 公路 桥梁承载 能力评定 规程 S 【 5 谌润水， 胡钊芳 公路桥梁荷载试验 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 ( 上 接 第 1 0 3页 ) 所采用 的开孔板 连接件 主要为 多孔 抗剪 的形式 ， 底部混凝土的承压作用相对很小 ， 可忽略不计 。 H o s a k a 等人对 贯通钢筋的抗剪作用进行 了研 究 ， 将开孔板的抗剪极限承载力分为有贯通钢筋 和 无贯通钢筋两种。 在有贯通钢筋的计算式 中， 认为开 孔 板的极 限承载力 由孔 中混凝 土和贯通钢筋分别 作用 ， 通过试验数据的回归分析 ， 提出了计算式 ： r ， Q = 1 4 5 l ( d 一 d ) + l 一 2 6 1 0 0 N i s h i u m等人通过试验观察到开孔板连接件在 最 大荷载作用时 ， 贯通钢筋都 已屈服 ， 依据试 验数 据建立了计算式： Q 2 6 A c 1 2 3 A s A s A c 1 2 8 Q 2 6 A c 1 2 3 A s A s A c 1 2 8 钢混结合 梁中对 剪力件 内力影响 的因素 主要 有 ： 恒载( 包括二期恒载 ) ， 温度 、 混凝土收缩徐变 、 活载等。考虑最不利组合， 开孔板连接件每延米最 大 拉 拔 力 为 3 6 4 8 k N， 每延 米 最 大 横 向剪 力 为 1 3 3 4 9 k N， 每延米最大纵 向剪力 为 7 5 8 8 k N。根 据上述 H o s a k a公式 和 N i s h i u m公式计算 ，开孔板 抗剪板极限承载力满足使用要求 。 5 结论 开孑 L 板连接件具有抗剪强度大 、 不易疲劳等优 点 ， 在需要现场焊接 的维修项 目中 ， 更具有施工简 便 的优点。通过通车近一年 的检验 ， 维修后的海 门 桥行车舒适性及安全性均得到了大幅度提升。 参 考文献 1 占玉林， 赵人达， 毛学明 钢 一混凝土组合结构中剪力连接件承 载力 的比较f J 四川 建筑科 学研究 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 6 1 9 【 2 刘玉 擎 组合结 构桥梁 M 北京 ：人 民交通 出版社， 2 0 0 5 3 吴冲 现代钢桥【 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 4 赵晨 开孔板连 接件抗 剪性 能试验及设 计方 法研究 D 上 海 ： 同 济 大学 ， 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m