朱 靜

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

對于跨線橋梁，設(shè)計(jì)中較少考慮由于橋下交通運(yùn)行的特殊性、重要性及橋梁運(yùn)營通車后無法或很難中斷交通而進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)維護(hù)的現(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)而造成對此類橋梁運(yùn)營期間進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)維護(hù)時十分困難，使得維護(hù)人員及維護(hù)設(shè)備無法進(jìn)行正常工作，對橋梁無法進(jìn)行定期的維修和養(yǎng)護(hù)，加速了橋梁病害發(fā)展，影響橋梁的安全運(yùn)營，甚至導(dǎo)致橋梁損壞拆除，大大縮短了橋梁的壽命周期，同時拆除此類橋梁對橋下公路或鐵路等的正常運(yùn)行造成巨大的影響，對經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等造成巨大的損失[1-2]。

因此，本論文就跨線橋梁運(yùn)營期面臨養(yǎng)護(hù)維護(hù)十分困難等問題日益突出的現(xiàn)狀，針對基于長壽命理念的跨線橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，意在通過對結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)造措施、高耐久性材料應(yīng)用技術(shù)，以及施工工藝的研究，盡可能多地延長跨線橋梁的少維護(hù)使用壽命，減少此類橋梁維護(hù)的次數(shù)，最大限度地降低對橋下運(yùn)營中的鐵路、公路等交通影響，并能夠達(dá)到合理優(yōu)化和節(jié)約橋梁建設(shè)資金、延長橋梁的使用壽命、降低橋梁正常的維修養(yǎng)護(hù)成本的目的。

“長壽命理念”是指綜合考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及全壽命周期成本等因素，提高跨線橋梁的耐久性，減緩其病害的發(fā)展，減少并易于橋梁的后期養(yǎng)護(hù)維修工作，延長其壽命。

1 基于長壽命理念的跨線橋梁結(jié)構(gòu)形式比選

1.1 T梁混凝土結(jié)構(gòu)形式

T梁結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，在T梁橫隔板設(shè)計(jì)中，加大了下緣鋼筋的直徑。優(yōu)化T梁預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置，取消了平彎。取消了腹板下緣馬蹄的設(shè)置，方便了設(shè)計(jì)和施工。

從撓度分析，梁高最小不小于1.2m，翼板端部厚度應(yīng)介于13～15cm，翼板根部厚度應(yīng)介于18～20cm。梁高在1.2～1.4m階段，混凝土的壓應(yīng)力受翼板厚度的影響越來越不明顯；翼板端部厚度在13～17cm，翼板根部厚度在18～22cm時，混凝土的壓應(yīng)力受翼板厚度的影響越來越不明顯。

腹板寬度不變時，翼板端部的厚度應(yīng)在13～17cm(梁高的10%～13%)之間為宜，翼板根部的厚度應(yīng)在18～22cm(梁高的13.8%～16.9%)之間為宜；梁高應(yīng)在1.2～1.4m(跨徑的8%～9%)之間為宜。

綜合比較考慮了混凝土拌和、梁體預(yù)制、底模板、現(xiàn)澆、運(yùn)輸、安裝等建筑安裝費(fèi)用以及后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用、對橋下交通社會影響全壽命周期費(fèi)用。通過比較可以得出在8～20m跨徑范圍內(nèi)，建設(shè)初期預(yù)制T梁費(fèi)用比空心板梁僅高10%左右，但考慮橋梁全壽命周期的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空心板梁。

圖1 混凝土T梁橋加中載時模型(1/2跨)

圖2 混凝土T梁橋加偏載時模型(1/2跨)

1.2 鋼混組合結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際工程中，鋼主梁上下緣的最大應(yīng)力值、橋面板上下緣的最大應(yīng)力值、鋼主梁和橋面板的剪應(yīng)力值以及主梁撓度是需要特別關(guān)注的。以混凝土橋面板的厚度、鋼主梁上翼緣板的厚度、鋼梁底板厚度、鋼梁腹板厚度、腹板高度、混凝土強(qiáng)度以及鋼材標(biāo)號做為以上應(yīng)力值的影響因素，探討影響因素的改變對組合梁各個應(yīng)力指標(biāo)以及極限承載力的影響，并結(jié)合混凝土方量和鋼材的用鋼量，對組合梁截面進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。得出結(jié)論如下：

圖3 鋼混組合梁參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

(1)主梁抗彎極限承載力：隨著混凝土橋面板厚度增加而增大且增幅明顯，設(shè)計(jì)時可適當(dāng)增加混凝土橋面板厚度；受鋼梁翼板厚度影響較小；隨鋼梁底板厚度增大而增大且增幅較為明顯；隨腹板厚度增大而增大，增幅不十分明顯；隨主梁高度增加而增大，增幅較為明顯；隨混凝土強(qiáng)度增大而增大，隨鋼材強(qiáng)度增大而增大，但增幅均不十分明顯。為獲得較高的承載力，應(yīng)優(yōu)先考慮優(yōu)化截面尺寸，加大混凝土橋面板及鋼梁底板厚度，其次再考慮提高材料強(qiáng)度。

(2)對主梁構(gòu)件的構(gòu)造提出如下優(yōu)化建議：腹板厚度16～25mm；高跨比1/17～1/22；底板厚度20～35mm；翼板厚度15～20mm；橋面板厚度200～350mm；混凝土宜采用高強(qiáng)混凝土。

2 跨線橋梁構(gòu)造措施研究

跨線橋構(gòu)造上宜采用耐久性較好的防撞護(hù)欄、支座、伸縮裝置等，對不易維修更換的構(gòu)造局部進(jìn)行加強(qiáng)，提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

針對普通支座已發(fā)生老化、脫空、養(yǎng)護(hù)不便等問題，通過研究，提出適用于寒冷地區(qū)新型高耐久性支座的性能要求，可實(shí)現(xiàn)跨線橋梁支座安全可靠、經(jīng)久耐用、性能穩(wěn)定、減震耗能等優(yōu)勢。

2.1 耐久性支座

2.1.1材料方面

(1)采用新型材料，替代原有板式橡膠支座的加勁鋼板。保證豎向、橫向剛度的同時，減小加勁鋼板對橡膠支座橫向剪切能力的束縛，提高支座位移能力。

(2)采用高阻尼橡膠材料，使支座具有高阻尼橡膠支座良好的阻尼滯回耗能能力。

(3)采用耐低溫橡膠能廣泛應(yīng)用于低溫地區(qū),材料耐低溫達(dá)到-60℃以下,所在-30℃地區(qū)使用橡膠才能性能不變,具有使用價值。

2.1.2性能方面

(1)提高支座的剪切變形能力，此外，較小的面外剛度使支座可以發(fā)生翹曲滾動，以實(shí)現(xiàn)更大的水平位移。

(2)支座高阻尼橡膠的特質(zhì)，使得支座具有了良好的減震耗能能力。

(3)支座橡膠中摻入的有機(jī)鈷鹽，可有效增強(qiáng)橡膠和加勁材料鋼絲網(wǎng)間的粘結(jié)，從而保障支座穩(wěn)定的受力性能。

(4)支座加勁材料鋼絲網(wǎng)周邊采用焊接處理，使加勁層對橡膠在豎向力下的橫向膨脹有更大的約束力，提高支座的豎向承載能力。

2.2 檢修平臺及檢修車設(shè)置

由于跨線橋梁的特殊性，結(jié)構(gòu)應(yīng)預(yù)留檢查或維修空間，便于構(gòu)件維修與更換，如圖4所示。

圖4 檢測車及檢測平臺設(shè)置

(1)為便于鋼箱梁的養(yǎng)護(hù)與檢查，設(shè)置梁底檢查車。

(2)在鋼箱梁兩側(cè)的檢測車端部位置均設(shè)置液壓升降平臺，以便從檢測車直接到達(dá)橋面，檢測車設(shè)置踏步等設(shè)施方便車輛啟動前檢修人員可由橋面進(jìn)入檢測車。

3 高耐久性材料應(yīng)用技術(shù)研究

3.1 高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)

采用高強(qiáng)高性能混凝土可以減小截面尺寸，減輕自重，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。高性能修補(bǔ)混凝土指摻加一種或多種優(yōu)質(zhì)礦物摻料和高性能減水劑、較低水膠比和較少水泥用量，具有良好的粘結(jié)與力學(xué)特性、工作性、密實(shí)性、耐久性的水泥混凝土[3-4]。

處于多種劣化因素綜合作用下的混凝土結(jié)構(gòu)宜采用高性能混凝土。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件，高性能混凝土應(yīng)滿足下列一種或幾種技術(shù)要求：

(1)水膠比不大于0.38。

(2)56d齡期的6h總導(dǎo)電量小于1000C。

(3)300次凍融循環(huán)后相對動彈性模量大于80%。

(4)膠凝材料抗硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)的試件15周膨脹率小于0.4%，混凝土最大水膠比不大于0.45。

(5)混凝土中可溶性堿總含量小于3.0kg/m3。

高性能混凝土相關(guān)性能指標(biāo)建議：

(1)高效減水劑可以增加坍落度，但坍落度經(jīng)時損失隨之加大，選用減水劑時應(yīng)測定混凝土坍落度與坍落度損失時間。

(2)影響坍落度因素：砂率增加1%坍落度增加20mm，增加粉煤灰摻量可以減小坍落度。增大水灰比可有效地減小坍落度損失。礦粉+粉煤灰可以有效降低坍落度經(jīng)時損失率，泵送混凝土建議按照擴(kuò)展度450～550mm、坍落度180～220mm。倒坍落度筒流下時間以5～25s的指標(biāo)對混凝土流動性、黏度進(jìn)行控制。

3.2 耐候鋼應(yīng)用技術(shù)

向普通碳鋼中添加少量的銅、鉻、鎮(zhèn)、銀等合金元素?zé)捴贫傻匿摲Q為耐候鋼，此鋼在保證其力學(xué)性能的同時，抗腐燭性能為普通碳鋼的2～8倍，而且隨著時間的增加，其耐腐蝕性能的增加更為明顯。在大氣環(huán)境中經(jīng)過幾年的服役后，耐候鋼的表面形成一層穩(wěn)定、致密的銹層，它可以阻止基體的進(jìn)一步銹蝕。因此，耐候鋼以良好的耐蝕性能，優(yōu)良的力學(xué)性能和較好的焊接性能廣泛用于集裝箱、鐵道車輛及橋梁[5]。耐候鋼橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

(1)伸縮件：采用非排水型。

(2)橋面板：設(shè)置高性能的防水層。

(3)排水系統(tǒng)：把排水管口伸到鋼梁下翼緣以下，并且確保排水管不漏水。

(4)鋼梁端部：鋼梁腹板設(shè)置切口，確保通風(fēng)或?qū)Χ瞬窟M(jìn)行防銹處理。

(5)鋼梁下翼緣的截水：設(shè)置截水板，防止鋼梁端部的排水向跨中流入。

(6)鋼梁下翼緣的排水：設(shè)置排水坡度。

(7)護(hù)欄：確保護(hù)欄接頭處止水。

4 結(jié)論

針對跨線橋梁養(yǎng)護(hù)維護(hù)困難等問題，對混凝土橋梁、鋼橋以及鋼混組合橋梁，從結(jié)構(gòu)合理性、耐久性、施工便捷性，以及全壽命周期經(jīng)濟(jì)性等角度出發(fā)，優(yōu)選適用于遼寧省地區(qū)基于長壽命理念的跨線橋梁結(jié)構(gòu)形式，并針對此結(jié)構(gòu)形式橋梁就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及易于后期養(yǎng)護(hù)的角度出發(fā)，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，有針對性地提出跨線橋梁設(shè)計(jì)對策，保證橋梁有較好的耐久性，減少橋梁的后期養(yǎng)護(hù)工作并易于橋梁的后期維修工作。同時研究成果可為國內(nèi)同行在跨線橋梁的長壽命設(shè)計(jì)方面提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)的技術(shù)依據(jù)。在跨線橋梁長壽命設(shè)計(jì)理論的研究過程中，在一定的研究工作的基礎(chǔ)上，主要研究成果歸納如下：

(1)跨線橋梁設(shè)計(jì)對策包含了：結(jié)構(gòu)整體性、連續(xù)性和冗余性原則；可檢性、可修性和可替換性原則；重視施工因素、優(yōu)化施工工藝與工序設(shè)計(jì)對策。

(2)針對跨線橋梁，跨徑在8～20m主梁宜采用混凝土T梁，梁高取值1.2～1.4m(跨徑的8%～9%)。

(3)跨徑在30m以上主梁宜采用鋼混組合梁，高跨比一般選用1/17～1/22，梁高受限的特殊情況選用1/22～1/25；腹板厚度16～25mm；高跨比1/17～1/22；底板厚度20～35mm；翼板厚度15～20mm；橋面板厚度200～350mm。

(4)構(gòu)造上宜采用耐久性較好的防撞護(hù)欄、支座、伸縮裝置等，對不易維修更換的構(gòu)造局部進(jìn)行加強(qiáng)，提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；同時設(shè)置檢修平臺及檢修車等構(gòu)造措施，從設(shè)計(jì)之初將便于養(yǎng)護(hù)維修的理念融入其中。

(5)耐久性材料宜選用高性能混凝土和耐候鋼，提高材料的使用壽命。

(6)施工工藝可采用預(yù)制安裝、懸臂施工、轉(zhuǎn)體、頂推等，對橋下交通減少影響。