钢－混组合梁在国道217线库车河桥危桥改造中的应用

邱志龙 张良 刘冬林

摘 要：钢-混组合梁在危桥改造中，充分发挥了钢-混组合梁的优点，强度高，重量轻，抗震性能好，耐久性优良;施工占用场地少，无环境污染，工期短，节省大量模板，因上部重量轻可充分利用原桥下部的资源，应用前景广阔。本文将从工程设计的角度详细阐述国道217线K991+817处库车河桥在改造中运用钢-混组合梁的工程应用实例。

关键词：危桥改造;钢-混组合梁;坡弯桥;高强螺栓;技术应用

中图分类号：U448.21+6 文献标识码：B

0 引言

钢-混组合结构可以充分发挥钢材受拉，混凝土受压的这一材料优点，钢-混结构具有自重轻、材质均匀、质量稳定、易于工厂化制造、装配化施工、便于回收利用等优点，可以有效提升公路桥梁的建设品质，提高结构安全耐久性，降低全寿命周期成本，促进公路建设的转型升级、提质增效，符合新时代公路桥梁建设的发展要求。

1 原桥概况

国道217线为新疆阿勒泰市至新疆塔什库尔干县的公路，简称阿塔线，道路等级为二级公路，路基宽12.0 m;K991+817处库车河桥桥梁全宽12 m，设计荷载为公路-I级（2004标准），本桥修建于2011年11月。

库车河桥原桥上部采用1-40 m刚架拱桥，原桥下部采用重力式U型桥台。原桥位处路线纵坡为2.0%，路面单向横坡为3.4%～6.2%之间，且本桥桥位处于曲线弯道上（半径R=305 m），属于坡弯桥，受力复杂。同时，国道217线为连接南北疆的交通要道，交通量大且重載车多，主要为能源（煤炭）、资源（矿石）和旅游车辆，且桥梁附近焦化厂不经过治超检查站，区间超载车辆多;直接导致桥梁在投入使用后7年时间内成为危桥。 桥位处地震烈度区（8°）;桥位处设计洪水流量为285 m³/s。

2 设计方案

2.1 病害原因分析

（1）刚架拱的拱片尺寸小、跨径大、横向连接弱（整体性差），在车辆荷载作用下桥梁整体震动较大，长期的频繁震动导致刚架拱片与横系梁的联结部位开裂破损，引起横系梁裂缝增多。（2）本桥位设置于公路弯道上（R=305 m），桥梁纵坡2.0%，在汽车荷载作用下桥的结构受力非常复杂，不光在桥面作用竖向压力沿路线纵向产生水平力，桥梁横向也产生较大的水平力（汽车荷载离心力）。煤矿重载车辆多，特别是区间重载车辆（煤矿至焦化厂段）之间无限制，在重载作用下导致刚架拱肋节点纵梁出现结构性U型横向裂缝，缝宽为0.3～1.0 mm;原桥上部结构主要构件（主拱肋及系梁）评定为四类，急需改造。

通过现场水文调查结合历年水文站观测数据，经水文计算可知原桥过水能力能满足洪峰期间桥下泄洪的要求;根据地勘报告及现场勘查情况，在调取原桥竣工图纸后，发现桥台基础已楔入岩层，其抗冲刷和竖向承载力均满足要求;由于原桥梁桥台结构型式为重力式桥台，经验算其抗倾覆、抗推移均满足要求。

2.2 针对以上主要问题具体方案如下

（1）利用下部桥台改造上部，拆除老桥上部结构，将原桥的一跨改为两跨提高梁的刚度，增加一个桥墩可以将坡弯桥产生的横向力更好地，更均匀地传递给桥墩和桥台。（2）根据桥位处交通量调查分析，显示主要为重车多，加大梁的截面高度，能增大梁体的截面惯距。（3）加强主梁之间的横向连接、提高梁的整体强度。（4）根据施工质量、进度、工程费用、后期养护全寿命周期和受力特点，结合桥位所处重载交通，高地震烈度区（8°），桥位位于坡弯桥的特殊情况，受力条件复杂、施工困难（桥面距河床底14 m高）等情况。

综合桥型方案比较选用2孔22 m钢混凝土组合梁桥。

设计方案：（1）拆除原桥梁上部结构（主拱肋、桥面系等）、部分侧墙及前墙。（2）桥跨中心新建桩基柱子接盖梁桥墩，桥台新建台帽、恢复两侧侧墙。（3）主梁采用2-22 m钢-砼组合梁，利用老桥桥台。

3 钢梁安装技术要点

3.1 高强螺栓连接

本次设计高强螺栓采用双螺帽高强螺栓，尺寸为M24-10.9s，螺栓孔径为26 mm，高强螺栓连接副齐全一颗螺栓、一颗螺母、两片垫圈配套齐全使用。

（1）高强螺栓连接处的构件接触面（角钢、加劲板）应采取喷砂处理，增加构件摩擦系数，同时防止连接处产生锈蚀。

（2）高强螺栓设计预拉力P=225 kN。

施工扭矩 T=0.15×1.1×255×4=891 N.m。

扭矩扳手（宜使用带数字显示）必须进行标定，且标定需待检验合格后方可使用，扭矩值偏差不宜超过设计值的±3%。

高强螺栓拧紧检查验收合格后，应按要求对其表面进行除锈、防腐处理。

（3）施拧要求：1）对钢梁拼装的要求：角钢、加劲肋拼装前对接触面应清除油、残留物等，螺栓孔内的残留物应同时清理干净，螺杆破损、弯曲、存在锈蚀、沾染灰尘等情况不能使用。 2）连接件拼装前备好扳手、临时螺栓、撬棍、钢丝刷等工具，对钢板摩擦面进行清理，摩擦面不能有油漆、污泥、水、孔的周围不应有毛刺。遇到安装孔有问题时，严禁将螺杆打入螺栓孔内，也不得使用气割扩孔，建议使用绞刀对螺栓孔进行修正，修正后的孔径不应超过1.2D（D为螺栓直径），修正后应再一次清扫孔周围残留物。高强度螺栓连接面板间应贴紧不得留缝。安装时同一侧面上高强螺栓螺杆方向一致。3）钢梁现场拼装中的高强螺栓施拧工艺，允许分步进行，先施拧固定连接件后对高强螺栓复拧，但具体操作须由在场技术员来确定。4）垫圈一侧有倒角，穿放时将有倒角的一侧贴向连接件支承面，不得装反，螺母有标志一侧应朝外。5）大六角头高强度螺栓拧紧时，只准在螺母上施加扭矩。6）相邻两根梁之间的高强度螺栓应在同一天完成。7）安装角钢、加劲肋的摩擦面应保持清洁、干燥，并不得在雨中进行安装作业。

4 改造后桥梁的技术优势

4.1 重载交通对老桥台的利用优势明显

（1）将单跨改为两跨大大降低桥梁跨中弯矩、桥面作用竖向力沿路线纵向产生水平分力以及桥梁汽车荷载离心力对桥梁的影响。（2）自重荷载方面：桥台所承担的荷载由原荷载的350 t降低至现在的175 t。（3）由于利用老桥台，节省了大量建设资金。

4.2 钢-混组合梁结构方面优势

（1）由于钢梁均采用工厂化制造，解决了因预制梁体而选择预制场地的一系列问题。（2）由于钢梁均采用现场装配化施工（钢梁与水平撑、斜撑均为栓接连接）;因此，钢梁制作、安装精度高，施工质量容易保证。（3）针对工期紧张的情况，由于现场采用装配化施工，施工进度快，能满足工期要求。（4）钢结构桥梁抗疲劳、耐久性能好，可回收利用。

4.3 钢-混结构对弯坡等特殊形状桥梁方面优势

（1）由于坡弯桥梁受力复杂的特点，采用钢-混结构能充分发挥钢材在不同方向上的受力优势;因此，在与其他混凝土结构比选中，宜优先选用钢结构。（2）对高地震区，本桥位处位于8°地震区，由于钢-混结构自重较轻，钢结构材质均匀，具有很高的强度储备能力（承载能力高），对于桥梁抗震和抵御超载非常有利。

5 钢混凝土组合梁的设计技术

5.1 钢-混结构技术创新主要有以下几点

（1）钢梁顶铺装采用钢筋混凝土整体现浇板，整体性好。（2）钢梁顶面设计有圆柱头焊钉，与钢筋混凝土现浇板连接，各方向受力均匀，大大提高了钢梁与铺装的连接整体性。（3）在钢梁的横向联系方面：沿纵向采用了不等间距布置角钢水平撑和斜撑，即跨中挠度、弯矩大，横向联系布置间距小，可以更充分地发挥横向连接的作用。（4）横向联系采用角钢水平撑及斜撑的组合型，可以有效地将钢梁承受的竖向荷载分布于相邻钢梁上，对桥梁结构整体受力有利。（5）针对本桥横坡5%，横向水平推力较大，每根钢梁之间形成错台，导致水平撑、斜撑不在一个水平面，受水平拉力形成扭矩，将对腹板造成屈曲效应;本次设计在腹板处设置有多处钢梁加劲板，能明显克服腹板的屈曲效应。（6）由于本项目建筑高度为14 m左右，外悬臂支模难度较大，本次设计采用角钢悬臂支架;钢梁外悬臂混凝土部分采用钢梁外侧加劲肋预留支架螺栓孔位置，施工时可采用角钢等材料快速完成悬臂支模工序，降低施工难度，加快工期。

6 结语

（1）桥梁改造通车后，桥梁使用性能良好，大大提高了G217线的通行服务能力。（2）经济技术效益显著。国道217线K991+817处2-22 m钢混组合梁在危桥改造中的应用，可以使桥梁上部结构的重量大大减轻，可以充分利用下部结构老桥台，节省了拆除新建下部结构大笔建設资金。尤其对工期和通行能力有紧迫要求的危桥改造项目，可很快改造完投入运营使用。（3）新疆天山以南地区，气候干燥，常年干旱少雨，空气湿度小，对钢结构的腐蚀性影响小;后期养护投入费用少，因此钢结构在本地区具有较大优势;施工完成后的养护工作主要为定期检查高强螺栓的紧固性及定期涂刷防锈漆即可。（4）示范效应显著。通过本工程，总结出钢-混组合梁结构的适用情形：1）高地震、高烈度地域中需重点进行抗震设计的项目。2）因交通量大、超载频繁且难以控制等原因，对结构强度储备需求较高的项目。3）上部结构损毁严重，下部结构基本完好，或者受损构件经加固后能满足正常使用功能，但对上部自重有硬性要求的项目。4）对时间要求较紧张的抢修、保通工程，对周围环境、地貌及居民影响要求较为严格的项目。5）特殊线型结构，各受力工况复杂（如桥位处于纵坡较大、桥位处于弯道上等），对受力复杂、混凝土结构或预应力混凝土结构桥梁无法满足要求的特殊项目。

参考文献：

[1]交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见[J].公路，2016（8）：271-272.

[2]柳振兴.公安长江大桥斜拉桥钢桁梁高强度螺栓施工[J].中国科技纵横，2017（7）：106-108.

[3]交通运输部办公厅关于印发公路安全生命防护等三项工程典型案例的通知.2020（3）.

作者简介：邱志龙（1992—），男，湖南娄底人，本科，研究方向：土木工程道路桥梁，主要从事公路桥梁设计工作。