工字型钢梁及ECO铺装在旧桥重建中的应用与研究

黄国雄

(福州市规划设计研究院集团有限公司，福建 福州 350100)

0 前 言

近年来钢结构在城市桥梁建设中得到越来越广泛的应用，中小跨径的城市高架、立交桥梁常用的有钢箱梁和开口截面钢梁。国内学者对钢梁整体稳定、钢桥疲劳破坏等进行了丰富的研究。如彭力[1]对工字梁整体稳定系数的取值进行了研究；刘江等[2]研究了上形截面钢梁弯扭联合作用下整体稳定性；陈峻等[3]从不同角度分析了钢结构桥梁的抗疲劳设计。

由于旧桥改造重建工程具有特定的受限因素，本文结合福建省福州市二环路鹤林高架的危桥抢险重建项目，探索工字型开口截面钢梁结构合理的设计方案，并实现快速化施工需求。通过结构构造参数设计优化、数值理论分析、现场成桥试验等方面具体工作，验证了设计结构方案的合理性，对今后旧桥改造类似工程的设计与建设提供借鉴作用。

1 工程概况

鹤林高架桥位于福州市东二环主线上，因建造时间较早，长期重载交通流量过大，根据检测资料显示上跨三八路交叉口的主桥已处于危险等级，同时桥下净空不够，对交叉口行车产生重大安全隐患。因此，将主跨该五孔桥梁进行抢险拆除重建，旧桥现状如图1。

图1 旧桥现状图

该五跨桥梁的旧桥跨径布置为15+(20+30+20)+15(m)，全桥处于半径350 m的曲线上，两个边跨为异型整体现浇简支空心板结构，中间三跨为T构加挂梁结构，挂孔采用空心板，梁高90 cm。桥梁宽度为17.5 m，双向4车道，全桥均采用桩基础。

本次改造的方案是对旧桥的5跨上部结构及主跨两个T构桥墩进行拆除，保持跨径及分孔线均不变，主墩利用旧桥承台、桩基，新建钢管混凝土墩；其余桥墩均利用现状下部结构(矩形盖梁柱式墩)。上部结构采用钢梁结构。重建后桥梁效果如图2。

图2 重建后桥梁效果图

2 结构设计方案的确定

2.1 边界情况

拆除重建保持跨径及分孔线不变，前后相接的道路标高和交界墩顶标高均不变，且地面交叉口地下管线复杂，道路标高无法下压改造。同时受竖曲线线型指标影响，新建桥梁的上部结构梁高严格受限，梁高仅为90 cm。

2.2 结构断面形式选取

本项目位于福州市二环路主线上，中断交通的压力非常大，对项目中断交通的时间要求非常严格，需要尽量采用工厂化加工方案，减小现场钢结构的焊接量。通过多方的讨论发现在如此低梁高的情况下钢箱梁内部加工焊接质量保证、现场纵横向分段的处理与总体施工时间之间是很难都满足的。因此考虑采用开口工字型截面钢梁方案，但受梁高的限制，需对整体受力性能进行重点计算研究，本项目引进了新型的桥面铺装方案，取消了桥面混凝土现浇铺装层，将厚度更充分地提供给钢梁结构。

钢梁桥面采用正交异性板结构，钢梁顶板纵肋、悬臂板纵肋采用T型加劲肋。横截面采用9根主梁，底板采用开口式结构，底板宽度为600 mm。顶板厚度全桥统一采用20 mm,底板厚度跨中采用35 mm,支点处采用45 mm。

主墩利用旧桥承台、桩基，将现状T构及桥墩拆除，保留原墩柱的主筋，通过在承台上方现浇50 cm钢筋混凝土对主墩承台进行加固处理，并新建4根钢管混凝土墩，横断面见图3。

图3 工字型钢梁主墩支点横断面图(单位：cm)

2.3 桥面铺装方案

桥面铺装下层采用3 cm改性聚氨酯混凝土+面层采用4 cm SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料，防水粘结层采用改性聚氨酯防水粘结材料，上下层粘层采用HYE粘结材料。桥面铺装结构如图4所示。

图4 ECO桥面铺装结构图

该新型桥面铺装与钢桥面之间具有较好的层间结合力，优良的温度稳定性能和抗疲劳开裂性能，并且无需养护时间，可以直接施工面层沥青，尤其适用本项目的工期控制要求。

3 结构受力数值分析

3.1 上部空间杆系有限元模型

采用有限元软件MIDAS Civil建立上部结构空间梁格计算模型，根据结构的受力特点横向划分为9片工字型纵梁，横梁均只考虑其刚度，重量通过均布荷载模拟，分析得到最不利纵梁的应力和挠度。空间分析计算模型如图5所示。

3.2 应力计算

根据计算结果显示，极限状态下各跨钢梁的最大正应力、剪应力分别如图6～7所示。

图6 最不利纵梁顶底缘正应力包络图

图7 最不利纵梁剪应力包络图

由图8可知，最大正应力为185 MPa，最大剪应力为73.4 MPa，满足规范要求。

3.3 扰度计算

极限状态下钢梁的应力如图8所示。

图8 最不利纵梁挠度包络图

由图8可知，钢梁最大挠度为40.1 mm小于L/500，即60 mm,满足规范要求。

3.4 疲劳计算

疲劳Ⅰ荷载作用下最不利纵梁应力如图9～10所示。

图9 疲劳荷载下最不利纵梁顶板应力包络图

图10 疲劳荷载下最不利纵梁底板应力包络图

由图可知，钢梁最不利应力幅值为40.6 MPa，出现在主跨跨中下缘。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)[4]第5.5.4 条进行验算，底板疲劳验算的最不利构造细节是横隔板与底板焊接处，疲劳细节类似的，常幅疲劳极限ΔσD=59 MPa。根据式(5.5.4-1)，验算情况40.6 MPa<59/1.35=43.7 MPa，满足要求。

4 结构设计主要参数敏感性分析

为研究该钢桥参数设计的合理性，选取横梁间距和横梁刚度进行参数分析，得到不同的横梁间距和横梁刚度对钢桥受力的影响。

4.1 横梁间距影响

本桥小横梁标准间距选取1、2、3 m分别进行分析，结果如图11～12所示。

图11 不同横梁间距下顶底缘应力包络图

图12 不同横梁间距下挠度包络图

由图11～12可知，横梁间距为1 m和2 m对钢桥的应力、挠度几乎没影响，而横梁间距为3 m时，比横梁间距为2 m时，正应力增大了约18.3%，挠度增大了约21.2%。结果表明横梁间距2 m以下时，横梁间距减小对主梁受力的影响不大，会增加造价及现场焊接施工工作量，而横梁间距加大，会对主梁应力、挠度有较大影响，最终横梁间距采用2 m。

4.2 横梁刚度影响

小横梁标准壁厚选取12、16、20 mm分别进行分析，结果如图13～14所示。

图13 不同横梁刚度下顶底缘应力包络图

图14 不同横梁刚度下挠度包络图

由图13～14所示，横梁壁厚16 mm和20 mm对钢桥的应力、挠度几乎没影响，而当横梁壁厚为12 mm时，相比横梁壁厚为16 mm时，正应力增大了约9.6%，挠度增大了约11.7%。结果表明横梁壁厚超过16 mm时，横梁壁厚的加大，对主梁受力的影响不大，增加造价对结构贡献不大。而横梁壁厚的减小，主梁应力、挠度均会明显增大。因此，本项目最终横梁壁厚采用16 mm。

5 现场静载试验

静载试验采用汽车加载方式，采用5个加载工况，加载内容及试验荷载效率具体情况如表1所示。

表1 加载内容及试验荷载效率

挠度测试结果表明：在三个工况试验荷载作用下，所测主梁挠度校验系数分别为0.66～0.92、0.49～0.80、0.47～0.70，均满足校验系数小于1.0的要求；主梁最大相对残余变形分别为0.94%、1.03%、1.10%，小于规定限值20%的要求。

应变测试结果表明：在五个工况试验荷载作用下，所测主梁应变校验系数分别为0.58～0.91、0.54～0.64、0.57～0.74、0.50～0.63、0.50～0.65，均满足校验系数小于1.0的要求；主梁最大相对残余应变分别为0、2.12%、0、1.37%、0，小于规定限值20%的要求。

6 动载试验

在各跨的L/4、L/2、3L/4截面对应的桥面上，放置脉动测点传感器。采用环境随机振动法测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥梁结构微幅振动响应，以分析桥跨结构的自振特性。

桥梁实测竖向一阶自振频率为4.40 Hz，大于有限元理论分析得到的竖向一阶自振频率3.47 Hz，表明桥梁实际成桥整体性能良好。

7 结论与建议

本文以福州市二环路鹤林高架改造工程为工程背景，通过分析工字型开口截面钢梁的设计参数对结构受力性能的影响，并通过与成桥的试验数据验证对比，结论如下。

1)工字型开口截面钢梁在梁高受限的旧桥改造中利用是合理适用的。

2)横向连接体系的刚度对桥梁整体受力有重要影响，但并非完全成线性关系，需通过精细分析计算，综合结构受力、造价和施工情况合理选择。

3)结合运营情况表明聚氨酯混凝土钢桥面铺装在旧桥改造中的利用是可行的，对工期控制是较有利的，可以为类似项目提供借鉴意义。

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