一种国外桥梁快速修复的方法——轻质复合钢板和弹性桥面板在缩短工期、减小预算方面的应用
  创建时间: 2016-03-04 13:59

在埃德蒙顿道森桥的维修中,采用了一个轻质带沥青的钢桥面系统来代替传统的更换混凝土桥面铺设的方法,该方法避免了大规模的结构性维修减少造价且缩短了工期。该系统采用包含坚实弹性芯复合钢板,虽然这一材料早已应用在造船业中,但在桥梁建筑中鲜见应用。

这座6.5英寸半钢纤维轻质混凝土桥面面临一个很重要的问题是它浇筑于1986 年,使用的旧木材则出自20 世纪40 年代。尽管其相对轻质的材料有益于控制恒荷载,但是薄混凝土桥面不宜抵抗开裂,尤其是这个城市面临太多的关于混凝土桥面横向地板梁甲基丙烯酸甲酯表面膜的维修问题。混凝土桥面已经减少到只有2.5英寸厚,几乎无法控制开裂。

工程师采用4轴,63.5 吨CS3评估车进行桥梁荷载等级评定。在选定评估车最大荷载时要考虑桥梁的垂直净空和位置的限制。评估结论表明,大量桁架构件需要进行加强或更换,以满足安全要求,延长桥梁寿命。目前修复的方法越来越多,显然,采用一个轻质桥面板来代替现有的桥面板是一个十分经济的方法。传统方法需要将桥面板对现有的桁架构件进行替换或加强,花费巨大,同时对现有连接的修复也同样困难。此外,它还会造成对桥墩,桥台和基础荷载过大。设计团队的结论是采用一个轻质钢板桥面系统来代替现有的半钢纤维轻质混凝土桥面,这样节省自重之后可以用于额外的活荷载,拓宽人行道。有3 种方案可选择:光栅、正交异性钢桥或由新型复合钢板和弹性系统,称之为夹心板系统(SPS)。光栅作为其中的一种选择被迅速淘汰,因为它会增大道路的噪声影响到附近的河谷社区正交异性钢板看起来是个不错的选择,但是要在不提高基准线的情况下清理桥面梁顶部相当具有挑战性,此外对于疲劳产生的裂缝也相当敏感。


(经过大量的研究,设计团队建议采用SPS 方案,认为SPS 技术能够提供质量轻,厚度薄的最佳组合,从而对道森桥进行重建)


创新点及风险控制SPS

复合钢板及弹性系统最初是由英国一家从事海洋船体和甲板生产的智能工程有限公司开发的。SPS 复合钢板是采用两片相对薄钢板,通过热固性弹性体核心进行连接,最终产品是一种具有大刚度和强度,但相对轻质的复合板。桥面板的制作采用传统的钢铁制造技术。首先,沿着底部钢板的周边采用连续角焊缝焊上“周边栏”。然后放低上部钢板搁置在周边栏上,在周边角焊接。这样就形成了一个内空的钢板。弹性液体通过一个端口注入,在一个小时内会发生固化形成核心。道森桥中使用的钢板为3.8英寸,弹性核心体为1英寸,组成的复合钢板总厚度只有13/4 英寸。组合桥面板大致为6英尺1英寸宽,28英尺长。

Dialog设计团队判断风险控制中最主要的方面是对邻近的SPS桥面板进行新连接。世界各地采用了SPS 技术的大量桥梁都涉及到焊接技术——这种技术成本高昂,质量控制也十分不易。与现场焊接相关的问题包括容差,焊接过热造成的弹性核心与钢板的脱离以及焊接缺陷,这有可能造成过早疲劳开裂。采用“车间焊接,现场螺栓”的黄金法则。螺栓连接的施工速度大幅提高,成本显著降低,在使用摩擦型连接时采用D类节点(依据焊缝几何形状来确定)提高疲劳性能。SPS 桥面板之间采用上覆盖板的方式进行连接,盖板上部一排采用美国ASTM 的3/4 英寸预应力A325 螺栓。钻孔螺栓使得连接后的桥面板除去拼接板本身的厚度之外表面平整。这样的表面喷砂以后就能铺设防水卷材和沥青。纵向桥面板拼接设计的与下部平台纵梁对齐。这一设置使纵梁上翼缘板可以充当拼接板底部的连接,节省了重量和复杂性。纵梁采用W18×50型钢,弯曲刚度比设计要求要大,但翼缘宽度足够在每边的腹板上钻孔。在横向桥面板距离平台梁较近时,为避免冲突,在顶部和底部同时使用拼接板。为了满足密封性的要求,需要使用足够多的螺栓,桥面负弯矩可以通过支撑纵梁得到转移。这种非常简单的连接方法,使得桥面板易于加工制作及随后搭建。使用类似的螺栓连接,交通隔音板沿着桥面长度方向和桥面边缘纵梁螺栓连接在一起。作为风险控制计划的一部分,在加拿大阿尔伯塔大学进行了三个1:1比例的纵向螺栓连接桥面板小模型的疲劳试验。这些试验表明,这种新型的连接节点可以承受实际运营中最大荷载的两倍大小的疲劳荷载。


(Dialog 设计团队开发了独一无二的螺栓连接技术来连接SPS桥面板,完全消除了现场焊接的需求)


创新的益处

因为复合钢板可以在车间内加工完成,桥面定位铺装十分快捷,整个桥面铺装在2010年7-8 月间的6个星期里面全部完成。这个速度使得价值1700万美元的修复工程在12 个月内完成。如果采用传统的混凝土桥面体系技术将延长项目进度计划至少18个月,同时因为加强桁架增加数百万美元的投入,并造成许多技术问题。道森桥的成功推进了桥梁技术的进步,为埃德蒙顿市节约了成本,同时在一个单一的施工季中完成了修复工作。

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