魯玉忠 王 玲

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

鋼—混組合梁橋在國外水電站專用道路上的應(yīng)用

魯玉忠 王 玲

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

闡述了國外水電站專用道路所處環(huán)境的特殊性，結(jié)合厄瓜多爾CCS水電站專用道路10座鋼—混組合簡支鋼板梁橋的設(shè)計，簡要敘述了簡支組合鋼板梁的特點及整體設(shè)計思路，重點介紹了美國橋梁規(guī)范鋼板組合梁橋的設(shè)計與計算，為相關(guān)橋梁工程的設(shè)計提供參考。

水電站專用道路，鋼—混組合梁，TBM

近幾年，中國水電企業(yè)在國外的水電站建設(shè)項目日益增多，并修建了大量的水電站專用道路。專用道路建設(shè)地點一般地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜，再加上國外對環(huán)保的高度重視，橋梁可供選擇的預(yù)制場地就非常有限；往往還受水電站所在國經(jīng)濟發(fā)展水平的制約，預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)相對落后?；陬A(yù)制場地受限、預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)落后，鋼橋相對混凝土橋投資又較高，鋼—混組合梁橋自然成為水電站專用道路上適宜的橋型。

鋼—混組合梁結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，可以最大程度地實現(xiàn)工廠化制造，減少現(xiàn)場操作，場地清潔較有保證，鋼材部分可回收利用，有利于環(huán)保、節(jié)能，具有整體受力的經(jīng)濟性與工程質(zhì)量的可靠性。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以減輕自重，減少地震作用，減少構(gòu)件截面尺寸，增加有效使用空間，降低基礎(chǔ)造價，節(jié)省高空支模工序和模板，工廠加工，不需要專門的預(yù)制場，縮短施工周期，增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性等。同鋼橋相比，可以減少用鋼量，增大剛度，增加穩(wěn)定性和整體性，降低建筑高度，減少沖擊，耐疲勞，減少鋼梁腐蝕，減少噪聲，維修養(yǎng)護工作量較少，增強結(jié)構(gòu)的抗火性和耐久性等。

1 工程概況

Coca Codo Sinclair水電站項目位于厄瓜多爾Napo和Sucumbios省內(nèi)，主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道及地下廠房，場內(nèi)專用道路是水電站建筑物和國道的連接通道，橋梁建設(shè)情況見表1。

2 鋼—混組合梁橋設(shè)計

簡支鋼—混凝土組合橋的橋面系由主梁、橫向連接系、混凝土橋面板、抗剪連接件及附屬設(shè)施等部分組成，適用跨徑15 m～80 m。

2.1 鋼—混組合橋梁設(shè)計方法

美國橋梁規(guī)范[1]采用荷載抗力設(shè)計法(Load and Resistance Factor Design)，我國《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)、《鋼—混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)中采用了極限狀態(tài)設(shè)計方法。兩國設(shè)計方法有差異[3]，美國規(guī)范是以可靠度理論為基礎(chǔ)，采用荷載抗力設(shè)計法，設(shè)計表達式?jīng)]有分項系數(shù)，而我國橋梁規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行設(shè)計。

表1 CCS水電站專用道路橋梁一覽表

2.2 主梁根數(shù)的選取

簡支組合梁的主梁間距比混凝土梁橋主梁間距大，橋面板橫橋向跨度一般可以做到2.5 m～4.0 m，橋面懸臂板為1.0 m～1.5 m，采用橫向預(yù)應(yīng)力橋面板時，橋面板橫向跨度可以達到6 m以上，主梁可減少至2根～3根。由于本項目橋梁為重載交通，不具備預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，故雙車道采用4根主梁，單車道采用2片根梁，主梁間距采用2.1 m～3 m。

2.3 簡支組合梁橋經(jīng)濟梁高的選取

經(jīng)濟性梁高的選用是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，主要考慮橋梁的承載力、剛度、經(jīng)濟性、地形地貌等因素。對于簡支鋼—混凝土組合橋由于承載能力高且自重較輕，主梁截面尺寸可明顯小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，跨徑15 m～80 m高跨比范圍為1/18～1/25[4]，對于有重載運輸要求的專用道路建議取1/15。

2.4 抗剪連接件設(shè)置

為發(fā)揮組合梁中鋼混兩種材料的組合作用，每根鋼梁上需設(shè)置抗剪連接件。目前常采用的抗剪連接件有栓釘、槽鋼、角鋼、彎筋、摩擦型高強螺栓等多種型式，且栓釘采用專業(yè)設(shè)備焊接，具有焊接質(zhì)量容易保證、施工速度快、造價低等優(yōu)點被廣泛采用。經(jīng)調(diào)研，厄瓜多爾市場無專業(yè)栓釘設(shè)備，本項目采用了槽鋼抗剪連接件。

2.5 連接系設(shè)計

為防止主梁側(cè)向失穩(wěn)、合理分配荷載、抵抗橋梁扭矩、便于主梁安裝架設(shè)定位等需要設(shè)置橫向連接系。橫向連接系根據(jù)構(gòu)造形式的不同有實腹式、桁架式、平聯(lián)式，結(jié)合當(dāng)?shù)貥蛄旱脑O(shè)計習(xí)慣，本項目采用桁架式連接形式，間距5 m～6 m。處于更換支座和檢修的需要，35 m跨以上橋梁梁端部采用實腹式橫向連接。

2.6 鋼梁防腐設(shè)計

為保證鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，一般采用油漆涂層防護體系，以達到隔絕空氣、防腐的目的。本項目防腐方案：表面除銹質(zhì)量等級達到Sa2.5級；鋼梁外油漆涂料采用三層：第一層：環(huán)氧富鋅漆(灰)，干膜厚度60 μm，一道；第二層：環(huán)氧云鐵中漆，干膜厚度120 μm，1道～2道；第三層：丙烯酸脂肪族聚氯氨酯面漆(顏色為銀灰色)，干膜厚度80 μm，兩道，三層涂料合計干模厚度為260 μm。建議類似工程采用耐候鋼。

2.7 材料選用

1)結(jié)構(gòu)鋼。主梁上部鋼構(gòu)件均采用A588-50(350 N/mm2)鋼材，fy=350 N/mm2，彈性模量E=1.998×105N/mm2，剪切模量G=7.579×104N/mm2，彈性泊松比v=0.3，線性膨脹系數(shù)為1.17×10-5/℃。

2)混凝土。行車道橋面板采用ASTM C5000psi混凝土，混凝土彈性模量Ec=2.8×104N/mm2，混凝土彈性泊松比v=0.2，線性膨脹系數(shù)為9×10-6/℃。

3 鋼—混組合梁橋結(jié)構(gòu)計算

3.1 設(shè)計荷載

1)結(jié)構(gòu)自重。結(jié)構(gòu)自重包括橋面板及結(jié)構(gòu)鋼自重，其中結(jié)構(gòu)鋼包括：鋼梁、連接系及抗剪連接件。

2)二期恒載。二期恒載包括瀝青橋面鋪裝、人行道、欄桿及其他交通附屬設(shè)施。

3)施工階段荷載。施工階段荷載按1.5 kN/m2考慮。

4)混凝土收縮徐變。上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變作用按ACI 318-08[2]相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

5)溫度荷載。溫度荷載包括整體升溫、整體降溫、結(jié)合梁正溫度梯度、結(jié)合梁負溫度梯度。整體升溫：13 ℃；整體降溫：-13 ℃。結(jié)合梁溫度梯度按AASHTO LRFD規(guī)范第3.12.3相應(yīng)條文執(zhí)行。溫度梯度如圖1所示，其中正溫度梯度：T1=23 ℃，h1=0.1 m；負溫度梯度：T1=-11.5 ℃，h1=0.1 m。

6)活載。a.汽車標(biāo)準活載按照AASHTO LRFD規(guī)范，取HL-93TRK最不利汽車荷載效應(yīng)；b.水電站施工特種活載：運輸TBM的特種荷載(軸距1.2 m，軸重150 kN，共10軸)；c.人群荷載3.6 kN/m2，見AASHTO LRFD 3.6.1.6；d.其他附加活載均按規(guī)范AASHTO LRFD取值。

7)靜風(fēng)荷載WS和WL。按照規(guī)范AASHTO LRFD第3.8條執(zhí)行?？紤]作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)WS和作用在車輛上的風(fēng)WL。結(jié)構(gòu)風(fēng)WS，上風(fēng)向荷載4.4 N/mm，下風(fēng)向荷載2.2 N/mm。車輛風(fēng)WL，上風(fēng)向荷載1.46 N/mm。

3.2 計算內(nèi)容

1)有效寬度計算。有效寬度直接影響組合梁的內(nèi)力計算以及撓度和抗剪連接件的設(shè)計，通常情況下，有效寬度的取值對承載能力極限的影響較小，但對正常使用階段變形驗算的影響較大。美規(guī)AASHTO LRFD第4.6.2.6.1條規(guī)定：

內(nèi)梁有效寬度取下列三種情況較大者：

a.有效跨長的1/4；b.混凝土板平均厚度的12倍，加上腹板厚度和大梁頂板寬度的1/2這兩者較大值；c.相鄰梁的平均間距。

外梁有效翼緣寬度可取相鄰內(nèi)梁有效寬度的1/2加上下列三種情況的最小者：

a.有效跨長的1/8；b.混凝土板平均厚度的6倍，加上腹板厚度的1/2和主梁頂板寬度的1/4這兩者中的較大者；c.懸臂的寬度。

2)截面特性計算。考慮在靜荷載下混凝土的徐變，當(dāng)作用在短期結(jié)合截面上的瞬暫荷載(如汽車活載)，板的面積應(yīng)該用短期模量比n來換算；對于作用在長期結(jié)合截面的永久荷載，板的面積用模量比3n來換算，n為主梁鋼材彈性模量與混凝土彈性模量的比值。

3)鋼板梁、連接系及橋面板的計算。每座橋梁采用“空間桿系程序Midas Civil”軟件，梁格法建立全橋模型，75 m跨全橋模型見圖2。建模進行靜力計算及穩(wěn)定分析，提取施工階段、使用階段內(nèi)力及變形，根據(jù)規(guī)范進行強度、剪力強度及橋面板應(yīng)力復(fù)核。剪切承載力應(yīng)考慮豎向加勁肋的貢獻。

4)焊接連接計算。焊接連接計算內(nèi)容包括鋼梁腹板與翼緣板角焊縫連接計算、風(fēng)撐與加勁肋角焊縫連接計算，根據(jù)計算確定焊縫長度及連接板尺寸。

5)橋面板計算。對混凝土橋面板特性的廣泛研究發(fā)現(xiàn)，橋面板抵抗集中輪荷載的主要結(jié)構(gòu)左右并不是像傳統(tǒng)上所認為的彎曲，而是一種復(fù)雜的稱之為內(nèi)部拱的內(nèi)部薄膜應(yīng)力狀態(tài)，這種分析方法稱為經(jīng)驗設(shè)計法。本項目根據(jù)AASHTO LRFD 9.7.2條，橋面板設(shè)計采用經(jīng)驗設(shè)計方法。

6)剛度計算。公稱活載作用下組合梁橋結(jié)構(gòu)剛度均不大于1/800。

7)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)特點及施工過程，對其成橋運營狀態(tài)進行穩(wěn)定性分析，在全橋滿載工況，并考慮恒荷載及風(fēng)載影響，最不利布載階段穩(wěn)定系數(shù)均遠遠大于4，穩(wěn)定性滿足要求。

除以上計算內(nèi)容外，尚應(yīng)根據(jù)AASHTO LRFD 6.10.10.4,AASHTO LRFD 6.6.1進行槽鋼剪力鍵及疲勞計算。

4 結(jié)語

通過設(shè)計實例，對采用美國規(guī)范的簡支鋼—混組合梁的設(shè)計、計算做了簡要介紹，本項目橋梁承受最大活載為運輸TBM的特種荷載，簡支梁單跨最大跨徑達75 m，具有重載、大跨的特點。本項目的設(shè)計，可為國外類似的橋梁設(shè)計提供經(jīng)驗，具有一定的借鑒作用。

[1] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Fifth Edition[S]. American Association of State Highway and Transportation Officials, 2010.

[2] ACI 318-11, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-11) and Commentary [S].

[3] 魯玉忠，于劍麗，宋銀平.中美公路橋梁設(shè)計規(guī)范對比研究[J].鐵道標(biāo)準設(shè)計，2013(5)：79.

[4] 聶建國.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2011.

Application of steel-concrete composite bridge on dedicated road of foreign hydroelectric station

LU Yu-zhong WANG Ling

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

This article describes the particularity of environment of dedicated road in foreign hydroelectric station. According to design of 10 steel-concrete composite bridges on dedicated road of Ecuador CCS hydroelectric station project, briefly illustrates the characteristics of steel-concrete composite bridge and the overall design ideas, highlights design and calculation of steel-concrete composite bridge in AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Provides reference for the design of bridge related.

dedicated road of hydroelectric station, steel-concrete composite beam, TBM

1009-6825(2014)30-0170-03

2014-08-10

魯玉忠(1981- )，男，工程師； 王 玲(1981- )，女，碩士，工程師

U448.34

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