趙 森 雷 政 馬春祥

(河南大建橋梁鋼構(gòu)股份有限公司,河南 鄭州 450000)

裝配式波形鋼腹板工字型組合梁試設(shè)計(jì)

趙 森 雷 政 馬春祥

(河南大建橋梁鋼構(gòu)股份有限公司,河南 鄭州 450000)

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)一種新型的波形鋼腹板工字型組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了改善組合結(jié)構(gòu)墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受力性能的方法，并簡(jiǎn)要介紹了裝配式波形鋼腹板工字型組合梁的施工過(guò)程，指出了裝配式波形鋼腹板工字型組合梁在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

波形鋼腹板，裝配式，組合梁

組合鋼板梁橋是由鋼板或型鋼等通過(guò)焊接、螺栓或鉚釘?shù)冗B接而成的工字型或者箱型截面的實(shí)腹式鋼梁作為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁[1]。工字型組合鋼板梁橋結(jié)構(gòu)受力明確，計(jì)算簡(jiǎn)單，制作與施工也比較方便，是一種經(jīng)濟(jì)耐久的橋梁結(jié)構(gòu)形式，在歐洲、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在法國(guó)，最近幾年建造的公路組合梁橋中有90%都是工字型組合鋼板梁橋[2]。

隨著工字型鋼板組合梁橋的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)其研究更加深入，一種新型的裝配式波形鋼腹板工字型組合梁逐漸被提出[3]。在新型裝配式波形鋼腹板工字型組合梁橋中，波形鋼腹板結(jié)構(gòu)代替工字型實(shí)腹鋼梁。由于波形腹板的波折效應(yīng)，腹板臨界屈曲應(yīng)力有著顯著提高，抗屈曲能力明顯增強(qiáng)[4-6]。波形鋼腹板的使用可以減少直至省略縱、橫向加勁肋，同時(shí)避免了大量的焊接工作，減少了由于焊接帶來(lái)的殘余應(yīng)力和焊接變形，使橋梁整體結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。

結(jié)合預(yù)制裝配式施工技術(shù)，波形鋼腹板工字型組合梁能夠進(jìn)行工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制生產(chǎn)，施工質(zhì)量得到有效保證的同時(shí)，大大縮短施工周期，節(jié)省工期和成本。

本文依托某公路跨S河特大橋項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)，闡述了新型裝配式波形鋼腹板工字型組合梁的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)，探討了解決連續(xù)組合結(jié)構(gòu)墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板開裂破壞問(wèn)題的措施。

1 工程概況

S河特大橋?yàn)槟呈〉拦讽?xiàng)目，全長(zhǎng)1 240 m，上部結(jié)構(gòu)采用新型的裝配式波形鋼腹板工字型組合梁結(jié)構(gòu)，橋梁?jiǎn)慰卓鐝?0 m，采用四跨一聯(lián)或五跨一聯(lián)結(jié)構(gòu)，單幅橋面寬22.5 m。

2 方案介紹

2.1 總體構(gòu)造

主梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑40 m，在同一聯(lián)梁板中，縱向考慮外拼接施工要求，每跨預(yù)制長(zhǎng)度根據(jù)安裝及技術(shù)要求做相應(yīng)調(diào)整；單幅橋橫向7片波形鋼腹板工字型組合梁，主梁中心間距3.1 m，跨中采用3道橫向連接系，以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。

波形鋼腹板主梁高2.2 m，上下翼緣板寬度均為80 cm，波形腹板采用1 200雙翼緣型波形鋼腹板。

預(yù)制組合梁混凝土頂板中，中板寬2.5 m，邊板寬3.2 m，板間縱向預(yù)留60 cm后澆混凝土濕接縫。組合梁邊梁示意圖見圖1，組合梁中梁示意圖見圖2。

2.2 總體計(jì)算

利用Midas Civil有限元分析軟件建立施工與運(yùn)營(yíng)階段全橋有限元模型，如圖3所示。

2.2.1 內(nèi)力計(jì)算分析

在計(jì)算組合梁抗彎承載力時(shí)，考慮施工方法及順序的影響，并應(yīng)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行抗彎驗(yàn)算，施工階段作用組合應(yīng)符合現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定。內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

2.2.2 驗(yàn)算結(jié)果

由圖4～圖7可看出，邊跨梁內(nèi)力較中跨梁大，因邊跨與中跨梁板截面形式相同，驗(yàn)算時(shí)僅取內(nèi)力較大的邊跨梁進(jìn)行，驗(yàn)算截面位置如圖8所示。

在墩頂負(fù)彎矩區(qū)受力狀態(tài)分析時(shí)，考慮允許出現(xiàn)裂縫，但限制裂縫寬度的設(shè)計(jì)方法。強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 組合梁截面基本組合下抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算表

由表1可看出，工字鋼梁上、下翼緣應(yīng)力及混凝土受壓區(qū)應(yīng)力滿足要求。墩頂處負(fù)彎矩區(qū)(F截面～H截面)混凝土板上翼緣名義應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，橋面板混凝土開裂，進(jìn)一步驗(yàn)算裂縫寬度[7,8]。

鋼筋混凝土構(gòu)件和B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在Ⅰ類、Ⅱ類環(huán)境下其計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)超過(guò)0.2 mm；Ⅲ類、Ⅳ類環(huán)境下，不應(yīng)超過(guò)0.15 mm。

矩形截面鋼筋混凝土構(gòu)件及B類混凝土受彎構(gòu)件，其最大裂縫寬度可按下式計(jì)算：

由作用(荷載)短期效應(yīng)引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應(yīng)力σss按下式計(jì)算：

負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板受力狀態(tài)接近拉彎的混凝土橋面板，一般彎矩較小，拉力較大。驗(yàn)算裂縫寬度時(shí)可按照混凝土軸心受拉構(gòu)件進(jìn)行，驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 裂縫寬度驗(yàn)算表

由表2可看出，墩頂負(fù)彎矩區(qū)最大裂縫寬度為0.13 mm，滿足規(guī)范要求。

3 特殊構(gòu)造措施

相比較于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)體系,連續(xù)梁在中墩處存在卸載效應(yīng),可以減小跨中正彎矩,在相同荷載和梁高條件下,橋梁可以實(shí)現(xiàn)更大跨度。但連續(xù)梁自身也存在一些問(wèn)題，墩頂負(fù)彎矩引起混凝土上緣拉應(yīng)力過(guò)大，混凝土橋面板容易開裂破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板的性能要求，可以分成不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力、不允許裂縫產(chǎn)生以及允許開裂限制裂縫寬度三種設(shè)計(jì)方法?？刂评瓚?yīng)力主要方法是施加負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力。墩頂負(fù)彎矩施加預(yù)應(yīng)力的方法主要有三種：張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、支座頂升、加載配重法[9]。對(duì)于混凝土和工字鋼梁的組合結(jié)構(gòu)而言，施加預(yù)應(yīng)力的效果很大一部分施加在了鋼梁上面，后期混凝土的收縮徐變還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐研究，目前技術(shù)人員更傾向于限制裂縫寬度的方法，在不影響結(jié)構(gòu)安全及耐久性的情況下，允許墩頂出現(xiàn)不超限裂縫，這樣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易。

對(duì)于鋼—混連續(xù)組合結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制裝配式施工時(shí)，一般采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工方法，需要設(shè)置臨時(shí)支座進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，這樣一方面增加了施工工序，體系轉(zhuǎn)換施工較為繁瑣；另一方面組合結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時(shí)，墩頂范圍內(nèi)設(shè)計(jì)施工質(zhì)量難以保證，墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂破壞問(wèn)題更加突出。

為解決裝配式波形鋼腹板工字型組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在墩頂處負(fù)彎矩區(qū)橋面板易開裂破壞的問(wèn)題，通過(guò)綜合采用一系列措施，能夠有效控制負(fù)彎矩區(qū)橋面板裂縫開展。

1)采用支座外拼接施工。將裝配式組合梁縱向預(yù)制長(zhǎng)度加長(zhǎng)，伸出支座以外，從而將拼接縫錯(cuò)開支座位置，避免了設(shè)置臨時(shí)支座以及后續(xù)體系轉(zhuǎn)換等工作，減少工序的同時(shí)使墩頂負(fù)彎矩區(qū)受力更均勻；

2)中支點(diǎn)鋼橫梁上翼緣加寬處理。橫梁上翼緣橫向上與主梁上翼緣連接成為整體，加寬的上翼緣一方面給墩頂處混凝土澆筑帶來(lái)方便，另一方面在上翼緣上增加PBL剪力鍵，增強(qiáng)橋面板混凝土與鋼主梁的連接，使組合結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同參與受力，改善墩頂組合部位受力狀況；

3)后澆筑負(fù)彎矩橋面板混凝土。即待梁板架設(shè)完成，先施工橫向連接系及縱向濕接縫，最后施工墩頂處橋面板混凝土。采用高性能、補(bǔ)償收縮性質(zhì)混凝土的同時(shí)增大墩頂處橋面板配筋率，以達(dá)到控制裂縫的目的。

墩頂處局部構(gòu)造示意圖見圖9。

4 施工概述

波形鋼腹板工字型組合梁設(shè)計(jì)采用預(yù)制裝配式施工，常規(guī)架設(shè)安裝設(shè)備即可滿足施工要求，主要施工流程如下:工廠制作鋼主梁節(jié)段→鋼主梁拼接→波形鋼腹板組合梁預(yù)制→組合梁架設(shè)安裝→濕接縫及后澆段施工→橋面系及附屬結(jié)構(gòu)施工→成橋運(yùn)營(yíng)。

工廠完成波形鋼腹板工字梁節(jié)段加工制作后，將波形鋼腹板工字梁節(jié)段組焊形成整體。在預(yù)制梁場(chǎng)利用工字主梁搭設(shè)支架、安裝頂板模板，頂板鋼筋施工完畢后澆筑混凝土，并按要求養(yǎng)護(hù)形成波形鋼腹板預(yù)制組合梁[10]。將預(yù)制組合梁移至梁場(chǎng)按要求時(shí)間存放，待其初期收縮徐變完成后，利用架橋機(jī)架設(shè)安裝組合工字梁，如圖10所示。

架設(shè)安裝波形鋼腹板工字型組合梁時(shí)，縱向上每片主梁均伸出支座中心線以外，鋼主梁采用螺栓固定連接，將拼接縫設(shè)置于墩頂之外，因此墩頂可直接安放永久支座，無(wú)需臨時(shí)支座過(guò)渡以及體系轉(zhuǎn)換施工。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)跨S河大橋項(xiàng)目方案試設(shè)計(jì)分析，闡述了新型裝配式波形鋼腹板工字型組合梁在結(jié)構(gòu)及施工上的特點(diǎn)，并探討了改善組合結(jié)構(gòu)連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能的措施，指出了裝配式波形鋼腹板工字型組合梁在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)有：

1)波形腹板結(jié)構(gòu)體系，避免了縱橫向加勁肋，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗屈曲能力；

2)支座外拼接施工避免了裝配式連續(xù)梁的體系轉(zhuǎn)換過(guò)程；

3)中支點(diǎn)加寬上翼緣改善墩頂負(fù)彎矩區(qū)受力；

4)預(yù)制裝配式施工，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)提升效率，施工質(zhì)量可靠。

裝配式波形鋼腹板工字型組合梁是一種簡(jiǎn)潔、施工高效的橋梁結(jié)構(gòu)形式，可以廣泛應(yīng)用于公路、市政橋梁建設(shè)。

[1] 吳 沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京:人民交通出版社，2006:117-163.

[2] 邵長(zhǎng)宇.梁式組合結(jié)構(gòu)梁橋[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2015:12-13.

[3] 聶建國(guó)，陶慕軒，吳麗麗，等.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁研究新進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012(6):110-122.

[4] 聶建國(guó)，朱 力，唐 亮.波形鋼腹板的抗剪強(qiáng)度[J].土木工程學(xué)報(bào)，2013(6):97-109.

[5] 朱 力，蔡建軍，聶建國(guó).波形鋼腹板的彈性剪切屈曲強(qiáng)度[J].工程力學(xué),2013,30(7):40-46.

[6] 張宏杰，唐明敏，萬(wàn) 水.波形鋼腹板混凝土工字梁剪切變形研究[J].中外公路，2012,32(6):149-152.

[7] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] JTG D64—2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] 劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社，2005:94-100.

[10] 雷 政，陳華利，趙 森.波形鋼腹板組合梁橋的SCC懸臂施工法[J].山西建筑，2016,42(14):147-148.

Trial design of assembled composite beams with corrugated steel webs

Zhao Sen Lei Zheng Ma Chunxiang

(HenanDajianBridgeSteelStructureCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Combining with the engineering examples, a new type of corrugated steel web girder structure is proposed. The analysis of structure shows that the assembly corrugated steel webs Ⅰ-shaped composite structure has good mechanical properties. The paper discussed the measures of improving the force performance of concrete bridge deck of composite structure at the top of pier negative moment area, and briefly introduced the construction process of assembly corrugated steel webs Ⅰ-shaped girder, points out the advantage of applying the assenbe corrugated steel web Ⅰ-shaped combined beam in practice.

corrugated steel web, assembly, composite girder

1009-6825(2017)21-0138-04

2017-05-22

趙 森(1989- )，男，助理工程師； 雷 政(1988- )，男，工程師; 馬春祥(1989- )，男，助理工程師

U448.216

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