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        鋼混組合箱梁橋結(jié)構(gòu)特性及關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題研究

        2018-03-19 06:40:50陶高飛
        城市道橋與防洪 2018年2期
        關(guān)鍵詞:鋼混梁橋鋼梁

        陶高飛

        (廣州市恒津路橋設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 廣州 511495)

        0 引言

        組合結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材和混凝土各自優(yōu)異的力學(xué)性能,使得組合后的結(jié)構(gòu)性能不僅發(fā)揮了各自材料特點(diǎn),還有效地回避了兩種材料的劣勢(shì),在近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的組合結(jié)構(gòu)型式有鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋、鋼桁組合梁橋等,其中鋼箱組合梁橋延續(xù)了箱型梁抗彎及抗扭性能好、可施工性強(qiáng)、受力性能優(yōu)異等特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景,特別是在高速公路的跨線橋設(shè)計(jì)中[1,2]。

        本文首先分析了鋼混組合箱梁橋的技術(shù)特點(diǎn),總結(jié)了其技術(shù)優(yōu)勢(shì);其后,對(duì)鋼混組合箱梁橋的關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題進(jìn)行了詳細(xì)剖析。通過(guò)本文相關(guān)研究及總結(jié),可以為鋼混組合箱梁橋的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

        1 鋼混組合箱梁橋結(jié)構(gòu)特性

        鋼混組合箱梁橋的典型結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖1:通過(guò)底板和腹板采用鋼結(jié)構(gòu)型式,顯著地降低了自重,增加其跨越能力;在橋面板設(shè)置混凝土板,提高了橋面板耐久性及局部輪載承載力。

        圖1 鋼箱組合梁橋的結(jié)構(gòu)布置圖

        綜合而言,鋼箱組合橋梁非常顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在:(1)自重小跨越能力強(qiáng),鋼箱梁在滿足截面抗彎和抗扭性能要求下,具有很小的結(jié)構(gòu)自重,因此其跨越能力顯著增強(qiáng),減小了下部結(jié)構(gòu)的工程用量。同時(shí)也因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)自重較輕,有效地減少了中墩支點(diǎn)的負(fù)彎矩,結(jié)構(gòu)的梁高較一般連續(xù)梁低,可以減少橋下凈空的占據(jù)面積,優(yōu)化了橋梁的外形及美觀性能。(2)結(jié)構(gòu)剛度好,橋面使用性能好。相對(duì)于鋼箱梁橋,組合鋼箱梁的結(jié)構(gòu)剛度顯著大,具有很好的整體穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)由于混凝土板比鋼正交異性板更適應(yīng)重載交通,造價(jià)低,在使用一定年限后有更新的可能。(3)可施工性強(qiáng),鋼箱組合梁橋可以通過(guò)鋼梁架設(shè)及橋面板預(yù)制分塊實(shí)現(xiàn)連接,該施工方法可以形成標(biāo)準(zhǔn)化的工藝,利于大面積地推廣應(yīng)用,采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工工藝具有靈活、便捷、快速等優(yōu)勢(shì),對(duì)地面交通影響小。此外,鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)檢查、維護(hù)和加強(qiáng),壽命可達(dá)100 a以上。(4)抗震性能及經(jīng)濟(jì)性好,由于比混凝土橋結(jié)構(gòu)自重輕,地震響應(yīng)小,特別適合無(wú)支架施工,可以降低成本。

        鋼混組合箱梁除了上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)之外,還有很多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決,主要包括鋼混及其連接構(gòu)造、負(fù)彎矩區(qū)處理、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及局部屈服等問(wèn)題[3,4]。

        2 鋼混組合箱梁橋的設(shè)計(jì)難題

        2.1 鋼混及其連接構(gòu)造

        鋼混組合箱梁橋的構(gòu)造涵蓋鋼梁、混凝土橋面板、鋼混連接等細(xì)節(jié),對(duì)這些細(xì)節(jié)的構(gòu)造處理是建立在結(jié)構(gòu)受力特性的充分認(rèn)識(shí)上。

        (1)鋼梁的構(gòu)造。包括鋼截面構(gòu)造及加勁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),組合截面的中性軸一般接近上翼緣混凝土板,這使得正彎矩區(qū)基本處于受拉狀態(tài),為取消腹板加勁提供了條件。此外,針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)底板受壓?jiǎn)栴},可以附加混凝土板以減小截面受壓區(qū)高度與壓應(yīng)力水平,降低該區(qū)域內(nèi)的板件屈曲可能性。

        (2)混凝土橋面板構(gòu)造?;炷翗蛎姘逯苯颖┞队谕獠凯h(huán)境中,受到環(huán)境侵蝕、氣溫變化及汽車荷載等作用,因此其耐久性能備受關(guān)注。中預(yù)制和現(xiàn)澆是目前橋面板主要應(yīng)用型式,這兩種施工方法下橋面板的收縮徐變性能差別很大,需要根據(jù)具體的建設(shè)條件進(jìn)行選擇。組合橋面板近年來(lái)受到重視,不僅可以發(fā)揮混凝土橋面板的受力性能,還能實(shí)現(xiàn)橋面板與鋼梁更好的連接,需要在積累現(xiàn)有研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的實(shí)踐與分析。

        (3)鋼混連接構(gòu)造。隨著組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展,對(duì)于鋼混連接問(wèn)題及其工作性能的認(rèn)識(shí)也更加全面,同時(shí)對(duì)其連接構(gòu)造要求也越來(lái)越高。鋼混連接區(qū)域不僅要承擔(dān)剪力作用,還需要承擔(dān)拉拔力;不僅要求滿足承載能力使用要求,保證結(jié)構(gòu)安全,還需要滿足組合結(jié)構(gòu)的整體工作性能,在正常使用情形下具有很好的工作性。連續(xù)組合箱梁橋中,從支點(diǎn)到跨中斷面的受力狀況變化很大,特別是在負(fù)彎矩區(qū)受力問(wèn)題更加復(fù)雜,需要考慮適宜的連接件型式、布置范圍、設(shè)置間距等參數(shù),完全基于承載能力的理念設(shè)計(jì)連接件是不合適的。

        2.2 負(fù)彎矩區(qū)處理

        結(jié)合連續(xù)梁在正彎矩的作用下,截面受拉區(qū)是抗拉強(qiáng)度較高的鋼板、受壓區(qū)是抗壓強(qiáng)度較高且更加便宜的混凝土橋面板,鋼材與混凝土各盡其用,組合結(jié)構(gòu)的性能發(fā)揮到了極致。但是在橋墩處的負(fù)彎矩區(qū),截面受力確實(shí)本末倒置,不僅兩種材料的性能未能充分的發(fā)揮,而且橋面板的受力也處于最不利的位置。為了降低負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂問(wèn)題,可以采用配置預(yù)應(yīng)力鋼筋、調(diào)整支座高度、加載配重、部分組合梁等方法實(shí)現(xiàn)。

        (1)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。利用預(yù)應(yīng)力鋼筋直接給橋面板施加預(yù)應(yīng)力來(lái)抵抗截面因負(fù)彎矩而產(chǎn)生的壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力可以在橋面板與鋼梁形成組合截面之前或之后施加。但是,在形成組合截面之后施加的預(yù)應(yīng)力一部分將被鋼梁分擔(dān),施加的壓力比較大。采用該方法的優(yōu)點(diǎn)是減小鋼梁截面,有效的抵抗負(fù)彎矩;缺點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)施加預(yù)應(yīng)力并不容易,施工周期也比較的長(zhǎng),日后對(duì)橋面板的翻新也會(huì)有一定的困難。

        (2)調(diào)整支座高度。將中間的支座預(yù)先的抬升一個(gè)高度,然后澆筑混凝土橋面板,待其硬化后使鋼梁回到設(shè)計(jì)位置。抬升支座是鋼梁預(yù)先的產(chǎn)生正彎矩,間接的給橋面板施加預(yù)應(yīng)力。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是在梁的全長(zhǎng)均施加了預(yù)應(yīng)力。通常情況下,在使用本方法時(shí)還要在承受負(fù)彎矩的混凝土處張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋來(lái)提升提抗負(fù)彎矩的效果。而且,移動(dòng)端支點(diǎn)同樣可以達(dá)到中間支點(diǎn)抬升效果,如何選擇,要根據(jù)具體的施工情況。

        (3)加載配重。將中間的支座預(yù)先的抬升一個(gè)高度,然后澆筑混凝土橋面板,待其硬化后使鋼梁回到設(shè)計(jì)位置。抬升支座是鋼梁預(yù)先的產(chǎn)生正彎矩,間接的給橋面板施加預(yù)應(yīng)力。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是在梁的全長(zhǎng)均施加了預(yù)應(yīng)力。通常情況下,在使用本方法時(shí)還要在承受負(fù)彎矩的混凝土處張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋來(lái)提升提抗負(fù)彎矩的效果。而且,移動(dòng)端支點(diǎn)同樣可以達(dá)到中間支點(diǎn)抬升的效果,如何選擇,要根據(jù)具體的施工情況。

        (4)部分組合梁。連接件(柔性除外)延梁全長(zhǎng)布置,混凝土橋面板在負(fù)彎矩區(qū)就會(huì)受到很大的拉應(yīng)力。要減少這個(gè)拉應(yīng)力除了以上的幾種方法之外,還可以將負(fù)彎矩區(qū)段設(shè)計(jì)稱為非結(jié)合或柔性結(jié)合結(jié)構(gòu),即在負(fù)彎矩區(qū)段布設(shè)連接件或者僅設(shè)置柔性連接件,這種方法稱為部分組合梁法。采用部分組合梁,在均布荷載的作用下,橋面板負(fù)彎矩區(qū)的拉應(yīng)力能夠顯著的降低,但是在是否設(shè)置連接件的分界處會(huì)造成很大的應(yīng)力集中,必須采取相應(yīng)的構(gòu)造措施加以避免,如使橋面板中的縱向鋼筋連續(xù)通過(guò),并且適當(dāng)?shù)募訌?qiáng);后者在鋼梁上適當(dāng)?shù)暮附渝^固鋼筋,起到彈性剪力連接件的作用,達(dá)到一個(gè)過(guò)渡的效果。

        2.3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定與局部屈服

        組合箱梁橋的鋼結(jié)構(gòu)局部屈服是關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題,在施工過(guò)程、正常使用及承載能力極限狀態(tài)都有發(fā)生的可能性,通常表現(xiàn)為腹板在彎剪作用下發(fā)生局部屈服或者受壓翼緣的豎向及扭轉(zhuǎn)屈服。組合結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定則表現(xiàn)在與混凝土橋面板結(jié)合前的施工狀態(tài),特別是對(duì)于大跨度連續(xù)組合箱梁橋,以及曲線梁橋結(jié)構(gòu)型式,此外哈爾濱陽(yáng)明灘引橋發(fā)生的橫向傾覆問(wèn)題也使得學(xué)者對(duì)于鋼混組合箱梁橋在獨(dú)柱墩支撐體系下的橫向穩(wěn)定備受關(guān)注。

        對(duì)于組合箱梁橋的局部屈曲問(wèn)題,一般可以通過(guò)限制板厚比的方式進(jìn)行設(shè)計(jì),并且配合采用縱橫向加勁肋有效防止。對(duì)于整體穩(wěn)定問(wèn)題,在施工階段需要在槽形鋼梁截面的開(kāi)口上緣設(shè)置縱橫向斜撐加強(qiáng)穩(wěn)定,并提高抗扭和抗彎剛度,在實(shí)際工程中為了滿足施工需要也可以采用閉口箱梁。對(duì)于運(yùn)營(yíng)過(guò)程的橫向穩(wěn)定問(wèn)題,應(yīng)該盡量避免直線或者接近直線的曲線組合箱梁橋采用獨(dú)柱支撐結(jié)構(gòu)體系。

        早先的組合梁橋設(shè)計(jì)主要關(guān)注截面的抗彎特性,沒(méi)有考慮因?yàn)闃蛎姘宕嬖谑沟媒孛嬷行暂S上移,腹板已經(jīng)大部分處于受拉狀態(tài),此時(shí)仍然設(shè)置較多的縱橫向加勁肋并沒(méi)有起到很好的新效果,因此需要采用更加科學(xué)和精細(xì)化的方法,計(jì)算結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),合理優(yōu)化加勁肋的布置,可以減少次要構(gòu)建的數(shù)量,降低養(yǎng)護(hù)成本,并減少加工制作費(fèi)用。

        3 結(jié)論

        組合梁橋在我國(guó)近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越多,隨著鋼價(jià)格的降低,結(jié)構(gòu)性能要求的提高,組合結(jié)構(gòu)型式的橋梁也會(huì)越來(lái)越受設(shè)計(jì)者的關(guān)注。鋼混組合箱梁橋延續(xù)了箱梁結(jié)構(gòu)抗彎及抗扭性能好的優(yōu)勢(shì),被廣泛采用。需要注意的是,雖然組合箱梁橋具有諸多的技術(shù)優(yōu)勢(shì),無(wú)論是相對(duì)于鋼梁橋還是混凝土梁橋,其技術(shù)優(yōu)勢(shì)很多都非常明顯,但尚應(yīng)該注意到鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難題,本文詳細(xì)剖析了鋼混及其連接構(gòu)造、負(fù)彎矩區(qū)處理、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及局部屈服等設(shè)計(jì)難題,提出了相關(guān)解決方案,提高鋼混組合箱梁橋的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

        [1]邵長(zhǎng)宇.大跨度連續(xù)組合箱梁橋的發(fā)展與技術(shù)特點(diǎn)[A].第十七屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 (上冊(cè))[C].2006.

        [2]孫濤.鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法 [J].城市道橋與防洪,2017(4):67-69.

        [3]馮建剛,秦志軍,趙秀文.鋼混組合箱梁橋設(shè)計(jì)與施工[J].公路交通科技 (技術(shù)版),2010(6):6-8.

        [4]范洪貴.大跨度連續(xù)組合箱梁橋連接件設(shè)計(jì)方法研究[J].交通世界,2017(12):150-151.

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