鄒正其， 陳宏俊

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

隨著中國鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件，是推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好時機(jī)。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)主要包括鋼桁梁、鋼箱梁和鋼混組合梁三大類。鋼桁梁在特大跨徑橋梁中應(yīng)用占優(yōu)；鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重相對較輕，橫向穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)受力、維修養(yǎng)護(hù)、橋面板疲勞等問題仍需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。鋼混組合梁結(jié)構(gòu)綜合了鋼材和混凝土的各自優(yōu)勢，在中等跨徑橋梁中應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

鋼板梁橋是最為常見、應(yīng)用最廣泛的鋼混組合梁橋。歐美等發(fā)達(dá)國家對于組合鋼板梁橋積累了大量的研究與工程實(shí)踐，在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，以法國為例，近些年建造的公路組合橋梁約90%為組合鋼板梁。

該文以交通運(yùn)輸部鋼結(jié)構(gòu)典型示范工程——臺州路澤太高架快速路項(xiàng)目中的一座鋼板梁橋?yàn)檠芯枯d體，對該橋現(xiàn)場連接方案進(jìn)行分析對比，以得到最佳的鋼板梁橋連接方式。

1 橋梁上部結(jié)構(gòu)形式與組成

研究橋梁為5×35 m連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，荷載等級為公路-Ⅰ級，設(shè)計采用鋼混組合形式的鋼板梁橋，下部結(jié)構(gòu)施工完成后，在工廠將節(jié)段加工好，現(xiàn)場完成連接，橋面板施工采用預(yù)制和現(xiàn)場部分現(xiàn)澆相結(jié)合，最后完成橋梁的附屬設(shè)施。上部結(jié)構(gòu)主梁和橫梁在平面上形成格子狀，主梁、橫梁均采用焊接組合截面工字梁。

鋼主梁在預(yù)制工廠采用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行切割、加工、焊接、拼裝相應(yīng)的節(jié)段，然后將主梁節(jié)段運(yùn)至施工現(xiàn)場臨時存放，采用鋼梁吊裝的施工方法進(jìn)行橋梁架設(shè)。該橋橫橋向單幅橋設(shè)計采用4片主梁，2片工型梁間的中橫梁或者端橫梁工廠焊接后組成一組進(jìn)行安裝，組間的橫梁現(xiàn)場連接。橋梁的現(xiàn)場連接工作主要是鋼主梁的縱向拼接和組間橫梁的橫向連接。橋梁橫斷面見圖1。

圖1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：mm)

在工廠加工組裝完成的部分，連接部位自動化程度高，質(zhì)量可靠，現(xiàn)場連接方案成為關(guān)注重點(diǎn)。連接方案主要有：全部栓接、全部焊接和栓焊結(jié)合3種，各種連接方案在設(shè)計、加工、安裝、工程造價及現(xiàn)場質(zhì)量管理等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)，選用合適的連接方式。

2 現(xiàn)場拼接的主要方案

焊接連接在設(shè)計上相對簡單，根據(jù)設(shè)計條件擬定連接形式和焊縫質(zhì)量等級要求等，再對焊縫連接強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算即可。

螺栓連接設(shè)計相對復(fù)雜，按設(shè)計原則一般又分為：① 鋼梁拼接宜按等強(qiáng)度原則計算，拼接板的凈截面面積不小于母板的凈截面面積；② 按連接處最不利受力進(jìn)行設(shè)計。橋梁鋼主梁為主要受力構(gòu)件，且承受動荷載，不宜采用高強(qiáng)螺栓承壓型連接，因此未特別說明時，文中螺栓連接指摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。

考慮到鋼主梁與混凝土橋面板拼接處上翼緣板存在剪力釘，上翼緣連接如果采用栓接將導(dǎo)致剪力釘設(shè)置困難，且后續(xù)無法更換該處螺栓，同時，該處焊接為對接平焊，施工質(zhì)量相對容易控制。故提出采用栓焊結(jié)合的連接方式：上翼緣焊接、腹板和下翼緣采用栓接，先進(jìn)行腹板和下翼緣的栓接，后進(jìn)行上翼緣焊接。

根據(jù)該典型橋梁工程的自身特點(diǎn)，設(shè)計考慮4種現(xiàn)場連接方案：① 方案1：按等強(qiáng)度原則設(shè)計，截面全部螺栓連接；② 方案2：按等強(qiáng)度原則設(shè)計，上翼緣焊接；腹板、下翼緣螺栓連接；③ 方案3：按最不利內(nèi)力設(shè)計，截面全部螺栓連接；④ 方案4：按最不利內(nèi)力設(shè)計，上翼緣焊接；腹板、下翼緣螺栓連接。

3 主要連接方案的設(shè)計計算

該橋鋼板梁主梁間現(xiàn)場連接當(dāng)采用焊接時均為對接焊，對接焊縫質(zhì)量等級采用一級時，焊縫強(qiáng)度與母材相同，不需要進(jìn)行專門連接驗(yàn)算；橫梁橫向連接采用角焊縫連接時，由于橫向連接受力較小，連接強(qiáng)度驗(yàn)算不控制設(shè)計，因此該文對焊接連接的計算都做省略處理。

連接處的受力采用有限元計算，計算公式根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定采用。

3.1 方案1受力計算

下翼緣高強(qiáng)螺栓的數(shù)量按軸向力N=Anf=28×650×270/1 000=4 914 kN考慮，需求螺栓數(shù)量：n=N/fvb=4 914/136.8=35.9，實(shí)際布置6排，總數(shù)為36個。

上翼緣高強(qiáng)螺栓的數(shù)量按軸向力N=Anf=20×600×270/1 000=3 240 kN考慮，需求螺栓數(shù)量：n=N/fvb=3 240/136.8=23.6，實(shí)際布置4排，總數(shù)為24個。

因?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)，鋼梁為拉彎或壓彎構(gòu)件，故腹板受拉彎或壓彎受力，以上下翼緣板屈服為極限狀態(tài)，以腹板受拉屈服為極限確定最大軸拉力NL；以腹板邊緣屈服確定純彎彎矩ML，實(shí)際極限受力為NL和ML的線性組合。分別按受拉屈服極限軸力NL和腹板邊緣純彎彎矩ML計算螺栓受力。當(dāng)腹螺栓釘取4排21行時，極限剪力作用下螺栓剪力為51.8 kN;極限軸力作用下螺栓剪力為91.4 kN; 極限彎矩作用下螺栓剪力為90.3 kN。拉剪組合作用下螺栓剪力為105.1 kN;彎剪組合作用下螺栓剪力為 104.1 kN。螺栓抗剪極限承載能力為 136.8 kN。故連接螺栓滿足承載能力要求?？紤]腹板上螺栓和翼緣上螺栓的受力協(xié)調(diào)，根據(jù)平截面假定，由翼緣螺栓極限承載能力推算腹板最不利螺栓極限承載能力為122.7 kN。故此螺栓布置滿足受力需要。

該方案的栓接構(gòu)造如圖2所示。

圖2 等強(qiáng)度、全栓接，主梁連接示意圖(方案1)(單位：cm)

方案1的主梁縱向連接工程材料數(shù)量見表1。

2片工型梁間焊接中橫梁或端橫梁后組成一組進(jìn)行吊裝，吊裝后組間橫梁現(xiàn)場栓接。該橋的橋面板設(shè)計為橫向承重，主梁間的橫梁為“小橫梁”形式。中橫梁的主要作用在于減少梁受壓翼緣自由長度。中橫梁除應(yīng)具有一定剛度外，尚應(yīng)具有一定強(qiáng)度，將梁的受壓翼緣視為軸心壓桿按GB 500017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第5.1.7條計算，采用倒 U形模型，在鋼梁下翼緣施加水平力，計算中橫梁的內(nèi)力，并作為螺栓連接設(shè)計依據(jù)，考慮同向變形和反向變形兩種工況。根據(jù)以上計算原則，容易求出橫梁與橫隔梁的連接所需要的螺栓數(shù)量，主要分析計算過程與縱向連接類似。

表1為方案1的中橫梁連接工程材料數(shù)量。

表1 一處主梁縱向、中橫梁、橫隔梁連接工程材料數(shù)量表(方案1)

中橫隔梁、端橫隔梁除約束鋼主梁橫向變形外，截面構(gòu)造尺寸相對受力富余，故其連接處栓釘設(shè)計主要考慮剛度要求，按構(gòu)造要求設(shè)置螺栓布置。

方案1的橫隔梁連接工程數(shù)量亦示于表1中。

3.2 方案2受力計算

方案2的主梁腹板、下翼緣栓釘布置情況與方案1一致。焊縫和高強(qiáng)螺栓共用時，需要注意施工順序，如果先施焊而后上緊螺栓，板層間有可能因焊接變形而產(chǎn)生縫隙，擰緊時不易達(dá)到需要的預(yù)拉力，如果先上緊螺栓而后施焊，高溫可能使螺栓預(yù)拉力下降，一般情況是高強(qiáng)螺栓終擰、焊接、再復(fù)擰。

經(jīng)計算，方案2的主梁縱向連接工程材料數(shù)量見表2。限于篇幅，中橫梁和橫隔梁的數(shù)量表不再詳細(xì)列出。

3.3 方案3受力計算

方案3的主梁上、下翼緣板螺栓以應(yīng)力為控制條件，按軸向受力構(gòu)件進(jìn)行栓釘設(shè)計；腹板螺栓設(shè)計以鋼梁設(shè)計內(nèi)力為控制條件，按毛截面剛度計算分配到腹板的彎矩和軸力進(jìn)行計算,上翼緣最不利應(yīng)力 80 MPa。上翼緣高強(qiáng)螺栓的數(shù)量按軸向力N=Anf=20×600×80/1 000=960 kN考慮，需求螺栓數(shù)量：n=N/fvb=960/136.8=7，實(shí)際布置2排，總數(shù)為12個。下翼緣最不利應(yīng)力180 MPa，高強(qiáng)螺栓的數(shù)量按軸向力N=Anf=25×650×180/1 000=2 925 kN考慮，需求螺栓數(shù)量：n=N/fvb=2 925/136.8=21.4，實(shí)際布置 4排，總數(shù)為 24個。

腹板螺栓根據(jù)受力分析結(jié)果，采用了單側(cè)布置 2列，每列15行的布置，經(jīng)驗(yàn)算符合受力計算要求。

表3為方案3主梁縱向連接工程材料數(shù)量。限于篇幅，中橫梁和橫隔梁的數(shù)量表不再詳細(xì)列出。

表2 一處主梁縱向連接工程材料數(shù)量表(方案2)

表3 一處主梁縱向連接工程材料數(shù)量表(方案3)

3.4 方案4受力計算

該方案上翼緣焊接；腹板、下翼緣栓接構(gòu)造同方案3，工程數(shù)量減去上翼緣的螺栓數(shù)量即可。

4 不同方案的綜合比選

4.1 造價對比

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)公路定額，結(jié)合預(yù)算編制辦法，針對鋼板梁栓接安裝工藝，進(jìn)行詳細(xì)的測算，以該典型橋梁進(jìn)行預(yù)算造價對比，結(jié)果見表4。

表4 典型橋梁連接方案造價對比

4.2 施工對比

螺栓連接，若采用工廠制孔，工地拼裝，對加工和安裝精度要求較高，稍有偏差則無法安裝；若采用工地現(xiàn)場制孔，可降低對加工和安裝的精度要求，但現(xiàn)場施工速度慢，制孔精度低。螺栓連接現(xiàn)場施工質(zhì)量容易控制，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。在施工精度滿足要求的前提下，工廠制孔，工地拼裝可在保證施工質(zhì)量的前提下，大大提高施工進(jìn)度。

焊接對于鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝精度要求相對較低，但現(xiàn)場焊接工作量較大，且焊接質(zhì)量相差較大，易受外部因素(諸如天氣、工人技術(shù)水平等)影響，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化施工較為困難。

4.3 受力分析對比

采用焊接和等強(qiáng)度連接方案1、2，在設(shè)計時，對連接方案專門進(jìn)行設(shè)計后，均不降低連接處的強(qiáng)度。采用最不利受力控制連接的方案3、4，在計算工況下均可以滿足設(shè)計要求，但當(dāng)出現(xiàn)超出結(jié)構(gòu)受力的工況時，連接處將成為薄弱環(huán)節(jié)。

4.4 綜合比選結(jié)論

根據(jù)以上造價、施工、受力等方面的分析對比，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場連接方案各有利弊，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行綜合比選。

在滿足鋼結(jié)構(gòu)安裝精度的前提下，栓接方案可采用工廠制孔，現(xiàn)場安裝，將使現(xiàn)場工作量大為降低、現(xiàn)場工程質(zhì)量更加可控，施工更加便捷，結(jié)合對已完成的3個典型類比工程項(xiàng)目考察調(diào)研情況，為了實(shí)現(xiàn)示范工程的“現(xiàn)場施工更快捷，工程質(zhì)量更加可控，現(xiàn)場工作量盡量減少，現(xiàn)場管理前場盡量后場化”的目標(biāo)，在投資預(yù)算相對充足、保通和施工質(zhì)量要求較高的市政項(xiàng)目中推薦采用等強(qiáng)度連接頂板焊接、腹板及底板栓接方案。

5 結(jié)語

以路澤太高架快速路示范工程鋼板組合梁橋鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼接方案為研究對象，列舉了不同的現(xiàn)場連接方案，詳細(xì)給出了不同連接的設(shè)計過程，進(jìn)行了造價、施工、受力的對比，最后根據(jù)示范工程的總體要求，推薦了等強(qiáng)度連接頂板焊接、腹板及底板栓接方案。