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        基于高性能等厚鋼的窄鋼箱組合梁橋技術(shù)研究

        2021-03-05 06:31:58汪志甜楊大海
        工程與建設(shè) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:鋼箱梁段鋼橋

        汪志甜, 楊大海

        (1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

        1 工程概況

        1.1 高性能鋼的綜合性能

        高性能鋼是一種綜合優(yōu)化了材料力學(xué)性能,便于加工制造,可用于低溫和腐蝕環(huán)境,同時(shí)具備較高性?xún)r(jià)比的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼。它不僅保持了較高的強(qiáng)度,而且在材料的抗腐蝕和耐候性能,可焊性和抗脆斷性能等方面都比傳統(tǒng)的鋼材有明顯的提高和改善。高性能鋼以?xún)?yōu)化的、均衡的各種性質(zhì)在橋梁結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)最佳性能,同時(shí)保持經(jīng)濟(jì)的成本。圖1表明Q500qE鋼在高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的同時(shí),還具有良好的塑性。

        圖1 345qD鋼與不同屈服強(qiáng)度Q500qE鋼標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不僅減小了鋼板的厚度進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)自重,同時(shí)也減小了焊縫的尺寸從而減少焊接工作量、提高焊縫質(zhì)量。因此,在一定程度上縮短了施工工期,同時(shí)延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命[2]。高性能鋼橋充分發(fā)揮了高性能鋼的優(yōu)越性,給社會(huì)帶來(lái)顯著的效益。

        1.2 高性能鋼國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

        近十多年來(lái),高性能鋼在橋梁工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣, 取得了良好的效果。

        (1)美國(guó)。美國(guó)是較早適應(yīng)高性能鋼國(guó)家之一,自20世紀(jì)90年代以來(lái),由美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)、美國(guó)聯(lián)邦公路管理署、美國(guó)海軍和米塔爾美國(guó)公司聯(lián)合立項(xiàng)研究高性能鋼,先后開(kāi)發(fā)了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列鋼種。應(yīng)用實(shí)踐表明,與傳統(tǒng)的橋梁用鋼相比,使用HPS系列高性能鋼可以達(dá)到橋梁制造成本降低約18%、重量減輕約28%的效果。高性能鋼的應(yīng)用在美國(guó)呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢(shì),在美國(guó)的42個(gè)州已有數(shù)百座橋梁采用了高性能鋼[3]。

        (2)日本。日本相繼開(kāi)發(fā)了BHS500及BHS700系列高性能橋梁用鋼, 實(shí)踐證明,對(duì)于懸索橋和斜拉橋,減少橋梁結(jié)構(gòu)的自重能顯著減少,屈服強(qiáng)度為700 MPa的高性能橋梁用鋼對(duì)于這類(lèi)橋梁的減重非常有效??紤]到梁式橋占橋梁類(lèi)型的大多數(shù),500 MPa已成為日本高性能橋梁用鋼最基本的強(qiáng)度值。日本東京灣海岸高速公路使用了16 000 t BHS高性能鋼,使橋梁減重3%并可使建設(shè)總成本減少12%。

        (3)歐洲。在歐洲, 但大跨度橋梁(跨度超過(guò)150 m)采用鋼結(jié)構(gòu)已成為主導(dǎo),例如,連接哥本哈根(丹麥)與馬而默(瑞典)的厄勒海峽大橋,是一座總長(zhǎng)16 km的斜拉橋,其鋼結(jié)構(gòu)的總重為80 000 t,所用鋼種為S355M、S420M、S460ML,其中S460ML總重超過(guò)了25 000 t[4]。

        (4)中國(guó)。我國(guó)鋼橋的比例仍很低。截至2015年底,全國(guó)公路橋梁75.7萬(wàn)座中,鋼結(jié)構(gòu)橋梁不足1%;而美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁占35%,日本鋼結(jié)構(gòu)橋梁占41%。

        在重要通道的特大型橋梁中,高性能鋼可在幾類(lèi)關(guān)鍵構(gòu)件中得到充分應(yīng)用,這不僅關(guān)系到工程費(fèi)用的節(jié)省與否,甚至關(guān)系到工程的成敗。

        表1 我國(guó)高性能鋼橋應(yīng)用情況

        2 基于高性能等厚鋼的窄鋼箱組合梁橋設(shè)計(jì)方案

        G42S上海至武漢高速公路無(wú)為至岳西段(岳武東延段)永安河特大橋全長(zhǎng)1.14 km,上部結(jié)構(gòu)采用55 m跨徑簡(jiǎn)支窄鋼箱組合梁和35 m跨徑鋼板組合梁,其中55 m跨徑簡(jiǎn)支窄鋼箱組合梁共計(jì)6座。

        (1)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。如圖2所示,橋梁寬度為12.74 m,橫向布置為0.49 m護(hù)欄+11.75 m行車(chē)道+0.5 m護(hù)欄,橫向布置2個(gè)箱梁,鋼箱梁寬2 m,鋼箱梁中心線高2.75 m,中心距6.75 m,預(yù)制橋面板厚22~40 cm。

        圖2 橋?qū)?2.74 m窄鋼箱橫斷面圖(單位:mm)

        (2)鋼箱梁。全橋54.9 m鋼箱梁分成5個(gè)制作段(11.5+10+11.9+10+11.5) m即(Ⅲ+Ⅱ+Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)。其中Ⅰ梁段主要采用Q500qD鋼,Ⅱ梁段主要采用Q460qD鋼,Ⅲ梁段主要采用Q345qD鋼;頂板采用22 mm等厚板,底板采用26 mm等厚板,腹板厚12~14 mm;混凝土橋面板和鋼主梁通過(guò)剪力釘連接。鋼箱梁內(nèi)設(shè)置25b號(hào)工字鋼橫撐,縱向間距,如圖3所示。腹板設(shè)置橫向加勁肋,加勁肋寬度200 mm,厚度14 mm,縱向間距,如圖3所示。 Ⅲ梁段腹板設(shè)置一道縱向加勁肋,Ⅰ、Ⅱ梁段腹板設(shè)置兩道縱向加勁肋。主梁之間采用橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系,端支點(diǎn)設(shè)置端橫梁,鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接,如圖4所示。

        圖3 鋼箱梁一般構(gòu)造立面圖(單位:mm)

        圖4 端支點(diǎn)橫梁和一般橫梁布置圖(單位:mm)

        《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)要求焊接接頭的低溫沖擊功不應(yīng)低于母材標(biāo)準(zhǔn),但《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 714-2015)已將Q345qD、Q460qD及Q500qD鋼材沖擊功提高至120 J,而當(dāng)前技術(shù)條件下焊接接頭低溫沖擊功無(wú)法滿(mǎn)足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》。本橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),綜合考慮焊縫強(qiáng)度、疲勞等問(wèn)題,同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋼橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)鋼板焊接接頭力學(xué)性能提出以下要求:

        表2 鋼板焊接接頭的力學(xué)性能

        3 結(jié)構(gòu)安全性

        采用MIDAS CIVIL2017有限元軟件建立有限元模型,如圖5所示,利用“梁格法”并采用三維梁?jiǎn)卧謩e模擬橋面板、鋼箱梁,二者連接關(guān)系通過(guò)剛性連接,這種模擬方式較“施工階段聯(lián)合截面”對(duì)于模擬橋面板收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的作用更加精確,同時(shí)能夠提高建模效率。

        圖5 全橋有限元模型

        參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015),計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車(chē)活載、溫度作用以及支座沉降。主要計(jì)算結(jié)論見(jiàn)表3。

        表3 主要驗(yàn)算結(jié)果

        計(jì)算結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)安全合理,鋼梁Ⅰ梁段最大應(yīng)力364.3 MPa,材料利用率95%,結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)。

        4 施工便利性

        基于高強(qiáng)等厚鋼的55 m跨徑簡(jiǎn)支窄鋼箱組合梁頂、底板采用等厚鋼板,較常規(guī)鋼橋梁,焊接更為方便,焊接質(zhì)量更有保障。該結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)自重輕(鋼箱梁全橋重168t),運(yùn)輸?shù)跹b便利。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同情況可采用汽車(chē)整孔吊裝或架橋機(jī)架設(shè)施工,橋面板后澆濕接縫采用C55抗裂超早強(qiáng)無(wú)收縮混凝土,能夠確保橋面板和鋼梁快速結(jié)合,縮短架梁工期。綜上分析,該類(lèi)結(jié)構(gòu)較常規(guī)鋼橋、鋼混組合橋梁施工更為便利、快速。

        5 經(jīng)濟(jì)性

        G42S上海至武漢高速公路無(wú)為至岳西段(岳武東延段)永安河特大橋55 m跨徑簡(jiǎn)支窄鋼箱組合梁橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)不同方案橋型進(jìn)行了造價(jià)對(duì)比,其結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

        表4 方案一上部結(jié)構(gòu)造價(jià)分析表

        表5 方案二上部結(jié)構(gòu)造價(jià)分析表

        由表4和表5分析表明:方案一每平方米造價(jià)5 004.5元,方案二每平方米造價(jià)5 680.9元,合理采用高性能鋼后,結(jié)構(gòu)每平方米造價(jià)節(jié)省12%。

        5 結(jié) 論

        G42S上海至武漢高速公路無(wú)為至岳西段(岳武東延段)55 m跨徑簡(jiǎn)支窄鋼箱組合梁分區(qū)段合理采用了等厚度Q345qD、Q460qD及Q500qD鋼板,通過(guò)對(duì)材料性能、結(jié)構(gòu)安全、施工便利性以及經(jīng)濟(jì)性等全方位考慮,其是一種經(jīng)濟(jì)、合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式, 總結(jié)本新型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面:

        (1)窄鋼箱組合梁具有抗扭能力強(qiáng)、整體性好、適合曲線線路以及更能適應(yīng)大跨與特殊要求等優(yōu)點(diǎn)。

        (2)基于高性能等厚鋼窄鋼箱組合梁橋結(jié)構(gòu)安全,施工便利,設(shè)計(jì)精確,材料指標(biāo)控制得當(dāng),經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)良,是一種可以大規(guī)模推廣的新型橋梁結(jié)構(gòu)。

        (3)基于高性能等厚鋼窄鋼箱組合梁符合工業(yè)化建造理念,真正讓裝配化、模塊化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想和理念充分實(shí)現(xiàn)。

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