預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合桁架簡支梁橋設(shè)計(jì)研究

付 宏

（山西誠達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030006）

鋼—混組合梁因能充分發(fā)揮材料力學(xué)性能，承載力利用系數(shù)高，跨越能力強(qiáng)而被廣泛采用。其中鋼管混凝土作為一種復(fù)合材料運(yùn)用于受壓柱、主拱圈等承壓構(gòu)件中已體現(xiàn)出一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢。近年來，鋼管混凝土作為壓彎構(gòu)件在橋梁結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用也有所發(fā)展。湖北秭歸縣向家壩大橋，四川雅安干海子大橋的建設(shè)均表明鋼管混凝土組合桁梁橋施工方便，材料用量少，力學(xué)性能良好。

鋼管混凝土組合桁梁是由填充混凝土的下弦桿與空腹桿構(gòu)成空間四角錐穩(wěn)定桁架體系，在桁架上澆筑混凝土橋面板，形成鋼管混凝土桁架—混凝土橋面板組合梁。與傳統(tǒng)鋼桁梁相比，在下弦桿中填充混凝土能提高節(jié)點(diǎn)剛度與承載力，減少用鋼量；與鋼箱梁相比，在桁架上設(shè)置混凝土橋面板能提高主梁整體剛度，混凝土橋面板上做鋪裝層能有效解決鋼梁橋面鋪裝易產(chǎn)生病害的問題；與混凝土梁相比，自重輕，承載力利用系數(shù)高。

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在重要交通線上修建跨線橋要求跨徑大，建筑高度小，施工速度快，對交通影響小。基于此，本文進(jìn)行了一座預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合桁架簡支梁橋的試設(shè)計(jì)探索，以期能為跨線橋建設(shè)提供一種思路。

1 預(yù)應(yīng)力組合桁梁的概念

1.1 結(jié)構(gòu)組成

預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合桁架簡支梁由預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土下弦桿、腹桿、橋面板、上弦桿及平聯(lián)等幾部分組成，桿件之間通過相貫焊接節(jié)點(diǎn)連接，桁架與橋面板固結(jié)，上弦桿與平聯(lián)嵌固于橋面板中。窄橋可采用單片桁梁，寬橋可采用多片桁梁組拼，橫向設(shè)置聯(lián)接系（圖1）。

圖1 結(jié)構(gòu)組成示意圖

a）下弦桿 下弦鋼管設(shè)置PBL剪力連接鍵[1]，并設(shè)置預(yù)應(yīng)力束鋼波紋管定位鋼筋，灌填鋼纖維混凝土后張拉預(yù)應(yīng)力。波紋管硬度應(yīng)高于普通波紋管，防止張拉過程中鋼管內(nèi)混凝土變形。下弦管可按簡支梁彎矩變化規(guī)律采用不同的壁厚以減小用鋼量。

b）腹桿 一個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置4根腹桿，呈倒四角錐形布置。腹桿可按簡支梁剪力變化規(guī)律采用不同的規(guī)格。

c）橋面板 與鋼桁連接節(jié)點(diǎn)部位設(shè)置板托，橋面板橫向鋼筋從上弦桿預(yù)留孔洞穿入并錨固。

d）上弦桿及平聯(lián) 與腹桿焊接連接。上弦桿在滿足橋面板施工時(shí)受力要求的前提下可適當(dāng)減小尺寸，橋面板形成強(qiáng)度后上弦桿作為勁性骨架參與受力。

1.2 施工工藝

a）鋼桁梁組拼 可節(jié)段預(yù)制，施工現(xiàn)場組拼[2]。若運(yùn)輸條件受限，可工廠制作標(biāo)準(zhǔn)桿件，現(xiàn)場焊接，對于大型非標(biāo)管件還可現(xiàn)場卷制[3]。下弦管制作要增設(shè)PBL剪力連接鍵和預(yù)應(yīng)力束定位鋼筋。

b）鋼桁梁架設(shè) 平整兩岸場地后，邊組裝邊頂推，對于大跨徑橋梁需設(shè)置少量臨時(shí)墩，中小跨徑橋梁可實(shí)現(xiàn)無臨時(shí)支架頂推施工。

c）灌填混凝土 鋼桁梁架設(shè)調(diào)整就位后，下弦管灌填鋼纖維混凝土，為確保灌填密實(shí)，應(yīng)事先做節(jié)段灌填試驗(yàn)。

d）張拉預(yù)應(yīng)力 預(yù)應(yīng)力分批次張拉，混凝土橋面板施工前與施工過程中分別張拉一部分，施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張滿余下預(yù)應(yīng)力。

e）澆筑橋面板 橋面板可現(xiàn)澆也可預(yù)制[4]。現(xiàn)澆橋面板以鋼管混凝土桁梁為支撐系統(tǒng)，同時(shí)可在橋面板下搭設(shè)防護(hù)工棚，避免澆筑混凝土掉渣或器物掉落影響橋下交通，全過程無需在主梁下搭設(shè)額外支架。

2 試設(shè)計(jì)探討

2.1 工程背景

某在建高速公路跨線橋采用1×60 m鋼—混疊合梁，橋?qū)?0 m，主梁高2.7 m，分別在1/3跨、2/3跨處搭設(shè)臨時(shí)支架，節(jié)段鋼梁吊裝上架后在臨時(shí)支架上焊接（圖2）。為避免澆筑橋面板混凝土影響橋下行車安全，在預(yù)留車道上搭設(shè)臨時(shí)防護(hù)工棚。施工全過程高速公路進(jìn)行4次交通導(dǎo)改，2次中斷交通，中斷交通總時(shí)長達(dá)10 h。

試設(shè)計(jì)方案擬采用預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合桁架簡支梁，保留原方案下部結(jié)構(gòu)及一道臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐設(shè)在跨中部位，基礎(chǔ)布置在高速公路中央分隔帶內(nèi)（圖2）。

圖2 在建跨線橋方案示意圖（單位：cm）

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試設(shè)計(jì)方案采用雙幅布置，單幅橋面寬度15 m，四車道通行。單幅橋橫向由兩片桁梁組拼而成?；炷翗蛎姘逡话愫穸葹?2 cm，加腋處厚度50 cm。下弦鋼管設(shè)置4道PBL剪力連接鍵，寬150 mm，厚15 mm；單根下弦鋼管混凝土張拉4束19×φs15.2預(yù)應(yīng)力束，預(yù)留孔道直徑為10 cm。腹桿按剪力變化規(guī)律設(shè)置3種壁厚。主梁布置如圖3～圖4所示，各桿件尺寸及材料用量列于表1。

圖3 組合桁梁1/2立面布置圖（單位：cm）

圖4 組合桁梁1/2橫斷面布置圖（單位：cm）

2.3 受力分析

受力分析采用有限元軟件Midas civil進(jìn)行計(jì)算。鋼管混凝土用共節(jié)點(diǎn)雙單元進(jìn)行模擬，鋼桁桿件均采用梁單元，各桿件交叉處共節(jié)點(diǎn)處理。橋面板采用梁格模擬，縱梁節(jié)點(diǎn)與鋼桁上弦節(jié)點(diǎn)之間剛性連接。全橋分幅對稱布置，僅取半幅進(jìn)行驗(yàn)算，有限元模型如圖5所示。

圖6為正常使用極限狀態(tài)下混凝土橋面板上、下緣的應(yīng)力包絡(luò)圖。從圖中可看出橋面板全截面受壓，壓應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。

表1 桿件截面尺寸與材料用量表

圖5 有限元模型

圖6 正常使用極限狀態(tài)下橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖

偏于保守的計(jì)算，鋼管混凝土受拉時(shí)不計(jì)混凝土的抗拉作用，圖7為正常使用極限狀態(tài)下鋼管混凝土下弦桿的應(yīng)力包絡(luò)圖，由圖可看出施加預(yù)應(yīng)力后下弦鋼管應(yīng)力包絡(luò)圖下移，跨中拉應(yīng)力減小。腹桿主要傳遞剪力，應(yīng)力在支點(diǎn)截面附近較大，介于-189.3～170.1 MPa之間，均小于容許應(yīng)力295 MPa。移動(dòng)荷載作用下跨中最大撓度為30 mm＜L/800，主梁剛度滿足要求。

圖7 正常使用極限狀態(tài)下弦鋼管混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖

3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析

原鋼—混疊合梁方案與試設(shè)計(jì)方案上部結(jié)構(gòu)主要材料用量如表2所示。預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合桁梁鋼材用量相比原方案減小1 065.9 t，混凝土用量增加231.1 m3，預(yù)應(yīng)力鋼材用量增加18.5 t，總重量減輕469.6 t。由于空鋼管桁架自重輕，便于頂推，頂推到位后又可作為下弦桿與橋面混凝土的支架系統(tǒng)，在下部結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐上花費(fèi)少，對橋下交通影響小。不足之處在于主梁高跨比略大，但相比鋼管混凝土組合桁梁要小很多。

表2 主要材料用量對比表

4 結(jié)語

在鋼管混凝土組合桁架簡支梁下弦桿中施加預(yù)應(yīng)力形成預(yù)應(yīng)力組合桁梁結(jié)構(gòu)，通過對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試設(shè)計(jì)探索表明其力學(xué)性能良好，運(yùn)用在橋梁上部結(jié)構(gòu)中還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）自重輕，便于頂推施工，施工過程中所需的臨時(shí)支撐系少，作為跨線橋建設(shè)對橋下交通影響小。

b）相比鋼管混凝土組合桁梁，能充分利用鋼管混凝土的受壓性能，有效減小主梁建筑高度。

c）鋼材用量與鋼—混疊合梁相比大大減小，使得這種橋型更為經(jīng)濟(jì)。