鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討

1 前言

鋼材是建筑行業(yè)的重要材料，目前我國(guó)鋼材的年產(chǎn)量居世界首位，鋼產(chǎn)量的增加為我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造了非常好的發(fā)展機(jī)遇，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用在我國(guó)得到快速的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁和傳統(tǒng)的混凝土抱柱梁相比，具有施工方便、施工周期短、適用范圍廣、穩(wěn)定性高、可循環(huán)利用等眾多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，致使其被廣泛的應(yīng)用在我國(guó)建筑行業(yè)中。因此，對(duì)于工程設(shè)計(jì)和施工人員來(lái)說(shuō)，研究鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)于提高工程設(shè)計(jì)水平和實(shí)踐應(yīng)用效果具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探析

2.1 工程概況以及鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁優(yōu)勢(shì)分析

文章以某航道橋梁工程為例，該橋梁工程采用三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁架構(gòu)，主橋的總重量為4.712×104kN，橋凈高5.35m，跨境設(shè)計(jì)為36m+60m+36m，分為分離式上行和下行雙幅橋，因?yàn)樵摌蛄汗こ炭缭降暮降肋M(jìn)行升級(jí)改造，將橋柱凈高調(diào)整至8.35m，該橋梁工程的改造施工隊(duì)伍通過(guò)將鋼結(jié)構(gòu)包梁柱與傳統(tǒng)的混凝土抱柱梁進(jìn)行對(duì)比，鋼結(jié)構(gòu)包梁柱的優(yōu)勢(shì)在于:(1)鋼結(jié)構(gòu)包梁柱的梁寬相對(duì)較小，對(duì)橋下空間的要求不高，具有更加廣泛的適用范圍;(2)鋼結(jié)構(gòu)包梁柱和橋墩接觸面的連接力相對(duì)較大，可靠性和安全性更高;(3)鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁可以循環(huán)使用，能夠有效的提高鋼材的使用率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展以及低碳經(jīng)濟(jì)具有非常重要的作用;(4)鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁在施工的過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境的影響相對(duì)較小，具有非常好的環(huán)保和社會(huì)效益;(5)鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的各個(gè)預(yù)制構(gòu)件間采用螺栓進(jìn)行連接，便于進(jìn)行安裝和拆卸，有效的縮短施工周期。因此，該橋梁工程施工隊(duì)伍決定采用鋼結(jié)構(gòu)包梁柱。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁在實(shí)踐應(yīng)用的設(shè)計(jì)

(1)有限元分析。創(chuàng)建單個(gè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁有限元分析模型，各種參數(shù)根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行選擇，間隔一定距離設(shè)置一個(gè)千斤頂，千斤頂?shù)淖畲箜斏?×105N，千斤頂和臨時(shí)支承力相同，設(shè)計(jì)在千斤頂?shù)膬?nèi)側(cè)，鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁荷載狀況如表1所示。鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的安全系數(shù)相對(duì)較高，中心抱柱梁結(jié)構(gòu)在連接板相交位置、中心鋼箍、頂板等位置應(yīng)力相對(duì)集中，需要設(shè)計(jì)加勁肋提高整體的安全性和可靠性。此外，通過(guò)采用雙向預(yù)應(yīng)力和剪力鍵的鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁，能夠滿(mǎn)足抱柱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值大于千斤頂托架體系的要求，有效的提高了材料的利用率，顯著的縮短了施工周期。

表1 鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁荷載狀況表

(2)預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的鋼材選擇應(yīng)該根據(jù)建筑工程的實(shí)際狀況，例如建筑高度、施工、結(jié)構(gòu)材料、地基、場(chǎng)地條件、抗震設(shè)防烈度、抗震類(lèi)別等因素，通過(guò)綜合考慮各個(gè)方面的因素，選擇相應(yīng)的鋼材。抱柱梁的主要構(gòu)件通常在工廠(chǎng)預(yù)制，然后再施工現(xiàn)場(chǎng)采用螺栓進(jìn)行拼裝形成整體，當(dāng)橋梁的整體頂升提升改造完成之后，僅需要將拼裝螺栓卸下就能夠完成結(jié)構(gòu)的拆除。

(3)分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)不同采用橋墩的尺寸也不相同，如果鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的橋墩采用整體式結(jié)構(gòu)，這樣不僅會(huì)降低其使用壽命，同時(shí)由于整體式結(jié)構(gòu)為單次使用，不能進(jìn)行其他橋梁結(jié)構(gòu)的提升改造。因此，該橋梁工程的鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁采用分離式結(jié)構(gòu)，即直接承受作用反力的千斤頂托架結(jié)構(gòu)和與橋墩相連的中心抱柱梁結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，這兩種結(jié)構(gòu)在施工的過(guò)程中都采用螺栓進(jìn)行連接，前者可以循環(huán)使用，后者應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際需求進(jìn)行定制。該工程的鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的分離式結(jié)構(gòu)采用在雙幅橋的橋墩間無(wú)連接的方式，每一個(gè)抱柱梁由千斤頂托架和中心抱柱梁組成，千斤頂托架可以進(jìn)行循環(huán)利用，中心抱柱梁和作為千斤頂托架體系的鋼箱梁都采用Q345鋼材，橫橋向和順橋向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為930MPa，抱柱梁的高度為40cm，連接板的間距為25cm，剪力鍵寬度為3.5cm，橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的各構(gòu)件厚度分別為:預(yù)應(yīng)力加勁肋16mm;箱梁連接板18mm;箱梁腹板8mm;箱梁頂板、底板12mm;中心梁頂板、底板30mm;加勁肋8mm;中心梁連接板24mm;剪力鍵20mm;中心鋼箍30mm。

(4)雙向預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)置鋼制剪力鍵能夠顯著的提高墩梁截面的連接力，同時(shí)在一定程度上能夠降低抱柱梁結(jié)構(gòu)的高寬比(通常狀況下，鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁的高寬比控制在0.4-0.6)，這樣能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)抱柱梁的彎矩效應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)減弱橋墩和梁底部分區(qū)域的連接。此外，為了保證鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁施工期間的安全性和可靠性，應(yīng)該在鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁下方設(shè)置雙向預(yù)應(yīng)力筋，這樣能夠在抱柱梁的中心區(qū)域形成環(huán)向預(yù)應(yīng)力，同時(shí)為了充分的發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋的作用，應(yīng)該把預(yù)應(yīng)力筋錨固在千斤頂托架結(jié)構(gòu)上。

(5)剪力鍵的設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁與混凝土抱柱梁不同，預(yù)制的鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁在進(jìn)行安裝的過(guò)程中，缺乏原橋橋墩和膠凝材料的連接。由于鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁采用承受剪力為主的方式，因此需要在墩梁截面設(shè)置剪力鍵，每隔一段距離對(duì)橋墩表面抱柱梁設(shè)置區(qū)域進(jìn)行環(huán)向切槽處理，切槽的深度和混凝土保護(hù)層的厚度相同，此外還應(yīng)該在橋墩和抱柱梁接觸的界面，按照相同的間距設(shè)置環(huán)向剪力鍵，這樣能夠有效的工程改造施工中的頂升反力，通過(guò)橋墩和剪力鍵之間的咬合作用，達(dá)到增強(qiáng)橋墩界面抗剪承載能力的效果。

(6)加勁肋的設(shè)計(jì)。為了防止鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部屈曲的現(xiàn)象，需要在應(yīng)力集中部分(例如構(gòu)件尺寸突變區(qū)域)以及抱柱梁承受集中區(qū)域(例如千斤頂、臨時(shí)支撐構(gòu)件區(qū)域)設(shè)置加勁肋，厚度如表2所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，鋼結(jié)構(gòu)抱柱梁和傳統(tǒng)的混凝土抱柱梁相比具有更多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，致使其被廣泛的推廣和應(yīng)用在現(xiàn)代橋梁整體同步頂升施工中。

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[2]寇立亞，馮亞男，姚山.淺談鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].山西建筑，2010，36(18):46-47.

[3]趙煜，李春軒，張充滿(mǎn).在役連續(xù)剛構(gòu)橋頂升技術(shù)及應(yīng)用[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(4):52-54.