鋼箱梁與混凝土墩柱連接節(jié)點(diǎn)的研究與應(yīng)用

張云夫

(荊州市政府投資工程建設(shè)管理中心 荊州 434000)

1 鋼箱梁橋的發(fā)展

箱型梁橋誕生于19世紀(jì)中期，1850年建成通車的布列坦尼亞橋(Britannia Bridge)是世界上用熟鐵板鉚接而成的第一座鐵路箱形梁橋。第二次世界大戰(zhàn)后，德國正式采用鋼橋面板(正交異形板)作為承受輪載的橋梁，同時作為主梁翼緣參與主梁共同工作，建成了許多連續(xù)鋼板梁橋和連續(xù)鋼箱梁橋，由于經(jīng)濟(jì)性較好，很快被世界各國采用。20世紀(jì)60年代，由于大型輥壓鋼板、自動化切割和焊接等技術(shù)的發(fā)展，鋼箱梁技術(shù)得到了快速發(fā)展。20世紀(jì)70年代末期以后，伴隨著薄壁結(jié)構(gòu)計算理論、有限元理論和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，鋼箱梁發(fā)展邁上了一個新臺階。

鋼箱梁在我國的發(fā)展起源于20世紀(jì)60年代，且多用于鐵路橋梁，90年代我國才開始使用正交異性鋼橋面板箱梁，但發(fā)展速度非常快，20年間取得了令世界矚目的輝煌成就[1]。

2 鋼箱梁與混凝土墩連接節(jié)點(diǎn)問題的提出

鋼筋混凝土墩柱結(jié)構(gòu)剛度大，可根據(jù)需要設(shè)計成板式墩、花瓶式墩及柱式墩等造型。墩身底部一般埋入土中，混凝土墩柱又具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，所以在橋梁設(shè)計中應(yīng)用廣泛。

鋼箱梁橋一般采用混凝土墩柱，鋼箱梁與混凝土墩柱的連接方式至關(guān)重要，常用以下2種形式。

1) 鋼箱梁和混凝土墩柱之間采用支座連接，其處理方式和常規(guī)鋼筋混凝土橋梁墩連接一致，在此不作贅述。

2) 由于結(jié)構(gòu)體系、造型等限制，鋼箱梁和混凝土墩柱之間無法安裝支座，將兩者直接連接形成節(jié)點(diǎn)，對此節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式的研究和應(yīng)用是本文的重點(diǎn)。

3 墩梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式

鋼箱梁與混凝土墩柱的連接有2種方式，即剛接與鉸接。從橋墩的受力來分析，若采用鉸接，則橋墩為一般受壓柱，受力簡單，可釋放梁傳給墩柱的彎矩，但是鉸接連接構(gòu)造較復(fù)雜，造價昂貴且耐久性不好,因此鋼箱梁與混凝土墩柱連接常采用剛接節(jié)點(diǎn)。

針對剛接節(jié)點(diǎn)，提出以下方案并從施工難易程度、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等方面比較，結(jié)果見表1。

表1 各連接形式比較表

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

海子湖大道太湖港橋位于湖北省荊州市海子湖大道跨太湖港橋處，根據(jù)方案設(shè)計，主橋采用36 m+60 m+36 m預(yù)應(yīng)力混凝土變高現(xiàn)澆箱梁，分3幅布置，在每2幅之間采用系桿拱橋裝飾，結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 裝飾系桿拱橋總體立面布置圖(單位：m)

拱肋采用八邊形鋼箱梁，高1 m、寬1.5 m，中跨拱肋矢跨比1/4，邊跨拱肋矢跨比1/3.6。系桿采用矩形鋼箱梁，高1 m、寬1.5 m，均采用板肋對頂、底、腹板進(jìn)行加勁，板肋間距250～300 mm，拱肋和系桿均設(shè)置框架式隔板改善畸變應(yīng)力，間距約2 m。吊桿采用直徑300 mm的鋼管，橋墩與系梁等寬，主要斷面布置見圖2～3。

圖2 拱肋橫斷面圖(單位：mm)

圖3 系桿橫斷面圖(單位：mm)

由于裝飾系桿拱橋與主橋分離，不承受汽車及人群活載，僅承受自重恒載、不均勻沉降、溫度及橫風(fēng)荷載，從景觀性考慮，為使結(jié)構(gòu)顯得輕巧靈動，系桿和拱肋采用鋼箱截面。鑒于裝飾系桿拱橋橫橋向很窄(僅1.5 m)，考慮到橫向穩(wěn)定性，系桿鋼箱梁與混凝土橋墩之間無法設(shè)置支座，僅可形成剛性節(jié)點(diǎn)，將荷載傳遞至基礎(chǔ)。

4.2 系桿鋼箱梁整體計算

計算考慮自重、不均勻沉降、溫度及橫風(fēng)等荷載[2]，采用有限元程序midas Civil進(jìn)行建模計算，模型見圖4。

圖4 模型離散圖

主要計算結(jié)果如下。

1) 應(yīng)力。

拱圈：截面上緣最大拉應(yīng)力25.0 MPa，最大壓應(yīng)力45.0 MPa；截面下緣最大拉應(yīng)力41.6 MPa，最大壓應(yīng)力41.4 MPa。

系梁：截面上緣最大拉應(yīng)力30.7 MPa，最大壓應(yīng)力49.6 MPa；截面下緣最大拉應(yīng)力46.3 MPa，最大壓應(yīng)力51.1 MPa。

各截面正應(yīng)力均小于強(qiáng)度設(shè)計值fd=275 MPa，滿足規(guī)范要求[3-4]。

2) 剛度。主梁靜活載最大撓度24.6 mm，撓跨比δ/L=1/24 39<1/500，滿足規(guī)范要求[5]。

3) 屈曲。由于結(jié)構(gòu)橫向尺寸很小，一階屈曲模態(tài)為中跨拱肋面外變形，屈曲系數(shù)55>5，滿足規(guī)范要求。

圖5 拱肋一階屈曲模態(tài)圖

4.3 系桿鋼箱梁與墩柱節(jié)點(diǎn)連接形式選擇

本工程鋼箱梁與混凝土墩柱節(jié)點(diǎn)類型的選擇考慮以下因素。

1) 整個結(jié)構(gòu)僅為裝飾，節(jié)點(diǎn)受力不大，對連接部位密貼性要求不高。

2) 結(jié)構(gòu)尺寸不大，在鋼箱內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋或擰緊螺栓等施工空間有限。

3) 工期緊張，工序要求簡單并考慮一定的經(jīng)濟(jì)性。

通過表1中的比選和系桿鋼箱梁整體計算結(jié)果，結(jié)合本工程實(shí)際情況，綜合考慮采用方案二鋼筋錨固連接。

4.4 系桿鋼箱梁與混凝土墩節(jié)點(diǎn)設(shè)計

根據(jù)上一章節(jié)的比選結(jié)果，選取了鋼筋錨固的連接方式，將橋墩邊緣鋼筋伸入系桿鋼箱，為使連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步結(jié)合緊密，在系梁底3 m范圍內(nèi)的橋墩截面增設(shè)核心鋼筋，如圖6 “B-B”斷面所示，核心鋼筋與橋墩邊緣鋼筋一同伸入至系桿鋼箱頂部，然后在系桿鋼箱與鋼筋的連接區(qū)域填充與橋墩同標(biāo)號混凝土，使鋼筋與混凝土結(jié)合產(chǎn)生握裹力以抵抗節(jié)點(diǎn)所承受的各種荷載。

圖6 節(jié)點(diǎn)立面及橫斷面圖(單位：mm)

4.5 橋墩與鋼箱梁結(jié)合處截面計算

以下計算以中墩為例，按偏心受壓構(gòu)件計算，且不計核心混凝土處的鋼筋。

中墩身截面為1.8 m×1.5 m矩形截面，縱向墩身主筋單側(cè)采用18根直徑25 mm的HRB400鋼筋，橫向墩身主筋單側(cè)采用15根直徑25 mm的HRB400鋼筋，主筋距混凝土表面距離as=6.5 cm。

1) 墩身強(qiáng)度檢算

表2 墩身強(qiáng)度檢算表

2) 墩身裂縫檢算

表3 墩身裂縫檢算表 mm

根據(jù)以上計算，拱肋、系梁及橋墩受力均滿足規(guī)范要求，錨固鋼筋伸入系梁填充混凝土內(nèi)長度為95 cm，滿足規(guī)范規(guī)定的錨固長度。采用鋼筋錨固連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單，施工方便，傳力明確，可保證荷載通過節(jié)點(diǎn)有效傳遞至橋墩。

4.6 注意事項

1) 橋墩邊緣鋼筋和核心鋼筋需要伸入系桿鋼箱內(nèi)，系桿鋼箱底板預(yù)留鋼筋伸入孔。在施工過程中為保證鋼筋順利通過，需將鋼筋2～4根作為1組，在底板布置長圓孔，即使個別鋼筋定位稍有誤差，也可以通過長圓孔糾偏，如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)鋼箱底板鋼筋預(yù)留孔布置圖

2) 根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范[6]，塑性鉸配置的箍筋應(yīng)延伸至蓋梁和承臺內(nèi)，因此橋墩箍筋應(yīng)延伸布置于系梁填充混凝土內(nèi)。

5 結(jié)語

1) 介紹了鋼箱梁的發(fā)展和在我國的應(yīng)用情況，提出了鋼箱梁與混凝土墩柱連接節(jié)點(diǎn)問題。

2) 通過對鋼箱梁與混凝土墩剛接與鉸接2種連接方式進(jìn)行分析，采用了剛接的連接方式，并對鋼箱梁與混凝土墩常用的4種連接方式進(jìn)行了比較。

3) 根據(jù)總體計算和工程實(shí)際情況及各連接形式的適用特點(diǎn)，選擇了“鋼筋錨固連接”的連接形式，并對此種連接形式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4) 對鋼筋錨固連接節(jié)點(diǎn)的鋼筋穿入和橋墩箍筋布置提出注意事項，為以后類似工程的設(shè)計提供了一定的經(jīng)驗。

[1] 賈高炯.鋼箱梁橋設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2] 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范：JTG D64-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] 侯東序，董偉，吳智敏，等.CFRP加固局部薄弱混凝土橋墩非線性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2014，38(3)：520-524.

[5] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6] 城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范：CJJ 166-2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.