熱軋H型鋼組合梁在公路橋梁中的適用性研究

郭斌強，余茂峰，董佳霖，高慶飛

(1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 杭州市 310000； 2.哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院 哈爾濱市 150090)

自2016年7月交通運輸部發(fā)布了《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》以來，鋼混組合結構在我國公路橋梁建設中得到了越來越廣泛的應用，尤其是鋼板組合梁，由于其構成簡潔明了、施工方便、經濟性較好，推廣應用速度較快[1-3]。

目前鋼板組合梁的鋼主梁通常由多塊鋼板焊接而成，焊縫質量由鋼結構加工廠的加工能力決定，質量參差不齊，在我國超載情況嚴重的國情下，存在焊縫缺陷的鋼板組合梁在使用過程容易在焊縫位置形成疲勞裂縫。同時，焊接不可避免會使鋼板受熱變形、產生殘余應力，對鋼結構的受力性能不利。另外，大量的焊接加工違背了綠色、環(huán)保、節(jié)能的理念。

自1998年馬鋼引進第一條萬能型鋼生產線以來，熱軋H型鋼憑借截面模數(shù)大、節(jié)材、容易焊接和栓接連接的特點，迅速應用到各個領域[4]，目前在橋梁行業(yè)中多用于臨時結構或橫向聯(lián)系等次要受力構件，極少用作主梁等主要受力構件。

熱軋H鋼的截面形式與鋼板組合梁的鋼主梁基本一致，不需焊接即可作鋼板組合梁的鋼主梁用，且其成分均勻，無焊接組織與殘余應力[5]。相較焊接成型的鋼板組合梁，其力學性能優(yōu)異，質量穩(wěn)定，免去了大部分組立、焊接、矯直、打磨等二次加工的工作量后，其鋼材單價較焊接成型低。研究熱軋H型鋼組合梁在公路橋梁中的適用性。

1 國內外熱軋H型鋼規(guī)格

一般認為高度超過900mm的熱軋H型鋼為重型熱軋H型鋼，目前我國的大部分H型鋼產能均在生產700mm以下的中小型H型鋼，僅有馬鋼、萊鋼、津西、新泰、日照等少數(shù)幾家鋼鐵廠生產700mm以上的大型H型鋼，最大規(guī)格也不超過900mm。歐、美、日、韓等發(fā)達國家有大量900mm以上重型熱軋H型鋼的產能，最大規(guī)格已達到1100mm[6]。統(tǒng)計了部分國內外熱軋H型鋼生產廠家的產能，如表1所示。

表1 國內外部分熱軋H型鋼生產廠家現(xiàn)有產能簡介

隨著重型熱軋H型鋼需求的出現(xiàn)，國內多家鋼廠正在布局重型熱軋H型鋼生產線，為熱軋H型鋼組合梁在公路橋梁中的使用提供了更多素材。多家H型鋼廠家參與了重型熱軋H型鋼行業(yè)標準的編制，征求意見稿中規(guī)劃了重型熱軋H型鋼的最大規(guī)格高度達到1172mm，翼緣板寬度422mm，翼緣板厚度達到72mm，腹板厚度42mm。

2 熱軋H型鋼及組合梁橋設計

以杭紹甬高速公路(G92N杭州灣地區(qū)環(huán)線并行線)杭州至紹興段初步設計為工程背景，進行熱軋H型鋼組合梁橋設計。項目路線全長約52.7km，為雙向六車道高速公路，橋梁寬度34m，左右幅各16.5m。

熱軋H型鋼尺寸相對較小，用于公路橋梁時為盡量提高跨越能力，應采用多主梁斷面。結合16.5m橋幅寬度，采用單幅10主梁的斷面形式，梁間距1.6m，具體梁片布置如圖1所示。

圖1 熱軋H型鋼組合梁標準斷面

采用簡支變連續(xù)結構體系，熱軋H型鋼的腹板高厚比均小于60，且腹板與翼緣板連接處均有圓弧倒角，改善了腹板穩(wěn)定性能，因此不需要焊接腹板加勁肋。為進一步減少焊接工作量，跨中不設橫梁，每個墩頂設一道橫梁，全橋僅有支撐加勁肋與上翼緣剪力釘需進行焊接?；炷翗蛎姘迮c熱軋H型鋼在預制廠完成疊合，共同承受梁體自重。

3 計算分析

熱軋H型鋼組合梁結構與傳統(tǒng)鋼板組合梁的區(qū)別主要在跨中無橫梁，僅靠混凝土橋面板進行橫向聯(lián)系，連接較弱，荷載的橫向分配規(guī)律不明確。

采用ANSYS軟件進行熱軋H型鋼組合梁計算分析，以3×35m跨徑為例，混凝土橋面板厚35cm，采用Solid65單元模擬，H型鋼梁梁高1172mm，翼緣寬度422mm，厚度72mm，腹板厚度42mm，采用Shell181單元模擬。有限元模型如圖2所示。

圖2 熱軋H型鋼組合梁有限元模型

計算自重、橋面鋪裝、護欄、車道荷載、收縮徐變、梯度升降溫、整體升降溫、支座沉降等荷載單項下的鋼主梁von misses等效應力，荷載取值依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，并進行基本組合后驗算承載能力，基本組合按1.1×(1.2×恒載+1.4×汽車荷載(考慮汽車沖擊作用)+1.05×收縮徐變+1.05×梯度溫度+1.05×整體溫度+1.05×支座沉降)計。熱軋H型鋼主梁在承載能力組合下的應力狀況如圖3～圖5所示。

圖3 邊跨跨中H型鋼von misses應力(MPa)

圖4 中跨跨中H型鋼von misses應力(MPa)

圖5 中墩墩頂鋼梁von misses應力(MPa)

提取H型鋼主梁關鍵點在荷載單項、荷載組合下的von misses等效應力，結果見表2?？梢钥吹?，最大應力點出現(xiàn)在墩頂下緣，其值為244.2MPa，小于72mm板厚Q345D鋼材的規(guī)范限值250MPa，上翼緣由于有橋面板共同承受同向力，因此應力水平較低，跨中不超過100MPa，墩頂不超過140MPa，與下翼緣采用等寬等厚的設置浪費了材料用量。

表2 3×35m熱軋H型鋼組合梁關鍵點應力

4 熱軋H型鋼及組合梁橋適用性

對前述國內外熱軋H型鋼規(guī)格進行分類：高度在700mm以內的H型鋼大部分廠家均有生產；900mm為我國目前最大生產規(guī)格；1100mm為國外目前最大生產規(guī)格；1172mm為我國規(guī)劃重型熱軋H型鋼的最大規(guī)格。按梁高700mm、900mm、1100mm、1172mm四種規(guī)格分別用前述計算方法試算極限跨徑并進行經濟性分析。

4.1 極限跨徑分析

按梁高700mm、900mm、1100mm、1172mm四種規(guī)格分別用前述計算方法和結構體系試算極限跨徑，結果見表3。

表3 不同規(guī)格熱軋H型鋼組合梁的極限跨徑

從表2可以看出，熱軋H型鋼組合梁的極限跨徑約為型鋼高度的22～30倍，其中我國規(guī)劃生產的重型熱軋H型鋼翼緣厚度較厚，極限跨高比可達30，其余情況極限跨高比在22左右。

4.2 經濟性分析

對于組合結構來說，最主要的經濟性指標為單位橋面面積用鋼量。四種極限跨徑下的H型鋼組合梁和以往項目常規(guī)鋼板組合梁用鋼量如表4所示。

表4 不同規(guī)格熱軋H型鋼組合梁的用鋼量

常規(guī)鋼板組合梁通?？鐝綖?5m及以上，因此只列出了25m和35m跨徑常規(guī)鋼板組合梁橋的用鋼量，H型鋼組合梁的用鋼量在25m跨徑下為鋼板組合梁的1.55倍，35m跨徑下為鋼板組合梁的2.53倍，而考慮防腐、檢測、切割加工、預拱、運輸、現(xiàn)場安裝等費用后，熱軋H型鋼的每噸單價約為焊接成型鋼板梁的90%，單價下降的比例比用鋼量增加的比例要小，因此跨徑大于25m時，熱軋H型鋼組合梁相較常規(guī)鋼板組合梁在經濟性上并沒有優(yōu)勢。

(1)分析熱軋H型鋼組合梁用鋼量不具優(yōu)勢的原因，主要包括以下2個方面：

①根據(jù)前述計算結果，上翼緣板應力不足下翼緣板應力的1/2，但受制于型鋼生產線，熱軋H型鋼的截面形式固定，尤其是上、下翼緣板只能等寬等厚，導致上翼緣鋼材不能完全發(fā)揮效用，浪費了部分鋼材。

②由于生產線工藝的原因，熱軋H型鋼腹板厚度不能小于上下翼緣板厚度的1/2，但是熱軋H型鋼組合梁主要承受彎矩，尤其在多主梁體系時，腹板只需滿足不小于梁高的60分之一即可。

以1172mm熱軋H型鋼為例，如將上翼緣厚度降至38mm，腹板厚度降至20mm，受力依舊可滿足35m跨徑需求，用鋼量下降34.6%至325.6 kg/m2。

(2)雖然熱軋H型鋼的焊接工作量相較焊接成型鋼板梁有所減少，但是由于橋梁的特殊構造需求，依舊需要二次進場加工，鋼材單價并未大幅下降，加工費用主要包括以下3個方面：

①根據(jù)《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》(GB/T 11263)的規(guī)定，長度≤7m時，需保障60mm正誤差，長度>7m時每增加1m，允許的正誤差增加5mm；根據(jù)美標《結構用軋制棒材、鋼板、型鋼和鋼板樁》(ASTM A6-2014)的要求，梁高大于0.7m的型鋼，長度≤9.144m時，需保障±12.7mm的誤差，長度>9.144m時每增加1.524m，允許的正誤差增加1.5875mm；無論是國標還是美標，都無法滿足橋梁對型鋼長度的要求，因此加工廠需按更高的精度要求對H型鋼進行切割加工。

②為了防止橋梁在使用期下?lián)线^大影響線形，通常需要設置預拱度，且路線縱斷面的豎曲線也需要在加工H型鋼時進行考慮。

③多主梁的斷面形式通常會設置較薄的橋面板，導致伸縮縫安裝空間不足，需要將伸縮縫處的橋面板加厚，將熱軋H型鋼切割出變高的構造。

5 結論

基于杭紹甬高速杭州至紹興段工程初步設計，調研了國內外熱軋H型鋼的生產情況，研究了熱軋H型鋼組合梁的適用性，得到以下結論：

(1)熱軋H型鋼避免了大量焊接工作量，避免了焊接缺陷，質量穩(wěn)定可控，對橋梁受力性能、耐久性均有較大好處，可有效提高我國組合結構橋梁品質。

(2)高度在700mm以內的熱軋H型鋼大部分廠家均有生產，其極限跨徑為16m；900mm為我國目前最大生產規(guī)格，其極限跨徑為20m；1100mm為國外目前最大生產規(guī)格，其極限跨徑為25m；1172mm為我國規(guī)劃重型熱軋H型鋼的最大規(guī)格，其極限跨徑為35m。熱軋H型鋼組合梁在受力上可以滿足我國公路橋梁的使用要求。

(3)由于生產線工藝的原因，熱軋H型鋼的斷面形式固定，上下翼緣板須等寬等厚，腹板厚度不小于翼緣板厚度的1/2等，與橋梁受力特性不一致，導致用作熱軋H型鋼組合梁時浪費了部分鋼材，用鋼量較焊接成型鋼板梁大。

(4)熱軋H型鋼的誤差標準與橋梁工程要求不統(tǒng)一，預拱度和伸縮縫的構造設置無法在生產線上完成，不可避免地需要二次進場加工，因此其鋼材單價較焊接成型鋼板梁僅降低了10%左右。

綜上，如通過研發(fā)上、下翼緣板和腹板厚度可調節(jié)的熱軋H型鋼斷面改善了經濟性，熱軋H型鋼組合梁以其優(yōu)異的力學性能和質量穩(wěn)定性，在公路橋梁中的應用前景將非常廣闊。