基于免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋適用性研究

胡少宏， 周小伍， 汪志甜

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2．安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

免涂裝高性能耐候鋼具有免涂裝、強度高、耐久性好等優(yōu)點,在國外已廣泛運用于橋梁建設(shè)中[1],但在國內(nèi)的橋梁建設(shè)運用較少,尤其是運用到國內(nèi)的鋼板組合梁橋則更少[2]。因此有必要開展免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋方面的研究。

王春生等[3]總結(jié)了國內(nèi)外高性能耐候鋼橋新的研究進展及其工程應(yīng)用。鄭凱鋒等[4]闡述了國內(nèi)外耐候鋼在橋梁工程應(yīng)用的研究新進展、成果及應(yīng)用前景。劉玉擎等[5]總結(jié)了耐候鋼在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了耐候鋼橋的設(shè)計要點[5]。

針對國內(nèi)外對于免涂裝高性能耐候鋼在鋼板組合梁橋中研究較少的情況,為掌握免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋適用性能,本文設(shè)計免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋,建立了有限元計算模型,獲得了耐候鋼橋在恒載和汽車荷載作用下的最大彎矩應(yīng)力和最大豎向位移,并進行了鋼板梁豎向加勁肋構(gòu)造驗算。

1 免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋設(shè)計

本文設(shè)計免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋為連續(xù)梁橋,其跨徑為(25+2×35+25)m。

1.1 主梁設(shè)計

主梁采用免涂裝高性能耐候鋼,根據(jù)橋面寬度的不同,橫向截面就采用不同的免涂裝高性能耐候鋼的主梁根數(shù)。本文設(shè)計的橋梁寬度為8.5 m,因此采用雙主梁鋼板組合梁。

鋼主梁采用變厚度免涂裝高性能耐候鋼工字形直腹板鋼梁,混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。

鋼縱梁上翼緣寬度600 mm,板厚為20～60 mm;下翼緣寬度800 mm(中支點位置加寬至1 000 mm),板厚為26～60 mm;腹板厚由支點處20 mm漸變至14 mm。主梁上下翼緣板及腹板均采用變厚免涂裝耐候鋼軋制鋼板(LP鋼板),如圖1所示。

圖1 橋?qū)?.5 m主梁橫斷面圖(單位：mm)

腹板設(shè)置橫向加勁肋,加勁肋寬度150 mm,厚度12 mm。

主梁之間采用橫梁加強橫向聯(lián)系,中支點設(shè)置中橫梁[6],端支點設(shè)置端橫梁?？玳g設(shè)置小橫梁。鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接。

1.2 橋面板設(shè)計

橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),跨中板厚24 cm,在與鋼梁支撐結(jié)合處加厚到35 cm,由預(yù)制混凝土板、橫向濕接縫和剪力釘群預(yù)留孔三部分構(gòu)成。

8.5 m橋面板單塊預(yù)制板橫橋向為一塊整板,預(yù)制板橫向?qū)挾葹?.5 m,縱橋向長度為2.65 m,預(yù)留有4個50 cm×58 cm的剪力釘群孔,縱向濕接縫寬度為0.35 m。

2 免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁有限元模型

常規(guī)桿系程序無法精確模擬,故采用空間梁格建立有限元模型[7]。本文根據(jù)本橋特點,利用有限元分析軟件MIDAS Civil建立了免涂裝耐候鋼橋有限元計算模型,全橋共656個單元,483個節(jié)點。有限元模型如圖2所示。

圖2 跨徑(25+2×35+25) m耐候鋼組合梁橋有限元模型

3 免涂裝耐候鋼橋所處環(huán)境分析

本文設(shè)計免涂裝耐候鋼橋處于蕪合高速巢湖段,屬于北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),四季分明,溫暖潤濕,春夏季以東南風為主,秋冬季以東北風為主,多年平均風速約為4.1 m/s。降水主要集中于6～8月份,約占年降水量的65%。該地區(qū)梅雨天氣明顯,歷年平均梅雨期長達24 d。全年相對濕度大部分時間在60%以下,氯化物和硫化物水平較低,且橋位處沒有水系。按照日本及美國相關(guān)規(guī)定,本工程環(huán)境符合免涂裝耐候鋼橋適用條件[8]。

4 計算結(jié)果

4.1 不考慮厚度折減的耐候鋼橋主要計算結(jié)果

在恒載和汽車荷載基本組合作用下,鋼主梁最大彎矩應(yīng)力為211.7 MPa, 發(fā)生在中間支座處,如圖3所示，小于耐候鋼強度設(shè)計值275 MPa;鋼主梁最大豎向位移39.75 mm,發(fā)生在跨中位置,如圖4所示，小于規(guī)范要求L/500=70 mm。

圖3 鋼主梁彎矩應(yīng)力圖

圖4 鋼主梁豎向位移圖

4.2 考慮厚度折減的耐候鋼橋主要計算結(jié)果

為驗證本文設(shè)計的免涂裝耐候鋼板組合梁橋全壽命周期的可靠性,偏保守考慮,按照英國對于腐蝕容許腐蝕厚度計算方法,在本工程環(huán)境類別取鋼梁每個暴露面銹層厚度1.5 mm。

耐候鋼在銹蝕后,其表面形成一層致密的保護銹層[9]。每個暴露銹層厚度為1.5 mm。考慮到銹層不能承受荷載,因此,在設(shè)計中要對耐候鋼主梁厚度進行折減。荷載基本組合作用下,考慮耐候鋼銹蝕折減后鋼主梁最大彎矩應(yīng)力為217.1 MPa, 發(fā)生在中間支座處,如圖5所示，小于耐候鋼強度設(shè)計值275 MPa;鋼主梁最大豎向位移41.29 mm,發(fā)生在跨中位置,如圖6所示，小于規(guī)范要求L/500=70 mm。

圖5 考慮耐候鋼銹蝕折減后的鋼主梁彎矩應(yīng)力圖

圖6 考慮耐候鋼銹蝕折減后的鋼主梁豎向位移圖

考慮與不考慮厚度折減耐候鋼厚度的對比結(jié)果表明:相比不考慮折減,折減后的主梁上緣最大應(yīng)力和下緣最大應(yīng)力明顯增大,增加率分別為2.5%和3.7%。厚度折減后的跨中最大撓度亦明顯增大,比不考慮厚度折減增加3.9%，詳見表1。

表1 考慮與不考慮厚度折減的耐候鋼橋計算結(jié)果對比

4.3 縱梁腹板構(gòu)造驗算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》(GB 50917-2013)[10]第6.4.2條驗算局部穩(wěn)定:

對于設(shè)置豎向加勁肋,但是不設(shè)縱向水平加勁肋,應(yīng)滿足:

5 結(jié) 論

(1)不考慮厚度折減時,耐候鋼橋的鋼主梁最大彎矩應(yīng)力為211.7 MPa,鋼主梁最大豎向位移39.75 mm。

(2)考慮厚度折減時,鋼主梁最大彎矩應(yīng)力為217.1 MPa,鋼主梁最大豎向位移41.29 mm。折減后的主梁上緣最大應(yīng)力和下緣最大應(yīng)力明顯增大,增加率分別為2.5%和3.7%。折減后的跨中最大撓度亦明顯增大,比不考慮折減增加3.9%。

(3)本文設(shè)計的免涂裝耐候鋼橋符合工程環(huán)境的適用條件。計算結(jié)果表明:按照偏保守的耐候鋼腐蝕富裕量設(shè)計方法,考慮銹層折減后,在全壽命周期100年內(nèi),免涂裝耐候鋼橋結(jié)構(gòu)強度、剛度以及構(gòu)造驗算均滿足規(guī)范要求,因此免涂裝耐候鋼橋在工程中具有安全、可靠的性能。