中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)形式研究

屈豐來

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

預(yù)制裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁是以預(yù)制構(gòu)件為主，經(jīng)裝配、連接而成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁。隨著遼寧省工業(yè)化水平的提高，裝配式組合結(jié)構(gòu)體系逐步得到重視，開展裝配式組合梁橋的應(yīng)用，可完善新型組合結(jié)構(gòu)體系，對提高遼寧省橋梁工業(yè)化水平具有重要的實(shí)用價(jià)值[1]。主要特點(diǎn)：預(yù)制裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件利用工廠化制作和預(yù)制裝配技術(shù)，保證構(gòu)件質(zhì)量，提高橋梁建設(shè)速度，減小施工過程對交通的干擾和環(huán)境的不利影響，減小交通封堵帶來的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

目前中小跨徑橋梁(16m、20m跨徑)常用結(jié)構(gòu)形式為空心板，空心板具有結(jié)構(gòu)形式簡單、建筑高度低、用材經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為以前國內(nèi)公路橋梁20m以下跨徑橋梁的首選橋型。但受施工、自然侵蝕及運(yùn)營環(huán)境等因素的影響，建成后的空心板梁橋，隨著服役時(shí)間的延長，逐漸出現(xiàn)材料劣化、裂縫、鉸縫損傷等病害，尤其鉸縫是易損部位，在東北地區(qū)冬季常使用除冰鹽，從而大大加劇鉸縫的破壞進(jìn)程，因此降低了空心板梁橋鉸縫結(jié)構(gòu)耐用性，這些病害的不斷累積和發(fā)展，嚴(yán)重降低橋梁的承載性能并危及行車安全[4-5]。

針對空心板橋的缺點(diǎn)，研究鋼混組合梁替代空心板，鋼混組合梁具有耐久性好、預(yù)制方便、易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和施工、便于運(yùn)輸、吊裝、綜合造價(jià)較優(yōu)等特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)形式

1.1 熱軋組合H型鋼

采用Q345D熱軋帶突起翼緣板與Q345DNH鋼板腹板焊接而成的H型鋼(簡稱熱軋組合H型鋼)，熱軋組合H型鋼優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)頂、底板厚度和寬度及腹板厚度和高度可根據(jù)受力情況進(jìn)行調(diào)整。

(2)由于頂?shù)装迮c腹板連接部位存在凸起，減弱了頂、底板殘余變形和殘余應(yīng)力。

(3)由于頂?shù)装遘堉贫桑档土擞汕懈顚?dǎo)致的浪費(fèi)。

(4)對舊橋改造工程，梁高與原設(shè)計(jì)保持一致，從而不需調(diào)整路線縱斷。

缺點(diǎn)如下:

(1)凸起部位的尺寸沒有相關(guān)規(guī)范及依據(jù)。

(2)生產(chǎn)熱軋帶突起翼緣板的廠家很少。

1.2 鋼板梁

鋼板梁是通過Q345D鋼板焊接而成，鋼板梁同樣具有頂、底板厚度和寬度及腹板厚度和高度可根據(jù)受力狀況進(jìn)行調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)缺點(diǎn)也很突出，列舉如下：

(1)頂?shù)装搴透拱逋ㄟ^雙面角焊縫焊接，在頂?shù)装宕嬖谳^大的熱影響區(qū)域，使鋼板梁存在較大的殘余變形及殘余應(yīng)力，焊后需經(jīng)過復(fù)雜的校正工藝消除殘余變形，這些將導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生附加應(yīng)力，校正增加加工費(fèi)用。

(2)角焊縫焊接影響結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。

(3)由于板材的尺寸限制，縱橋向需要全截面對接焊，大大降低了抗疲勞性能。

(4)頂?shù)装逵奢^大標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼板切割而成，大大增加了由切割導(dǎo)致邊角料的浪費(fèi)，同時(shí)切割處理增加制造費(fèi)用。

1.3 熱軋H型鋼

熱軋H型鋼由于全截面無焊接從而抗疲勞性較好，但存在較多缺點(diǎn)如下：

(1)熱軋H型鋼國標(biāo)型號固定，局部材料在受力方面不能充分利用，導(dǎo)致單位平米用鋼量較高。

(2)通過調(diào)研生產(chǎn)梁高大于708mm的熱軋H型鋼廠家極少，訂貨極其困難。

(3)同等跨徑的橋梁，滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，熱軋H型鋼的梁數(shù)較多，并且建筑高度較高。

2 結(jié)構(gòu)尺寸

16m跨徑的簡支橋梁，荷載等級為公路-Ⅰ級，經(jīng)初步計(jì)算鋼梁尺寸如下：

2.1 組合H型鋼方案

組合H型鋼方案采用Q345D熱軋組合H型鋼，頂板厚18mm，底板厚28mm，寬均為400mm，凸起高度均為45mm，腹板厚10mm，高為494mm，梁高為630(簡寫為630×400×10×28(18)),斷面見圖1。

圖1 組合H型鋼橫斷面

2.2 鋼板梁方案

鋼板梁方案采用Q345D鋼板梁鋼，型號為630×400×10×28(18)，梁高584mm，頂?shù)装鍖挾葹?00mm，頂板厚度為18mm，底板厚度為28mm，腹板厚度為10mm，斷面見圖2。

圖2 鋼板梁橫斷面

2.3 熱軋H型鋼方案

熱軋H型鋼方案采用Q345D熱軋H型鋼708×302×15×28，其中梁高為708mm，頂?shù)装鍖挾染鶠?02mm，厚度均為28mm，腹板厚度為15mm，斷面見圖3。

圖3 熱軋H型鋼橫斷面

3 依托工程

以沈康四期K16+669.5處張家堡中橋作為依托工程，橋梁全長為55.4m，跨徑布置為3×16mm，交角為125°。橋面凈寬為11.45m，兩側(cè)各設(shè)0.5m鋼護(hù)欄。橋面凈寬11.45m；總寬度12.45m；荷載等級公路Ⅰ級；結(jié)構(gòu)形式采用簡支鋼-混組合梁。端橫隔梁采用混凝土橫梁，見圖4，中橫梁采用槽鋼40a，與主梁通過螺栓連接，見圖5。

圖4 端橫隔梁斷面

圖5 中橫隔梁斷面

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼混凝土梁由多片鋼梁及橋面板組成，根據(jù)不同鋼梁結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算了橫向6片鋼梁的情況，梁間距均為2.25m，采用220m厚的鋼筋混凝土橋面板，其中橋面板與鋼梁采用施工階段聯(lián)合截面進(jìn)行計(jì)算，中間無臨時(shí)支撐。主要荷載組合為：

(1)恒載+設(shè)計(jì)車道偏載+混凝土收縮徐變+整體升溫+溫度梯度。

(2)恒載+設(shè)計(jì)車道偏載+混凝土收縮徐變+整體降溫+溫度梯度。

模型見圖6。

圖6 鋼混組合梁計(jì)算有限元模型

在上述荷載組合情況下，分別對3種不同結(jié)構(gòu)形式在最不利荷載組合作用下，上下翼緣板的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知：在偏載作用下，組合梁的上下翼緣應(yīng)力均小于270 MPa，活載撓度小于L/500(32mm)，均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)要求限制，通過計(jì)算以上三種方案均滿足跨徑為16m簡支橋梁的設(shè)計(jì)要求。

通過以上結(jié)果可以看出三種方案下翼緣與上翼緣應(yīng)力比值依次為：1.29,1.28,1.31。說明熱軋H型鋼的上翼緣板的富余度較大，頂板設(shè)計(jì)厚度偏于保守。

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

本項(xiàng)目主要從用鋼量及造價(jià)角度對熱軋H型鋼、鋼板梁及熱軋組合H型鋼方案進(jìn)行對比，見表2。

根據(jù)上述對比，鋼梁每平米價(jià)格由低到高分別為鋼板梁、熱軋組合H型鋼和熱軋H型鋼。熱軋H型鋼每平米造價(jià)比鋼板梁及熱軋組合H型鋼分別高21%及18%。但鋼板梁和熱軋組合H型鋼如果考慮加勁肋的用鋼量及加工費(fèi)用，與熱軋H型鋼費(fèi)用基本相當(dāng)。通過綜合考慮對鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用熱軋H型鋼，可有效地避免疲勞開裂等病害。

4 結(jié)論

以遼寧境內(nèi)已建成的中小跨徑鋼-混組合橋?yàn)檠芯繉ο?，分析了跨徑?6m的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，通過受力分析、造價(jià)及使用性能的綜合比較，建議選取熱軋H型鋼組合梁較為合理。這將為中小跨徑鋼-混組合橋梁的結(jié)構(gòu)選型提供有意義的借鑒。