π型鋼梁在橋梁應(yīng)急搶修中的應(yīng)用分析

文 / 寧?？h公路與運(yùn)輸管理中心 王德結(jié)

本文通過分析城市橋梁結(jié)構(gòu)形式及維修加固特點(diǎn)，總結(jié)提出用π型鋼梁對(duì)橋梁實(shí)施應(yīng)急搶修的方法，為提高π型鋼梁的適用性，對(duì)梁長、梁高、梁寬、斷面形式及橫向聯(lián)系設(shè)置提出解決方案，用實(shí)體有限原軟件進(jìn)行分析計(jì)算，分別對(duì)比最大應(yīng)力和最大撓度與跨高比的關(guān)系，用來判斷π型鋼梁在橋梁應(yīng)急搶修中的適用性。

概述

為了滿足交通運(yùn)輸?shù)男枰缇€橋在城市橋梁中越來越常見。同時(shí)受到各種因素的制約，橋下的凈空往往不足，超高車輛撞擊主梁的事件經(jīng)常發(fā)生。普通鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁受制作技術(shù)和時(shí)間限制，不能滿足應(yīng)急修理幾何尺寸的多變和交通恢復(fù)時(shí)間短的要求。在這種情況下，可以通過更換π型鋼梁的方式進(jìn)行應(yīng)急搶修，實(shí)現(xiàn)交通迅速恢復(fù)的目的。

技術(shù)要求

π型鋼梁的設(shè)計(jì)和制作應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范，滿足有關(guān)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，并做到方便運(yùn)輸、拼裝和施工，同時(shí)跨徑應(yīng)盡量標(biāo)準(zhǔn)化。因此作為應(yīng)急搶修用π型鋼梁應(yīng)具備如下條件：

（1）安全可靠性高，能夠滿足橋梁設(shè)計(jì)荷載的要求；

（2）適應(yīng)靈活度好，自重要盡量輕，便于運(yùn)輸和安裝；

（3）應(yīng)用范圍要廣，且能夠標(biāo)準(zhǔn)化制作，快速組裝；

（4）類型應(yīng)盡量少，可減少拼裝的復(fù)雜性，并節(jié)約拼裝時(shí)間。

幾何尺寸的選擇

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、拼裝方便和整體自重輕的特點(diǎn)。π型鋼梁成為應(yīng)急搶修的不二之選。材料確定后，幾何尺寸的適配度是制約π型鋼梁的唯一考察指標(biāo)，幾何尺寸包括：梁長、梁寬和梁高，橫向聯(lián)系可以解決多片梁架設(shè)時(shí)的間隔尺寸。

梁長選擇

混凝土預(yù)制板和梁的長度基本上都在8～30m范圍之內(nèi)，設(shè)置伸縮段來滿足不同梁長的要求，此外還包括固定段1和固定段2，同組梁固定段長度保持一致。為提高拼裝梁的受力性能，應(yīng)將伸縮段盡量避開跨中。梁長示意圖見圖1。節(jié)段之間采用拼接方式，通過拼接板及拼接螺栓連接成為整體梁，可快速拼裝成為各種不同的跨徑。

梁高和梁寬選擇

為方便π型鋼梁與被搶修橋梁的連接，π型鋼梁梁高應(yīng)盡量小，如果梁高過高，就會(huì)造成π型鋼梁安裝后的梁頂面高程高于被搶修橋梁，因此每組π型鋼梁均采用較小的跨徑的常規(guī)高度，對(duì)于較大跨徑可通過π型鋼梁下設(shè)置支座墊石的方式，來確保π型鋼梁梁頂與被搶修橋梁橋面高程一致。π型鋼梁寬度宜與當(dāng)?shù)仡A(yù)制混凝土T梁和板梁寬度相近。

斷面形式選擇

為增強(qiáng)π型鋼梁的橫向穩(wěn)定性及抗扭性能，同時(shí)也考慮到后期養(yǎng)護(hù)維修的方便，采用開口式π型鋼梁，即單梁采用雙腹板的形式，頂板橫向?yàn)橥ㄩL整塊板。底板分為兩塊，經(jīng)計(jì)算分析，確定的頂、底板及腹板的尺寸及厚度。

一般而言，π型鋼梁兩個(gè)腹板之間的距離應(yīng)盡可能大，可提高橫向穩(wěn)定性，對(duì)于預(yù)制板梁，其底面與頂面等寬，蓋梁也與橋面等寬，這樣設(shè)計(jì)不會(huì)有問題。但對(duì)于預(yù)制T梁，由于其梁端腹板寬度僅為50cm，當(dāng)被替換T梁是橋梁的邊梁時(shí)，因π型鋼梁要采用雙支座。如采用過大的腹板間距，會(huì)導(dǎo)致橋梁外側(cè)的支座超出蓋梁范圍之內(nèi)，導(dǎo)致支座無法安裝，故對(duì)于固定段，應(yīng)設(shè)計(jì)兩種不同的腹板間距，來適應(yīng)兩種不同的情況，標(biāo)準(zhǔn)間距采用700mm，用于預(yù)制板及預(yù)制T梁中梁位置，縮窄間距采用500mm，用于預(yù)制T梁邊梁位置。腹板之間采用X型綴板連接，以增強(qiáng)橫向剛度及穩(wěn)定性。

橫向連接

為確保π型鋼梁與現(xiàn)況橋梁被保留部分的協(xié)同變形，減小π型鋼梁橫向分配系數(shù)，對(duì)于現(xiàn)況為T梁的主梁，將主梁按一定的間距布置橫隔板，在被保留主梁相應(yīng)位置鉆孔布置連接螺栓，將橫隔板通過栓接錨固在被保留主梁上，同時(shí)，π型鋼梁之間也需要通過橫隔板連接成為整體，確保其橫向整體受力。同時(shí)，將π型鋼梁的翼板與現(xiàn)況橋橋面之間通過連接鋼板進(jìn)行栓接，在一定程度上也能降低π型鋼梁的橫向分配系數(shù)，確保在、兩者之間協(xié)同受力。

計(jì)算分析

荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算

本文選用橋梁的結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，這種橋型在城市橋梁中較為普遍，具有一定的代表性。

用考慮主梁抗扭的修正偏心壓力法進(jìn)行橫向分布系數(shù)計(jì)算得：

用實(shí)體有限元軟件對(duì)π型鋼梁的撓度和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算

（1）選用shell63單元對(duì)鋼主梁進(jìn)行模擬。

（2）按照城-A級(jí)來定義車道荷載，相同梁高的情況下，最大跨徑時(shí)的均布荷載和集中荷載取值如表1。

（3）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)π型鋼梁的截面特性及材料特性，分別對(duì)不同梁高最大跨徑主梁進(jìn)行恒載及最不利活載應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表可知，在最不利荷載下，跨中梁底最大應(yīng)力為113.0Mpa，小于310Mpa，且預(yù)留安全儲(chǔ)備。最大應(yīng)力與跨高比對(duì)比見圖2。

根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）的有關(guān)規(guī)定，采用16Mn鋼作為π型鋼梁的材料，彈性模量取2.1×105MPa，剪切模量取0.81×105MPa。根據(jù)選取的截面尺寸及各規(guī)范計(jì)算的最大活載效應(yīng)，計(jì)算后的跨中撓度值見表3。

由表可知，在最不利荷載下，撓跨比最大為1/528，小于1/400?？缰凶畲髶隙扰c跨高比對(duì)比見圖3。

結(jié)論

π型鋼梁在主梁更換時(shí)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，具有自重輕，運(yùn)輸和安裝方便等特點(diǎn)，能匹配適應(yīng)小于30米的所有跨徑，適用于主梁為預(yù)制T梁、預(yù)制板梁和預(yù)制小箱梁等橋型。

作為一種非常規(guī)的應(yīng)急橋梁結(jié)構(gòu)，π型鋼梁還沒在實(shí)際中得到檢驗(yàn)，仍存在些待解決的問題，如本文所提出的π型鋼梁，撓跨比最大時(shí)達(dá)到1/528，比我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋要求的，主梁的最大撓度處不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600稍大，與π型鋼梁是鋼材有關(guān)。實(shí)際上，采用鋼材搶修更換混凝土主梁后，由于不同材料的構(gòu)件表現(xiàn)出來的性能不一樣，在活載的作用下，必定影響結(jié)構(gòu)整體的耐久性。