梁體施工方式對密肋式鋼板組合梁受力的影響分析

摘要：

鋼結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位，其中鋼板組合梁在中小跨徑橋梁中具有一定的競爭優(yōu)勢。文章以某高速公路20 m密肋式鋼板組合梁為研究對象，基于Midas Civil有限元軟件分析不同施工方式對主梁應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：鋼與混凝土橋面板結(jié)合后分梁片架設(shè)的方式受力性能優(yōu)于先整體架設(shè)鋼梁后吊裝橋面板，同時分梁片后施工速度更快；建議采用架橋機(jī)對中小跨徑鋼板組合梁分梁片架設(shè)。

關(guān)鍵詞：橋梁建設(shè)；鋼板組合梁；施工方式；受力性能

中圖分類號：U441+.5 A 43 143 3

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁是橋梁實現(xiàn)工業(yè)化建造、提升橋梁質(zhì)量的有效措施。在歐洲、美國、日本，鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比＞30%，并且新建橋梁中的鋼結(jié)構(gòu)占比更高，而國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比＜1%。近來年，在交通運輸部鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)指導(dǎo)意見的支持下，各省區(qū)加快了鋼結(jié)構(gòu)橋梁通用圖編制工作。鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、承載能力高、便于工廠化加工制造等優(yōu)勢，在大跨徑橋梁中得到了越來越多的應(yīng)用。而在中小跨徑橋梁中，考慮到工程經(jīng)濟(jì)性，一般多采用組合梁形式。鋼板組合梁相比于鋼箱組合梁，用鋼量具有明顯優(yōu)勢，且加工制造簡單，在公路橋梁建設(shè)中更受歡迎。

鋼板組合梁結(jié)構(gòu)受力性能主要受材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方式的影響。王思偉等［1］研究了栓釘類型和橫梁設(shè)計方式對荷載橫向分布的影響。楊凱等［2］針對腹板加勁肋對鋼板組合梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。肖驍［3］結(jié)合規(guī)范要求，采用有限元軟件對鋼板組合梁中鋼和混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。韓富慶等［4］研究了耐候鋼在鋼板組合梁中的應(yīng)用，并分析了結(jié)構(gòu)選型和細(xì)節(jié)設(shè)計。目前文獻(xiàn)中缺少對于鋼板組合梁施工方式的研究，實際工程中鋼板組合梁施工方式也存在一定差異，影響結(jié)構(gòu)受力。對于鋼板組合梁而言，一般多采用多主梁體系，即密肋式，本文以20 m跨徑密肋式鋼板組合梁為研究對象，分析不同的施工方式對主梁受力的影響，為鋼板組合梁設(shè)計和施工提供合理建議。

1 工程概況

某高速公路項目為雙向六車道，整幅橋面總寬為34.5 m，主線長50 km，橋梁占比22%，橋梁受力模式為簡支橋面連續(xù)。全線橋梁平均高度約為22 m，入城段橋梁平均高度為14 m，且入城段地勢較為平坦，有利于鋼梁運輸。為推廣鋼結(jié)構(gòu)，提升工業(yè)化建造水平，通過橋型方案比選，在施工成本可控范圍內(nèi)，參考交通運輸部鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)圖，該入城段橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20 m鋼板組合梁方案，下部結(jié)構(gòu)方案與常規(guī)裝配式混凝土橋一致。20 m跨徑鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

鋼板組合梁總高為1 400 mm，其中鋼梁高度為1 100 mm，預(yù)制橋面板厚度為250 mm，鋼板上翼緣兩側(cè)設(shè)置厚度為50 mm橡膠墊條。該橋選擇20 m跨徑的主要原因為：主梁采用熱軋H型鋼，在工廠成品定制，無須進(jìn)行主梁的二次加工，節(jié)約工期。主梁上下翼緣寬度均為475 mm，縱橋向布置三排栓釘，上下翼緣厚度均為32 mm，由于腹板厚度過薄，運輸過程中易發(fā)生屈曲問題，故腹板厚度取20 mm。橫梁共設(shè)置5道，其中端橫梁2道，中橫梁3道，均采用熱軋H型鋼。鋼材均采用Q345，泊松比為0.3，容重為78.5 kN/m3；預(yù)制橋面板混凝土材料為C50，泊松比為0.2，容重為26" kN/m3；橋面采用C40混凝土鋪裝和瀝青混凝土鋪裝，其容重分別為26 kN/m3和24 kN/m3。橋梁設(shè)計荷載等級為公路Ⅰ級，橫梁與主梁采用栓接連接。

2 施工方式

一跨20 m鋼板組合梁由6片熱軋H型鋼組成，結(jié)構(gòu)自重較輕，上部結(jié)構(gòu)主要施工方式有3種：

施工方式1：采用2片一榀方式。在梁場安裝臺座上先與預(yù)制橋面板結(jié)合，并連接2片梁之間的橫梁，然后通過架橋機(jī)將2片一榀依次吊裝就位，連接剩余橫梁，最后完成護(hù)欄和鋪裝的施工。

施工方式2：采用3片一榀方式。在梁場安裝臺座上先與預(yù)制橋面板結(jié)合，并連接3片梁之間的橫梁，然后通過架橋機(jī)將3片一榀依次吊裝就位，連接剩余橫梁，最后完成護(hù)欄和鋪裝的施工。

施工方式3：受架橋機(jī)限制，6片梁不能同時吊裝，該施工方式采用常規(guī)鋼板組合梁施工方式，即先在橋跨上完成鋼結(jié)構(gòu)部分的安裝，然后吊裝預(yù)制橋面板并與鋼結(jié)合成整體，最后完成護(hù)欄和鋪裝的施工。

對比以上3種施工方式，前兩種可在梁場內(nèi)完成2片或3片一榀鋼板組合梁的安裝，然后直接通過架橋機(jī)完成施工，施工工期大大縮短，有利于推動鋼板組合梁工業(yè)化建造。

3 有限元模型

預(yù)制橋面板放置6個月，以消除早期收縮徐變，然后吊裝與鋼材結(jié)合成整體。整體升降溫按照25 ℃考慮，溫度梯度按規(guī)范選?。?］，由于預(yù)制橋面板結(jié)合前的濕重作用，通過結(jié)構(gòu)試算，活載按照四車道偏載進(jìn)行影響線加載?？紤]施工過程對結(jié)構(gòu)受力的影響，基于Midas Civil有限元軟件，針對3種施工方式分別建立有限元模型，如圖2所示。

4 結(jié)果分析

4.1 施工過程分析

由于施工方式1和施工方式2需要在梁場內(nèi)完成鋼板組合梁的大部分安裝工作，鋼梁在運輸至橋位架橋機(jī)前，鋼板梁均處于拼裝臺座上，處于多點支承狀態(tài)，不是施工過程分析的重點。兩種施工方式的最不利狀態(tài)為一榀梁剛吊裝就位，橫向尚未澆筑預(yù)制橋面板間濕接頭，全橋未形成整體，此時一榀鋼梁應(yīng)力如圖3和圖4所示。

施工方式3的鋼梁在橋孔全部安裝完畢，預(yù)制橋面板作為荷載作用于鋼梁上時為施工過程最不利狀態(tài)，此時鋼梁應(yīng)力如圖5所示。

計算結(jié)果表明：考慮3種梁體施工方式的差異，標(biāo)準(zhǔn)組合下，施工方式1和施工方式2的鋼梁最大拉應(yīng)力基本接近，分別為37.8 MPa和38.2 MPa，施工方式3的鋼梁最大拉應(yīng)力為55.8 MPa，拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求［6］。相對而言，施工方式3的施工過程中應(yīng)力最為不利。

4.2 成橋分析

對于20 m跨徑鋼板組合梁而言，密肋體系在施工階段中鋼材應(yīng)力較小，一般施工階段不控制設(shè)計。由于鋼板組合梁結(jié)構(gòu)較輕，活載占比相對混凝土橋大，因此充分考慮各類荷載影響，對鋼板組合梁進(jìn)行成橋分析是結(jié)構(gòu)驗算的關(guān)鍵。經(jīng)計算，活載偏載下結(jié)構(gòu)受力最為不利。提取基本組合下各片鋼梁跨中下翼緣拉應(yīng)力如圖6所示，其中6號梁所在方向為偏載方向。

計算結(jié)果表明：（1）3種施工方式成橋后的鋼梁最大拉應(yīng)力為218.4 MPa，滿足規(guī)范容許值275 MPa的要求［6］，鋼材利用率較高；（2）施工方式1所采用的2片一榀鋼板組合梁與施工方式2所采用的3片一榀鋼板組合梁成橋后各片梁受力一致，應(yīng)力數(shù)值基本相同，兩種施工方式相同點為鋼板組合梁架設(shè)至橋孔前在梁場內(nèi)已完成兩種材料的結(jié)合，因此，在此種情形下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)與梁片數(shù)無關(guān)，在架橋機(jī)吊裝能力范圍內(nèi)，采用3片一榀架設(shè)效率高于2片一榀；（3）鋼板組合梁采用先在橋孔處安裝鋼板再吊裝預(yù)制橋面板的傳統(tǒng)施工方式3，鋼梁受力最為不利，相比于施工方式1和施工方式2，最大拉應(yīng)力增加約25 MPa，且施工效率低，現(xiàn)場作業(yè)工序多，鋼梁安裝風(fēng)險較高。

5 結(jié)語

本文以某高速公路20 m跨徑鋼板組合梁為研究對象，基于Midas Civil有限元軟件，對比分析了3種梁體施工方式對鋼板組合梁結(jié)構(gòu)受力的影響?；跇蛄汗I(yè)化建造思路，2片一榀和3片一榀鋼板組合梁采用架橋機(jī)吊裝至橋孔的施工方式，其施工過程和成橋后鋼梁應(yīng)力均明顯小于傳統(tǒng)施工方式，同時施工效率大大提高，結(jié)構(gòu)耐久性更優(yōu)，是鋼結(jié)構(gòu)橋梁實現(xiàn)工業(yè)化建造的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

［1］王思偉，陳雙慶.鋼板組合連續(xù)梁橋荷載橫向分布影響研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，36（4）：114-118.

［2］楊 凱，劉婉玥.裝配式鋼板組合梁腹板加勁肋設(shè)計分析［J］.工程與建設(shè)，2022，36（2）：333-335，391.

［3］肖 驍.鋼板組合梁數(shù)值模擬研究［J］.北方交通，2021（10）：21-24.

［4］韓富慶，婁 健，萬志勇，等.耐候鋼鋼板組合梁橋的設(shè)計與應(yīng)用［J］.公路，2021，66（9）：197-202.

［5］JTG D60-2015，公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［6］JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范［S］.

收稿日期：2023-01-10