裝配式梁橋鋼橫隔梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

林幫軍,彭衛(wèi)兵,張宇濤,范大軍

(1.溫州市泰順縣交通運(yùn)輸局 溫州市 325500;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014;3.溫州市鹿城區(qū)交通運(yùn)輸局 溫州市 325000)

0 引言

預(yù)制裝配式梁橋具有標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化的特點(diǎn),其橫斷面由多片梁構(gòu)成,易于運(yùn)輸裝配,由于其構(gòu)造相對簡單,受力明確合理,工程造價(jià)相對較低,從而被廣泛地運(yùn)用到國省干線公路建設(shè)中。橫隔梁作為裝配式混凝土梁橋的重要結(jié)構(gòu),對于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系、保證結(jié)構(gòu)的整體性有較大的作用。傳統(tǒng)的施工工藝易使橫隔梁出現(xiàn)較多的病害,主要表現(xiàn)在三個(gè)方面,橫隔梁不共面、錯(cuò)臺和破損[1-2],從而導(dǎo)致梁體質(zhì)量較差,橋梁橫向連接削弱,對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成直接影響,降低梁橋抗扭性能及橫向穩(wěn)定性[3]。

鋼橫隔梁作為一種新型的梁橋橫向連接構(gòu)件,能夠有效解決混凝土橫隔梁存在的問題,自重更輕,高空施工便捷,免去了傳統(tǒng)混凝土橫隔梁支?，F(xiàn)澆的工序,已有不少學(xué)者對其開展了研究工作,并將其應(yīng)用于實(shí)際工程。姚嘉等[4]通過對鋼橫隔梁施加一定的預(yù)應(yīng)力,藉此平衡部分外荷載所引起的拉應(yīng)力,從而改善加固效果,提高橋梁整體性。董立[5]在濟(jì)南黃河公路大橋的維修加固中應(yīng)用了鋼橫隔梁,在混凝土梁體上安裝膨脹螺栓,之后在現(xiàn)場對鋼橫隔梁進(jìn)行焊接連接。彭衛(wèi)兵等[6-8]通過有限元數(shù)值分析和方案比選,提出了一種新型三點(diǎn)式鋼橫隔梁,并將其成功應(yīng)用于斜交小箱梁橋。

鋼橫隔梁主要應(yīng)用于裝配式T梁橋、小箱梁橋,但目前仍缺少一套針對鋼橫隔梁的定制化設(shè)計(jì)流程,行業(yè)內(nèi)同樣缺少裝配式梁橋鋼橫隔梁的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。文章通過對104國道蒼南段改建工程“五畝大橋”進(jìn)行定制化設(shè)計(jì),提出了梁單元、實(shí)體單元相結(jié)合的鋼橫隔梁設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了兩種鋼橫隔梁結(jié)構(gòu),形成了針對鋼橫隔梁的標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)流程和分階段調(diào)整誤差的裝配施工方法,可為其他同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

五畝大橋全橋共兩聯(lián),橋長278.24m(5×30+4×30),交角為90°,上部結(jié)構(gòu)均采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,先簡支后連續(xù);下部結(jié)構(gòu)橋墩均采用柱式墩、樁基礎(chǔ),橋臺采用柱式臺、樁基礎(chǔ)。主梁斷面如圖1所示,底平面如圖2所示,該橋平面分別位于直線、緩和曲線和圓曲線上,橋梁斷面由四根預(yù)應(yīng)力T梁組成,橋面凈寬7.5m,每跨設(shè)置三道中橫隔梁。設(shè)計(jì)將原中橫隔梁處的混凝土橫隔梁替換為鋼橫隔梁,五畝大橋共9跨,共計(jì)81個(gè)鋼橫隔梁。

圖1 主梁斷面圖(單位:cm)

圖2 底平面示意圖(單位:cm)

2 鋼橫隔梁的定制化設(shè)計(jì)流程

鋼橫隔梁的設(shè)計(jì)具體分為5步:求設(shè)計(jì)荷載、初步設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、應(yīng)力驗(yàn)算、形成圖紙,如圖3所示。(1)求設(shè)計(jì)荷載階段,采用梁單元建立鋼橫隔梁的簡化計(jì)算模型,得到設(shè)計(jì)荷載下,鋼橫隔梁節(jié)點(diǎn)力,如桿件最大軸力、頂鋼板處壓力最大值、預(yù)埋鋼板處拉力最大值;(2)初步設(shè)計(jì)階段,通過在第1步中得到的設(shè)計(jì)荷載,對比采用鋼橫隔梁時(shí)節(jié)點(diǎn)的受力情況,確定主體桿件截面類型、節(jié)點(diǎn)板厚度、預(yù)埋鋼板厚度、剪力釘尺寸等;(3)深化設(shè)計(jì)階段,在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對圖紙深化設(shè)計(jì),確定節(jié)點(diǎn)板尺寸、主體桿件長度,形成鋼橫隔梁設(shè)計(jì)圖;(4)應(yīng)力驗(yàn)算階段,建立采用實(shí)體單元的精細(xì)化有限元模型,對鋼橫隔梁應(yīng)力、主梁應(yīng)力、濕接縫應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算;(5)形成鋼橫隔梁最終設(shè)計(jì)圖。

圖3 鋼橫隔梁定制化設(shè)計(jì)流程

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

3.1 求設(shè)計(jì)荷載

參照104國道蒼南段改建工程五畝大橋(觀美連接線),建立Abaqus五跨連續(xù)梁有限元模型,T梁、現(xiàn)澆段、混凝土橫隔梁采用C50混凝土;預(yù)應(yīng)力鋼束采用1860鋼絞線,采用桁架單元模擬,采用內(nèi)置區(qū)域的方式嵌入混凝土;鋼橫隔梁材料采用Q345qD,各材料參數(shù)如表1所示,考慮到全橋彈塑性分析的復(fù)雜度,模型采用彈性材料計(jì)算。該橋設(shè)計(jì)兩種鋼橫隔梁,分別為三點(diǎn)式鋼橫隔梁和K型鋼橫隔梁。在求設(shè)計(jì)荷載階段,鋼橫隔梁采用梁單元(B31)模擬,如圖4所示,圖中僅示意三點(diǎn)式鋼橫隔梁,選擇鋼管作為主要截面,截面初步選用D102×5鋼管。為便于鋼橫隔梁初步設(shè)計(jì),模型不建立節(jié)點(diǎn)板,鋼橫隔梁直接與預(yù)埋鋼板耦合,混凝土橫隔梁與主梁、濕接縫與主梁采用綁定連接。主梁、現(xiàn)澆段網(wǎng)格尺寸為0.1m,混凝土橫隔梁網(wǎng)格尺寸為0.05m,鋼橫隔梁網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01m,對于厚度較小的部件,為保證計(jì)算精度,在構(gòu)件厚度方向采用按單元數(shù)量布種,單元數(shù)不少于3個(gè)。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

圖4 有限元模型示意圖

考慮自重、預(yù)應(yīng)力、車道荷載的影響。模型共設(shè)置4個(gè)分析步驟,自重及主梁鋼束預(yù)應(yīng)力在Step-1中施加,墩頂負(fù)彎矩鋼束預(yù)應(yīng)力在Step-2中施加,鋪裝、車道荷載施加于Step-3,風(fēng)荷載及溫度荷載施加于Step-4。其中預(yù)應(yīng)力鋼束張拉通過降溫法模擬,初始溫度為0℃,主梁預(yù)應(yīng)力鋼束降溫大小為-516℃,邊梁墩頂負(fù)彎矩鋼束降溫大小為-516℃,中梁墩頂負(fù)彎矩鋼束降溫大小為-556℃。車道荷載按照公路-Ⅰ級,分為雙車道中載、單車道偏載、雙車道偏載三種工況,將其轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)進(jìn)行加載,車道荷載沿縱向按照第三跨跨中彎矩最不利布置。

計(jì)算得到各工況下,三點(diǎn)式鋼橫隔梁、K型鋼橫隔梁節(jié)點(diǎn)受力情況如表2所示。三點(diǎn)式鋼橫隔梁最大軸力出現(xiàn)在下桿,最大值為97.46kN,頂鋼板處壓力最大值為129.40kN,預(yù)埋鋼板處拉力最大值為81.42kN;K型鋼橫隔梁桿件最大軸力出現(xiàn)在橫梁處,最大值為121.75kN,預(yù)埋鋼板處拉力最大值為75.98kN。

表2 鋼橫隔梁節(jié)點(diǎn)受力情況

3.2 初步設(shè)計(jì)及深化設(shè)計(jì)

得到節(jié)點(diǎn)受力情況后,確定鋼橫隔梁截面尺寸,節(jié)點(diǎn)板厚度、頂鋼板厚度、焊縫尺寸,結(jié)合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》與《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》進(jìn)行驗(yàn)算,首先采用規(guī)范公式對節(jié)點(diǎn)板和鋼梁截面的承載力、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算,確定節(jié)點(diǎn)板厚度與鋼梁截面尺寸;接著對焊縫強(qiáng)度與剪力釘抗拉承載力進(jìn)行驗(yàn)算,確定連接節(jié)點(diǎn)焊縫尺寸、剪力釘個(gè)數(shù);最后驗(yàn)算高強(qiáng)螺栓承載力,確定高強(qiáng)螺栓的尺寸與數(shù)量;對于三點(diǎn)式鋼橫隔梁,還需對頂鋼板處局部承壓承載能力和抗沖切進(jìn)行驗(yàn)算,受篇幅影響,計(jì)算公式在文中不作羅列。經(jīng)過驗(yàn)算后,三點(diǎn)式鋼橫隔梁選用D102×5鋼管作為主要截面,K型鋼橫隔梁橫梁選用D102×8鋼管、腹桿選用D83×5鋼管作為主要截面;節(jié)點(diǎn)板厚度取10mm,預(yù)埋鋼板厚度取20mm。鋼橫隔梁預(yù)制構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)板之間采用10.9級M20高強(qiáng)螺栓連接,螺栓孔均采用直徑22mm的標(biāo)準(zhǔn)孔。預(yù)埋鋼板表面設(shè)置剪力釘,與主梁一同澆筑,剪力釘材料采用ML15,公稱直徑22mm,設(shè)計(jì)圖中剪力釘在控制間隔的情況下須避開波紋管。

五畝大橋共九跨,不同跨橫坡及墊石標(biāo)高不同,按照橫坡類型對各跨進(jìn)行分類,由于主梁各跨預(yù)制橫坡及墊石標(biāo)高存在差異,每跨鋼橫隔梁需調(diào)節(jié)其空間位置,設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)板在預(yù)埋鋼板上的焊接位置應(yīng)對橫坡及墊石標(biāo)高的不同,鋼橫隔梁主體構(gòu)件尺寸相同。最后形成各跨鋼橫隔梁設(shè)計(jì)圖,如圖5所示,圖中僅示意2%橫坡的情況。

圖5 鋼橫隔梁設(shè)計(jì)圖

3.3 應(yīng)力驗(yàn)算

形成鋼橫隔梁設(shè)計(jì)圖后,節(jié)點(diǎn)板、連接板、預(yù)埋鋼板尺寸均已確定,在應(yīng)力驗(yàn)算階段將梁單元替換為實(shí)體單元,建立精細(xì)化鋼橫隔梁模型,用于驗(yàn)算構(gòu)件局部應(yīng)力。鋼橫隔梁采用實(shí)體單元模擬,將橫梁、斜撐、連接板等構(gòu)件組合成一個(gè)部件,預(yù)埋鋼板與節(jié)點(diǎn)板、節(jié)點(diǎn)板與連接板之間的約束簡化為綁定連接,由于主要驗(yàn)算構(gòu)件的應(yīng)力,模型不建立剪力釘,將其簡化為綁定連接。由上文可知,雙車道中載工況下,采用梁單元模型計(jì)算的鋼橫隔梁應(yīng)力最大,故實(shí)體單元模型只按照雙車道中載工況進(jìn)行加載。

第三跨第二道鋼橫隔梁應(yīng)力云圖如圖6所示,節(jié)點(diǎn)板、預(yù)埋鋼板應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖6和圖7可知,三點(diǎn)式鋼橫隔梁、K型鋼橫隔梁桿件應(yīng)力最大分別為170.4MPa、168.5MPa,三點(diǎn)式鋼橫隔梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接板與橫梁連接區(qū)域,K型鋼橫隔梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在K型節(jié)點(diǎn)腹桿與橫梁連接區(qū)域,在工廠預(yù)制過程中要保證鋼橫隔梁應(yīng)力較大區(qū)域的焊接質(zhì)量。三點(diǎn)式鋼橫隔梁的斜撐、K型鋼橫隔梁的腹桿應(yīng)力值均較小。三點(diǎn)式鋼橫隔梁、K型鋼橫隔梁節(jié)點(diǎn)板處最大應(yīng)力分別為54.06MPa、66.01MPa,預(yù)埋鋼板處最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼板中下部,節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼板與預(yù)埋鋼板連接區(qū)域。Q345鋼屈服強(qiáng)度為345MPa,無論是鋼管截面還是其余構(gòu)件,其應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于345MPa,較為安全。

圖6 鋼橫隔梁Mises應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖7 節(jié)點(diǎn)板Mises應(yīng)力云圖(單位:Pa)

僅示意采用三點(diǎn)式鋼橫隔梁時(shí)主梁及濕接縫處應(yīng)力,工況選擇雙車道中載,導(dǎo)出主梁B腹板處應(yīng)力,如圖8所示,導(dǎo)出主梁B與主梁C間濕接縫處應(yīng)力,如圖9所示。由圖8和圖9可知,T梁腹板處最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在預(yù)埋鋼板中心位置,最大主拉應(yīng)力值為1.33MPa,小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65MPa,預(yù)埋鋼板兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力,遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,主梁梁底應(yīng)力值分布較為均勻,約為0.1～0.15MPa。濕接縫區(qū)域最大應(yīng)力出現(xiàn)在濕接縫兩側(cè),即頂鋼板與主梁翼緣連接位置,最大主應(yīng)力為1.48MPa,同樣遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65MPa,較為安全。

圖8 T梁腹板區(qū)域應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖9 濕接縫區(qū)域應(yīng)力云圖(單位:Pa)

鋼橫隔梁采用預(yù)埋鋼板的方式實(shí)現(xiàn)鋼-混之間的穩(wěn)定傳力,節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力雖然為50～60MPa,但由于鋼橫隔梁采用了較大面積的預(yù)埋鋼板,應(yīng)力能夠均勻地向主梁腹板進(jìn)行傳遞,結(jié)合上述對主梁與濕接縫處應(yīng)力分析,也進(jìn)一步證明了采用鋼橫隔梁不會導(dǎo)致在主梁腹板位置產(chǎn)生明顯的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且由于預(yù)埋鋼板之上設(shè)置有剪力釘,與主梁澆筑為整體,當(dāng)預(yù)埋鋼板受拉時(shí),其不存在拔出的風(fēng)險(xiǎn),較為安全。

4 施工方案

4.1 鋼橫隔梁預(yù)制

以三點(diǎn)式鋼橫隔梁為例,橫隔梁主體分為相應(yīng)的構(gòu)件單元制作,構(gòu)件單元經(jīng)檢驗(yàn)合格后,再進(jìn)行組裝焊接形成鋼橫隔梁主體構(gòu)件,在連接板相應(yīng)位置預(yù)留螺栓孔加工位置,以便于后續(xù)匹配安裝。

4.2 預(yù)埋鋼板固定、主梁澆筑

鋼筋籠應(yīng)先吊至底模板,預(yù)埋鋼板采用點(diǎn)焊固定于側(cè)模板,隨后安裝側(cè)模板與端模板,注意預(yù)埋鋼板、剪力釘須避開鋼筋籠與波紋管。

4.3 鋼橫隔梁的裝配施工

鋼橫隔梁采用分階段調(diào)整誤差的裝配施工方法,通過平衡主梁預(yù)制、鋼板預(yù)埋、主梁架設(shè)三個(gè)施工過程中產(chǎn)生的誤差,實(shí)現(xiàn)基于高強(qiáng)螺栓的鋼橫隔梁的高精度裝配,總共分為5個(gè)施工步驟,分別為焊接腳支撐、螺栓孔位測量、預(yù)制構(gòu)件打孔、高強(qiáng)螺栓連接、澆筑現(xiàn)澆段,主要步驟如圖10所示。

主梁完成拆模后,確定混凝土主梁實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的施工誤差,調(diào)整節(jié)點(diǎn)板、頂板在預(yù)埋鋼板上的焊接位置,完成腳支撐的焊接(其中節(jié)點(diǎn)板已打孔)。主梁吊裝架設(shè)完畢后,為平衡主梁架設(shè)過程中產(chǎn)生的誤差,利用測量儀器測量相鄰混凝土主梁之間節(jié)點(diǎn)板之上螺栓孔位的實(shí)際空間位置,在工廠完成鋼橫隔梁相應(yīng)位置處螺栓孔的加工。施工現(xiàn)場采用高強(qiáng)螺栓將預(yù)制構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)板連接,隨后澆筑現(xiàn)澆段處混凝土。

5 結(jié)語

針對五畝大橋設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)形式的鋼橫隔梁,并對鋼橫隔梁的定制化設(shè)計(jì)流程、結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行了研究,得到主要結(jié)論如下:

(1)采用梁單元、實(shí)體單元相結(jié)合的鋼橫隔梁設(shè)計(jì)方法,在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下,高效完成裝配式混凝土梁橋鋼橫隔梁的設(shè)計(jì)。

(2)三點(diǎn)式鋼橫隔梁、K型鋼橫隔梁力學(xué)性能良好,能夠作為橫向連接構(gòu)件應(yīng)用于裝配式混凝土梁橋。

(3)采用分階段調(diào)整誤差的裝配施工方法,在保證安裝精度的前提下,實(shí)現(xiàn)鋼橫隔梁的快速高空裝配。