斜交跨線簡支鋼-CA-RPC組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳仕國 張力

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：陳仕國（1992—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)、施工和橋梁抗風(fēng)方面的研究工作。

摘要 在實(shí)際工程中，當(dāng)路線需要跨過既有道路、構(gòu)筑物和建筑物時(shí)，考慮安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等因素，橋梁設(shè)計(jì)通常會(huì)讓橋梁布孔線與下方道路邊界線保持平行，采用斜交方式以減小跨徑規(guī)模，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。文章以具體工程項(xiàng)目為背景，選取目前熱點(diǎn)材料——粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC）為切入點(diǎn)，研究了緩和曲線段上斜交跨線簡支鋼-混組合梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)主要工程材料選擇、鋼主梁斷面形式研究、鋼主梁構(gòu)造設(shè)計(jì)、橋面板設(shè)計(jì)、梁端構(gòu)造等方面，詳細(xì)探討了斜交跨線簡支鋼-CA-RPC組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為后續(xù)同類型項(xiàng)目工程提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞 鋼－混組合梁；粗骨料活性粉末混凝土；斜交；跨線橋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U417.1+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0071-04

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公路路網(wǎng)建設(shè)日新月異，公路建設(shè)由過去的粗放式發(fā)展向高質(zhì)量、高水平的建設(shè)模式轉(zhuǎn)變，也對(duì)公路工程設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在實(shí)際工程中，當(dāng)路線需要跨過既有道路時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)、美觀等因素，橋梁設(shè)計(jì)通常會(huì)讓橋梁布孔線與下方道路邊界線保持平行，采用斜交的方式以減小跨徑規(guī)模，以提高經(jīng)濟(jì)效益。粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC）具有高彈性模量、高初裂強(qiáng)度、低總收縮、低徐變的特點(diǎn)[1]，與常規(guī)RPC需要在蒸汽等條件下養(yǎng)護(hù)才可獲得高性能不同，CA-RPC通過常規(guī)養(yǎng)護(hù)[2]即可獲得優(yōu)異材料性能，使其在橋梁領(lǐng)域具備大規(guī)模應(yīng)用條件的同時(shí)，材料成本和應(yīng)用成本均得到降低。為了研究CA-RPC在實(shí)際工程項(xiàng)目中的表現(xiàn)，促進(jìn)CA-RPC在橋梁工程中的應(yīng)用，該文結(jié)合具體的工程項(xiàng)目，選取一個(gè)緩和曲線段上的斜交跨線簡支鋼-混組合梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，為后續(xù)同類型項(xiàng)目工程提供參考。

1 工程概況

該項(xiàng)目主橋跨越既有市政道路，主橋采用主跨55 m鋼-混組合梁，引橋采用40 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土T梁（見圖1）。橋梁按路線整幅設(shè)計(jì)，主橋平面均位于緩和曲線上，縱斷面位于圓曲線上。橋梁最大縱坡?2.5%，斜交角度115°，主橋左幅橫坡2%～2.8%，主橋右幅橫坡?1.1%～?2.8%。引橋處于變寬段，主橋等寬為16.55 m（見圖2）。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）公路等級(jí)：高速公路，雙向六車道。

（2）設(shè)計(jì)速度：100 km/h。

（3）環(huán)境類別：上部結(jié)構(gòu)Ⅰ類、下部結(jié)構(gòu)Ⅱ類、橋面鋪裝層Ⅳ類。

圖1 橋梁立面布置圖（m）

圖2 橋梁平面布置圖

（4）橋梁平面線形：橋梁位于緩和曲線上。

（5）橋梁寬度：防撞護(hù)欄（0.55 m）+車行道（15.45 m）+防撞護(hù)欄（0.55 m）+中央分隔帶（0.4 m）+防撞護(hù)欄（0.55 m）+車行道（15.45 m）+防撞護(hù)欄（0.55 m），合計(jì)33.5 m。

（6）設(shè)計(jì)洪水頻率：大橋1/100。

（7）設(shè)計(jì)水位：該橋不受最高洪水位控制因素影響。

（8）設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：

1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

2）汽車荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)。

3）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震設(shè)防類別為B類；抗震措施等級(jí)為二級(jí)。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 主要材料

3.1.1 鋼材

鋼梁頂板、腹板及其加勁肋和底板及其加勁肋采用Q420D鋼材，其余各部構(gòu)件均采用Q355D鋼材。

3.1.2 粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC）

粗骨料活性粉末混凝土橋面板[3]，系由核心組分——活性粉末混凝土、細(xì)骨料、粗骨料和拌和用水組成，其中各組分的比例由廠家推薦并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證確定。核心組分系為活性粉末混凝土，細(xì)骨料應(yīng)采用天然河砂，應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的中砂，應(yīng)選用母巖強(qiáng)度高的連續(xù)級(jí)配碎石并經(jīng)水洗烘干，應(yīng)選用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用卵石、碎石》中的I類碎石。粗骨料活性粉末混凝土土中的鋼纖維摻料應(yīng)采用帶彎鉤鋼纖維，且纖維含量不低于2.5%，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下（見表1）。

表1 粗骨料活性粉末混凝土主要技術(shù)指標(biāo)

序號(hào) 項(xiàng)目 指標(biāo)

1 擴(kuò)展度/mm 400±20

2 彈性模量/GPa ≥54.0

3 抗壓強(qiáng)度/MPa ≥140.0

4 初裂抗彎拉強(qiáng)度/MPa ≥8.0

5 抗彎拉強(qiáng)度/MPa ≥18.0

6 斷裂韌性/（kJ/m2） ≥20.0

7 365天總收縮應(yīng)變 ≤300×10?6

8 氯離子擴(kuò)散系數(shù)/（m2/s） ≤0.03×10?12

9 比重/（kg/m3） ≤2 650

3.2 鋼主梁設(shè)計(jì)研究

3.2.1 斷面形式研究

對(duì)于梁式橋，目前鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)形式一般分為鋼板組合梁和鋼箱組合梁，其中鋼板組合梁采用“工字形鋼主梁+混凝土橋面板”斷面形式；鋼箱組合梁采用“槽形鋼主梁+混凝土橋面板”斷面形式。從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等綜合考慮方面，多采用鋼板組合梁結(jié)構(gòu)形式。

對(duì)于該橋而言，主橋處于緩和曲線段，左右幅均存在超高情況，其中主橋右幅橫坡從?1.1%變化到?2.8%，橫坡變化較大，單幅橋梁寬度為16.55 m，通過鋪裝層調(diào)整橫坡變化難以實(shí)現(xiàn)，故“工字形鋼主梁+混凝土橋面板”斷面形式并不適用于該橋。因此，對(duì)于上述橫坡變化，一般采用“槽形鋼主梁+混凝土橋面板”斷面形式。

在“槽形鋼主梁+混凝土橋面板”斷面形式中，一般分為單箱多室（見圖3）和分離式主梁（見圖4），為了適應(yīng)橫坡變化，兩種斷面方案腹板均應(yīng)設(shè)置為直腹板，可通過調(diào)整腹板高度來實(shí)現(xiàn)橫坡的變化。由于該項(xiàng)目跨越既有道路，還需考慮鋼主梁施工安裝方案（一般采用吊裝施工）和用鋼量指標(biāo)。如表2所示，為兩種方案技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析，從表中分析可以得出，對(duì)于簡支鋼-混組合梁，分離式主梁斷面方案用鋼量、混凝土材料更節(jié)約，施工吊重更少，單幅總重339.8 t，單片主梁吊重110 t不到，可采用架橋機(jī)吊裝施工，極大地提高了施工吊裝的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

表2 主梁斷面方案技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析表

斷面方案 用鋼量/（kg/m2） 單幅混凝土

用量/m3 單幅吊重/t

單箱多室 490.2 211.8 446.2

分離式主梁 373.3 182.1 339.8

因此，該項(xiàng)目鋼主梁斷面推薦采用分離式多主梁方案。每幅寬度為16.55 m，由三個(gè)槽形鋼箱梁組成，鋼箱梁平均高度為2.8 m（此處根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求可為跨中最低梁高或取平均梁高），理論跨徑為55 m，懸臂長1.325 m，厚0.2 m。

圖3 單箱多室主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖（mm）

單片鋼主梁主要由上翼緣板、腹板、腹板加勁肋、底板、底板加勁肋、橫隔板及橫向加勁肋組成，鋼主梁采用直腹板形式。單片鋼主梁高2.6 m，兩片鋼主梁中心間距5.65 m。在墩頂及胯間位置，鋼主梁之間設(shè)置橫聯(lián)連接。梁間鋼橫聯(lián)4.5 m左右設(shè)一道。梁內(nèi)橫隔板每4.5 m左右設(shè)一道。

混凝土橋面板澆筑后，待CA-RPC材料強(qiáng)度達(dá)到要求，焊接在鋼箱梁翼板（頂板）處的抗剪連接件開始發(fā)揮作用，將兩種材料組成組合梁斷面共同受力。主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖4所示。

圖4 分離式主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖（mm）

3.2.2 鋼主梁構(gòu)造設(shè)計(jì)研究

（1）上翼緣板。在實(shí)際工程中，可參照以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體的構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定，初步擬定鋼主梁截面尺寸。對(duì)于該項(xiàng)目，鋼主梁上翼緣板厚度由梁端至跨中依次為24 mm、36 mm；上翼緣板寬度根據(jù)構(gòu)造需求，擬定為600 mm。在尺寸擬定過程中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的要求，該橋的上翼緣板在架設(shè)鋼梁階段屬于受壓板件且無剪力釘、混凝板的約束，故其寬厚比應(yīng)滿足式（1）[4]要求：

（1）

式中，hs——板肋寬度（mm）；ts——板肋厚度（mm）；fy——鋼材的屈服強(qiáng)度（MPa）。

在應(yīng)力較小的區(qū)域，可適當(dāng)放寬該要求，因此上翼緣板尺寸應(yīng)根據(jù)最后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化，以提高橋梁用鋼量指標(biāo)。

（2）底板。底板寬度擬定為2 850 mm，厚度自梁端至跨中依次為16 mm、20 mm和26 mm，底板縱向加勁肋采用板式構(gòu)造。鋼主梁底板寬度較寬，加勁肋橫向設(shè)置三道，間距為640 mm左右。

（3）腹板。鋼主梁腹板厚度在邊支點(diǎn)處為20 mm，其余均采用14 mm。腹板設(shè)置一道縱向加勁肋，加勁肋采用板式構(gòu)造，尺寸為160 mm×14 mm。

（4）橫隔板及橫向加勁肋。由于在支座處需將橋面板上的荷載傳遞到支座，因此該位置處的橫隔板需加強(qiáng)設(shè)計(jì)，一般設(shè)計(jì)為實(shí)腹式，板件采用20 mm的厚度，上方頂板需與鋼箱梁頂板通長連接，以便焊接端部抗剪連接件。

橫隔板采用12 mm的標(biāo)準(zhǔn)厚度，橫隔板間距4.5 m。腹板橫向加勁肋尺寸分別為220 mm×18 mm（對(duì)應(yīng)20 mm厚腹板）和180 mm×14 mm（對(duì)應(yīng)14 mm厚腹板），橫向加勁肋間距1.5 m，相鄰橫隔板間布置兩道橫向加勁肋。其中橫隔板N1a豎向尺寸較大且受力比較復(fù)雜，應(yīng)設(shè)置N2～N4水平向加勁肋；需要特別注意的是，應(yīng)設(shè)置兩道水平向加勁肋N4，保證板件的局部穩(wěn)定，根據(jù)具體相關(guān)的要求，可單側(cè)設(shè)置或兩側(cè)均設(shè)置，具體如圖所示（見圖5）。

圖5 橫隔板一般構(gòu)造示意圖（mm）

（5）橫梁。橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4.5 m。支點(diǎn)橫梁高2 300 mm，上翼緣寬750 mm、厚16 mm，下翼緣寬300 mm、厚20 mm，腹板厚20 mm。普通橫梁高1 500 mm，

上、下翼緣均寬300 mm、厚12 mm，腹板厚12 mm。

（6）圓柱頭焊釘。在鋼主梁上翼緣板及支點(diǎn)橫隔板上翼緣板均布有圓柱頭焊釘，采用均布式布置。

3.3 橋面板設(shè)計(jì)

橋面板采用粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC），技術(shù)等級(jí)應(yīng)符合表1要求，厚度為20 cm，通過剪力釘與鋼梁連接為整體。由于該橋處于緩和曲線段上，橫坡變化較大，采用預(yù)制橋面板施工難度較大；另外，根據(jù)相關(guān)研究，CA-RPC通過常規(guī)養(yǎng)護(hù)即可獲得優(yōu)異材料性能，因此橋面板擬采用混凝土現(xiàn)澆施工。

橋面板橫向受力鋼筋直徑為20 mm、縱向受力鋼筋直徑為16 mm。橋面板上緣外側(cè)主筋保護(hù)層厚度應(yīng)≥20 mm，橋面板下緣外側(cè)主筋保護(hù)層厚度應(yīng)≥25 mm。

在混凝土現(xiàn)澆施工中，鋼箱梁之間設(shè)置4 mm厚鋼底模，鋼底模與上翼緣板焊接，橫向采用輕型工字鋼支撐，保證底模撓度在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.4 梁端構(gòu)造

主橋梁端設(shè)置有伸縮縫，為滿足伸縮縫設(shè)置需求，需在梁端設(shè)置伸縮縫預(yù)留槽口，為保證伸縮縫的正常使用，槽口深度應(yīng)不小于22 cm。該項(xiàng)目橋面系總厚度為30 cm，其中橋面板厚度20 cm，瀝青混凝土鋪裝厚度10 cm。因此，梁端考慮伸縮縫預(yù)留槽口尺寸后，現(xiàn)澆混凝土厚度僅剩余8 cm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]，焊釘連接件長度不應(yīng)小于4倍焊釘直徑，當(dāng)有直接拉拔力作用時(shí)不宜小于焊釘直徑的10倍，為提高鋼與混凝土結(jié)合面的抗剪剛度、耐久性，需對(duì)梁端附近梁高進(jìn)行變高處理。

梁高縱向變化范圍同梁端橫聯(lián)頂板寬度為820 mm，高度變化值為10 cm，采用1∶10的漸變率進(jìn)行過渡，具體如下（見圖6）。

圖6 梁端變高處理示意圖（cm）

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

各尺寸擬定后，采用通用有限元軟件對(duì)主橋進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。在基本組合下（含1.1重要性系數(shù)），橋面板最大壓應(yīng)力為12 MPa，橋面板最小壓應(yīng)力為1.7 MPa（見圖7）。從圖中可以看出，橋面板應(yīng)力均較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CA-RPC材料的性能指標(biāo)，由于該項(xiàng)目主要為研究CA-RPC材料在實(shí)際工程項(xiàng)目中的表現(xiàn)，以促進(jìn)CA-RPC在橋梁工程中的應(yīng)用，故當(dāng)技術(shù)成熟后，可以推廣到連續(xù)組合梁中，更高效地發(fā)揮CA-RPC材料的高抗壓強(qiáng)度、高初裂強(qiáng)度的特點(diǎn)。

在基本組合下（含1.1重要性系數(shù)），鋼梁上緣最大壓應(yīng)力為234.7 MPa，鋼梁下緣最大拉應(yīng)力為192.0 MPa。組合梁的抗剪承載力、腹板的最大折算應(yīng)力、抗剪連接件和鋼梁正應(yīng)力疲勞應(yīng)力幅驗(yàn)算等均滿足規(guī)范要求。另外，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[5]，混凝土橋面板與鋼梁有效連接成整體后，組合梁正彎矩區(qū)段可不進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

5 結(jié)論

該文以具體工程項(xiàng)目為背景，選取目前熱點(diǎn)材料——粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC）為切入點(diǎn)，研究了緩和曲線段上斜交跨線簡支鋼-混組合梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從主要工程材料選擇、鋼主梁斷面形式研究、鋼主梁構(gòu)造設(shè)計(jì)、橋面板設(shè)計(jì)、梁端構(gòu)造等方面詳細(xì)探討了斜交跨線簡支鋼-CA-RPC組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為后續(xù)同類型項(xiàng)目工程提供了一定的參考。

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