基于高性能等厚鋼的窄鋼箱組合梁橋技術(shù)研究

汪志甜， 楊大海

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

1.1 高性能鋼的綜合性能

高性能鋼是一種綜合優(yōu)化了材料力學(xué)性能,便于加工制造,可用于低溫和腐蝕環(huán)境,同時(shí)具備較高性價(jià)比的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼。它不僅保持了較高的強(qiáng)度,而且在材料的抗腐蝕和耐候性能,可焊性和抗脆斷性能等方面都比傳統(tǒng)的鋼材有明顯的提高和改善。高性能鋼以優(yōu)化的、均衡的各種性質(zhì)在橋梁結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)最佳性能，同時(shí)保持經(jīng)濟(jì)的成本。圖1表明Q500qE鋼在高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，還具有良好的塑性。

圖1 345qD鋼與不同屈服強(qiáng)度Q500qE鋼標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不僅減小了鋼板的厚度進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)也減小了焊縫的尺寸從而減少焊接工作量、提高焊縫質(zhì)量。因此，在一定程度上縮短了施工工期，同時(shí)延長了橋梁的使用壽命[2]。高性能鋼橋充分發(fā)揮了高性能鋼的優(yōu)越性,給社會(huì)帶來顯著的效益。

1.2 高性能鋼國內(nèi)外應(yīng)用情況

近十多年來,高性能鋼在橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣, 取得了良好的效果。

(1)美國。美國是較早適應(yīng)高性能鋼國家之一，自20世紀(jì)90年代以來,由美國鋼鐵學(xué)會(huì)、美國聯(lián)邦公路管理署、美國海軍和米塔爾美國公司聯(lián)合立項(xiàng)研究高性能鋼,先后開發(fā)了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列鋼種。應(yīng)用實(shí)踐表明,與傳統(tǒng)的橋梁用鋼相比,使用HPS系列高性能鋼可以達(dá)到橋梁制造成本降低約18%、重量減輕約28%的效果。高性能鋼的應(yīng)用在美國呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢(shì),在美國的42個(gè)州已有數(shù)百座橋梁采用了高性能鋼[3]。

(2)日本。日本相繼開發(fā)了BHS500及BHS700系列高性能橋梁用鋼, 實(shí)踐證明，對(duì)于懸索橋和斜拉橋,減少橋梁結(jié)構(gòu)的自重能顯著減少，屈服強(qiáng)度為700 MPa的高性能橋梁用鋼對(duì)于這類橋梁的減重非常有效?？紤]到梁式橋占橋梁類型的大多數(shù),500 MPa已成為日本高性能橋梁用鋼最基本的強(qiáng)度值。日本東京灣海岸高速公路使用了16 000 t BHS高性能鋼,使橋梁減重3%并可使建設(shè)總成本減少12%。

(3)歐洲。在歐洲, 但大跨度橋梁(跨度超過150 m)采用鋼結(jié)構(gòu)已成為主導(dǎo),例如,連接哥本哈根(丹麥)與馬而默(瑞典)的厄勒海峽大橋,是一座總長16 km的斜拉橋,其鋼結(jié)構(gòu)的總重為80 000 t,所用鋼種為S355M、S420M、S460ML,其中S460ML總重超過了25 000 t[4]。

(4)中國。我國鋼橋的比例仍很低。截至2015年底，全國公路橋梁75.7萬座中，鋼結(jié)構(gòu)橋梁不足1%；而美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁占35%，日本鋼結(jié)構(gòu)橋梁占41%。

在重要通道的特大型橋梁中，高性能鋼可在幾類關(guān)鍵構(gòu)件中得到充分應(yīng)用，這不僅關(guān)系到工程費(fèi)用的節(jié)省與否，甚至關(guān)系到工程的成敗。

表1 我國高性能鋼橋應(yīng)用情況

2 基于高性能等厚鋼的窄鋼箱組合梁橋設(shè)計(jì)方案

G42S上海至武漢高速公路無為至岳西段(岳武東延段)永安河特大橋全長1.14 km，上部結(jié)構(gòu)采用55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁和35 m跨徑鋼板組合梁，其中55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁共計(jì)6座。

(1)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。如圖2所示,橋梁寬度為12.74 m，橫向布置為0.49 m護(hù)欄+11.75 m行車道+0.5 m護(hù)欄，橫向布置2個(gè)箱梁，鋼箱梁寬2 m，鋼箱梁中心線高2.75 m，中心距6.75 m，預(yù)制橋面板厚22～40 cm。

圖2 橋?qū)?2.74 m窄鋼箱橫斷面圖(單位：mm)

(2)鋼箱梁。全橋54.9 m鋼箱梁分成5個(gè)制作段(11.5+10+11.9+10+11.5) m即(Ⅲ+Ⅱ+Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)。其中Ⅰ梁段主要采用Q500qD鋼，Ⅱ梁段主要采用Q460qD鋼，Ⅲ梁段主要采用Q345qD鋼；頂板采用22 mm等厚板，底板采用26 mm等厚板，腹板厚12～14 mm；混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。鋼箱梁內(nèi)設(shè)置25b號(hào)工字鋼橫撐，縱向間距，如圖3所示。腹板設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋寬度200 mm，厚度14 mm，縱向間距，如圖3所示。 Ⅲ梁段腹板設(shè)置一道縱向加勁肋，Ⅰ、Ⅱ梁段腹板設(shè)置兩道縱向加勁肋。主梁之間采用橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系，端支點(diǎn)設(shè)置端橫梁，鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接,如圖4所示。

圖3 鋼箱梁一般構(gòu)造立面圖(單位：mm)

圖4 端支點(diǎn)橫梁和一般橫梁布置圖(單位：mm)

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)要求焊接接頭的低溫沖擊功不應(yīng)低于母材標(biāo)準(zhǔn)，但《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 714-2015)已將Q345qD、Q460qD及Q500qD鋼材沖擊功提高至120 J，而當(dāng)前技術(shù)條件下焊接接頭低溫沖擊功無法滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》。本橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，綜合考慮焊縫強(qiáng)度、疲勞等問題，同時(shí)借鑒國內(nèi)外高強(qiáng)鋼橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼板焊接接頭力學(xué)性能提出以下要求：

表2 鋼板焊接接頭的力學(xué)性能

3 結(jié)構(gòu)安全性

采用MIDAS CIVIL2017有限元軟件建立有限元模型，如圖5所示，利用“梁格法”并采用三維梁單元分別模擬橋面板、鋼箱梁，二者連接關(guān)系通過剛性連接，這種模擬方式較“施工階段聯(lián)合截面”對(duì)于模擬橋面板收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的作用更加精確，同時(shí)能夠提高建模效率。

圖5 全橋有限元模型

參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車活載、溫度作用以及支座沉降。主要計(jì)算結(jié)論見表3。

表3 主要驗(yàn)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)安全合理，鋼梁Ⅰ梁段最大應(yīng)力364.3 MPa，材料利用率95%，結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)。

4 施工便利性

基于高強(qiáng)等厚鋼的55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁頂、底板采用等厚鋼板，較常規(guī)鋼橋梁，焊接更為方便，焊接質(zhì)量更有保障。該結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)自重輕(鋼箱梁全橋重168t)，運(yùn)輸?shù)跹b便利。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同情況可采用汽車整孔吊裝或架橋機(jī)架設(shè)施工，橋面板后澆濕接縫采用C55抗裂超早強(qiáng)無收縮混凝土，能夠確保橋面板和鋼梁快速結(jié)合，縮短架梁工期。綜上分析，該類結(jié)構(gòu)較常規(guī)鋼橋、鋼混組合橋梁施工更為便利、快速。

5 經(jīng)濟(jì)性

G42S上海至武漢高速公路無為至岳西段(岳武東延段)永安河特大橋55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁橋在設(shè)計(jì)過程中對(duì)不同方案橋型進(jìn)行了造價(jià)對(duì)比，其結(jié)果見表4、表5。

表4 方案一上部結(jié)構(gòu)造價(jià)分析表

表5 方案二上部結(jié)構(gòu)造價(jià)分析表

由表4和表5分析表明：方案一每平方米造價(jià)5 004.5元，方案二每平方米造價(jià)5 680.9元，合理采用高性能鋼后，結(jié)構(gòu)每平方米造價(jià)節(jié)省12%。

5 結(jié) 論

G42S上海至武漢高速公路無為至岳西段(岳武東延段)55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁分區(qū)段合理采用了等厚度Q345qD、Q460qD及Q500qD鋼板，通過對(duì)材料性能、結(jié)構(gòu)安全、施工便利性以及經(jīng)濟(jì)性等全方位考慮，其是一種經(jīng)濟(jì)、合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式， 總結(jié)本新型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)窄鋼箱組合梁具有抗扭能力強(qiáng)、整體性好、適合曲線線路以及更能適應(yīng)大跨與特殊要求等優(yōu)點(diǎn)。

(2)基于高性能等厚鋼窄鋼箱組合梁橋結(jié)構(gòu)安全，施工便利，設(shè)計(jì)精確，材料指標(biāo)控制得當(dāng)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，是一種可以大規(guī)模推廣的新型橋梁結(jié)構(gòu)。

(3)基于高性能等厚鋼窄鋼箱組合梁符合工業(yè)化建造理念，真正讓裝配化、模塊化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想和理念充分實(shí)現(xiàn)。