雙工字鋼—混凝土組合梁施工過程控制探討

杜小龍,劉占浦

（1.贛州市公路發(fā)展中心安遠分中心,江西 安遠 342100; 2.贛州市公路發(fā)展中心信豐分中心,江西 信豐 341600）

0 引言

工字鋼—混凝土組合梁橋兼具鋼材和混凝土材料的性能優(yōu)勢，在我國公路橋梁中的應用也日益廣泛。對于工字鋼—混凝土組合梁橋歐洲國家、美國、日本均有較為完善的規(guī)范指南，而國內(nèi)大多參照《鋼—混凝土組合橋梁設計規(guī)范》（GB 50917—2013）、《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）、《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》（JTG/T D64—01—2015）、《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2017）等展開組合梁橋設計。因不同國家在組合梁橋施工環(huán)境、參數(shù)建議及規(guī)定方面存在差異，故相關參數(shù)的適應性無法保證。

基于此，該文依托具體公路橋梁工程，應用有限元分析軟件對雙工字鋼—混凝土組合梁橋施工過程展開模擬，并對腹板高厚比、翼緣板寬厚比、腹板豎向加勁肋、橫梁結構等結構參數(shù)對組合梁受力性能的影響展開量化分析，以探究此類橋型結構參數(shù)合理的取值范圍，為施工過程及質量控制提供借鑒參考。

1 工程概況

某高速公路車行天橋為工字鋼—混凝土組合梁橋，設計寬度8.0 m，橫橋面雙向橫坡為1.5%；主梁采用工字鋼—混凝土預應力組合梁形式，并在主梁間增設2道端橫梁和4道中橫梁。鋼梁腹板設計厚度為14 mm，腹板豎向加勁肋長200 mm、寬14 mm；底板寬度和厚度在800～1 100 mm 和 25～34 mm 之間變化；頂板寬 600 mm，厚25 mm。以50 cm高的H形鋼梁為鋼梁間中橫梁。該公路橋梁鋼混組合梁總重量為170.258 t。

2 施工過程模擬分析

2.1 有限元模型

應用ANSYS軟件構建該鋼混組合梁橋三維有限元模型，鋼主梁、混凝土分別通過Shell43和Solid45單元模擬[1]。鋼材容重 78 500 kg/m3，線膨脹系數(shù) 1.0×105，彈性模量 2.1×105MPa；混凝土容重 26 000 kg/m3，線膨脹系數(shù) 1.0×105，彈性模量 4.01×105MPa。主梁單端設置固定約束，另一端進行縱向和豎向位移約束。全橋模型見圖1。

2.2 結構參數(shù)對施工穩(wěn)定性的影響

2.2.1 腹板高厚比

基于以上有限元模型，在主梁截面剛度既定的情況下依次按照80、90、110、125、150進行腹板寬厚比取值，并計算相應的組合梁結構彈性穩(wěn)定系數(shù)，據(jù)此判定梁橋失穩(wěn)位置。結果見表1。根據(jù)表中所列結果，該鋼混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)隨腹板高厚比的增大而遞減，當腹板高厚比在90以下時彈性穩(wěn)定系數(shù)變化劇烈；非組合階段，腹板高厚比超出110時，腹板更容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞；腹板高厚比在110以下時，失穩(wěn)破壞主要出現(xiàn)在翼緣板處。組合階段，無論腹板寬厚比取值如何，因受到鋼梁翼緣板和橋面板連接作用，失穩(wěn)破壞均出現(xiàn)在腹板處[2]。

表1 鋼混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)計算結果

綜合以上分析，應將鋼筋混凝土組合梁腹板高厚比控制在110～125以內(nèi)，以便在保證腹板結構穩(wěn)定性的基礎上，防止受壓翼緣板失穩(wěn)。

2.2.2 翼緣板寬厚比

基于所構建的有限元模型，在腹板和上翼緣板、下翼緣板面積相同，主梁截面剛度不變的情況下，翼緣板寬厚比依次按照8、10、12、14、16、18取值，并計算相應的橋梁結構彈性穩(wěn)定系數(shù)。考慮到在橋面板支撐作用下，主梁翼緣板發(fā)生失穩(wěn)的可能性很小，故對鋼混組合梁橋非組合節(jié)段彈性穩(wěn)定系數(shù)展開計算和比較，具體見圖2。根據(jù)圖中所示結果，鋼混組合梁橋非組合節(jié)段彈性穩(wěn)定系數(shù)隨翼緣板寬厚比的增大而呈降低趨勢；當翼緣板寬厚比在8～10之間取值時，彈性穩(wěn)定系數(shù)取值在3.23～3.30之間，即寬厚比小，翼緣板厚，腹板處發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大；而當翼緣板寬厚比超出12，失穩(wěn)則主要出現(xiàn)在翼緣板處。故該組合梁受壓翼緣板寬厚比應控制在12以內(nèi)，以保證結構穩(wěn)定。

圖2 非組合節(jié)段彈性穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢

2.2.3 腹板豎向加勁肋厚度及間距

對于鋼筋混凝土組合梁而言，加勁肋屬于非主要構件，現(xiàn)行設計規(guī)范并無直接規(guī)定。該文分別設定8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、20 mm 的加勁肋厚度進行組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)計算，結果見表2。根據(jù)結果，該鋼筋混凝土組合梁橋在非組合階段和組合階段分別表現(xiàn)為跨中翼緣板屈曲、近支點腹板屈曲的失穩(wěn)模式；且隨加勁肋厚度的增大，兩個階段彈性穩(wěn)定系數(shù)均呈增大趨勢，但增幅均不大，這一點可為橋梁設計所接受[3]。出于施工便利及焊接角度控制方面的考慮，為保證加勁肋厚度和腹板、翼緣板之間的匹配性，應將加勁肋厚度控制在 12～16 mm 之間。

表2 不同加勁肋厚度下組合梁彈性穩(wěn)定系數(shù)計算結果

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中對鋼混組合梁橋加勁肋設置情況的規(guī)定，主要以腹板縱橫比為控制參數(shù)，腹板縱橫比是豎向加勁肋間距和上下翼緣板間距比。為分析組合梁橋穩(wěn)定性受豎向加勁肋間距的影響，在假定其余參數(shù)不變的情況下，計算不同加勁肋間距所對應的組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)，結果見表3。由計算結果看出，隨加勁肋間距的增大，組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)減?。划敿觿爬唛g距增大至1.0 m以上后，彈性穩(wěn)定系數(shù)取值降幅明顯減緩?？梢?，腹板豎向加勁肋的設置對結構極限承載力存在較大影響，加勁肋設置越密集，極限承載力增幅越大；而設置稀疏時結構穩(wěn)定性仍有一定保證。

表3 不同加勁肋間距下組合梁彈性穩(wěn)定系數(shù)計算結果

2.2.4 橫梁間距及豎向位置

在其余參數(shù)取值既定時，分別計算行車荷載作用下橫梁間距取 2.5 m、5.0 m、8.75 m、17.5 m 時的邊跨跨中彈性穩(wěn)定系數(shù)、下翼緣板橫向位移及相對位移、最大應力等值，結果見表4。根據(jù)取值結果，鋼混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)隨橫梁間距的增大而遞減；下翼緣板橫向位移最大值和相對值均增大，但整體增幅較?。讳摿合乱砭壈蹇缰屑爸c拉應力最大值分別增大和減小，但幅度均未超出5.0 MPa。橫梁設置過于密集會增大施工成本，而過于稀疏又會影響整體屈曲，出于經(jīng)濟性和結構穩(wěn)定性角度的考慮，應將該雙工字鋼—混凝土組合梁橫梁間距控制在 8～10 m。

表4 不同橫梁間距下邊跨跨中彈性穩(wěn)定系數(shù)

3 施工控制要點

3.1 主要材料

該雙工字鋼—混凝土組合梁橋主要使用抗?jié)B等級為P8以上的C50補償收縮防水鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土；主材料為Q345E鋼的結構鋼板，其力學性能和化學成分均滿足《橋梁用結構鋼》（GB/T 714—2015）的相關要求；其余結構鋼質量、尺寸、外形等均符合《鋼帶和熱軋鋼板的外形、重量、尺寸及允許偏差》（GB/T 709—2019）的規(guī)定。

3.2 鋼梁制作

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及該鋼混組合梁橋設計說明書進行梁段劃分安裝，具體見圖3，鋼梁制作過程中必須加強各跨實際分片尺寸和質量控制，并在出廠前結合試裝結果編號。

圖3 梁段劃分（單位：mm）

鋼梁制作過程中，材料和零件均通過數(shù)控切割精確下料，機械矯平部件邊角；腹板開制坡口并折彎，通過專用平胎架對接翼緣板和腹板。組裝前在翼板上畫出腹板位置線，借助頂緊裝置固定后再通過電焊焊接組立翼緣板和腹板。根據(jù)相關規(guī)范組立T形和翼緣板H形，焊接H形腹板和翼緣板，焊后24 h展開UT探傷。檢驗合格后加焊剪力釘和加勁板，完成桿件報驗。

3.3 鋼梁安裝

3.3.1 吊裝機械選用及單跨鋼梁拼裝

在鋼梁安裝前必須確定吊裝次序，并選擇適宜的吊裝場地搭建胎具，關鍵節(jié)點卡控應安排專業(yè)技術人員進行，完成拼裝后由技術人員進行復測。

相應工區(qū)工字鋼梁構件最大重量達50.5 t，吊裝高度9.6 m，根據(jù)表5所列輪胎式起重機起重性能進行吊機選型，200 t輪胎式起重機主臂長19.8 m，有效工作半徑14 m，對應的起吊性能為71.7 t，超出該工字鋼梁最大構件重量，符合吊裝施工要求。

表5 200 t輪胎式起重機工作性能

在拼裝單跨鋼梁時，先通過50 t吊車吊裝單側主梁，將方木墊設于主梁下方，使用扭力扳手將螺栓擰緊；通過50 t吊車對稱吊裝另一側主梁。使用50 t吊車嚴格按照出廠編號吊裝中間橫梁，并緊固高強螺栓；安裝好支座后，再通過200 t輪胎式起重機整體吊裝，并保證平面和高程位置的準確性。

3.3.2 梁段組對安裝

安裝梁段前必須根據(jù)支座高程平面控制網(wǎng)復測支座位置、高程、水平度，對于支撐面頂板位置偏差超出15.0 mm、頂面標高偏差超出3.0 mm及頂面水平度超出L/1 000的情況，必須對相應支座實施設計變更、糾偏處治等設計保護措施。

工字鋼梁與端橫梁和中橫梁栓接后，必須按照先中跨、后邊跨的次序整體吊裝至橋墩上。為確保提升吊裝定位的精確度，吊裝全程使用全站儀定位放樣，并依據(jù)所采集到的高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)實施坐標轉換。吊裝期間對于鋼梁兩端測量定位中發(fā)現(xiàn)的誤差應及時糾正。

4 結論

綜上所述，雙工字鋼—混凝土組合梁底板使用大厚度板材時接頭部位會因受力不均而容易出現(xiàn)層狀斷裂，為保證結構整體受力的合理性與均勻性，應采用較薄鋼板或適當加寬底板。由于箱形橫梁連接箱梁的做法在安裝和受力方面均比型鋼差，故應使用型鋼格子架代替箱形橫梁。腹板高厚比、翼緣板寬厚比、腹板豎向加勁肋設置等參數(shù)均對雙工字鋼—混凝土組合梁橋整體受力性能有影響，結合該文分析結論，應將腹板高厚比控制在100～120之間，將翼緣板寬厚比控制在12以內(nèi)，以保證腹板和翼緣板穩(wěn)定性；出于焊接施工便利性及材料成本方面的綜合考慮，腹板豎向加勁肋厚度應在12～16 mm之間取值；加勁肋加密布置時可顯著提升腹板結構承載力，也會增大施工成本，權衡后應取2.5 m。