雙主梁鋼板組合梁通用圖開發(fā)研究

夏飛龍　田帥帥　李輝　王林凱

摘要 鋼混組合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能和混凝土抗壓性能且施工便捷，雙主梁鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)簡潔、經(jīng)濟性好，是法國和日本中小跨徑橋梁的主流結(jié)構(gòu)形式。文章系統(tǒng)地闡述了雙主梁鋼板組合梁通用圖開發(fā)過程，對雙主梁鋼板組合梁的主要結(jié)構(gòu)尺寸進行了對比研究，并給出了通用圖的建議尺寸。根據(jù)建議尺寸開展了結(jié)構(gòu)靜力驗算，計算表明結(jié)構(gòu)有一定的安全儲備。通過經(jīng)濟指標(biāo)分析，雙主梁鋼板組合梁經(jīng)濟指標(biāo)低，有較大的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 組合結(jié)構(gòu)；鋼板組合梁；通用圖；工字梁；橋面板

中圖分類號 U448.21文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0052-05

0 引言

鋼混組合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能和混凝土抗壓性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、維修更趨合理并具有全壽命經(jīng)濟性。混凝土結(jié)構(gòu)作為橋面板可以克服鋼構(gòu)件的疲勞和防腐問題，鋼結(jié)構(gòu)作為主受力構(gòu)件可以有效提高橋梁的使用壽命。加之組合結(jié)構(gòu)重量輕、架設(shè)方便、施工速度快，鋼梁為工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，質(zhì)量可控、橋面板構(gòu)造簡單、預(yù)制方便。

在美國、歐洲、日本等國的橋梁建設(shè)中，組合結(jié)構(gòu)橋梁占有重要地位。20世紀(jì)80年代后，國外對傳統(tǒng)的組合梁結(jié)構(gòu)形式進行大量研究和探索，開發(fā)經(jīng)濟耐久的雙主梁鋼板組合梁橋，并逐步成為法國和日本中小跨徑橋梁的主流結(jié)構(gòu)形式。大量的國外經(jīng)驗表明組合梁結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)工業(yè)化橋梁建造的理想橋型[1-2]。

為響應(yīng)《關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》（交公路發(fā)〔2016〕115號）《關(guān)于開展公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁典型示范工程建設(shè)的通知》（交辦公路函〔2017〕708號）的要求，加快推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，促進公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級，加快組合結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，開發(fā)雙主梁鋼板組合梁通用圖勢在必行。

1 開發(fā)原則和內(nèi)容

開發(fā)原則為最大限度實現(xiàn)橋梁各構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工。充分吸取國外鋼混組合橋梁設(shè)計、建造及養(yǎng)護經(jīng)驗，結(jié)合已有實踐經(jīng)驗，合理地優(yōu)化雙主梁鋼板組合梁設(shè)計。強化鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計，降低制造成本和裝配難度，提高結(jié)構(gòu)可靠性及可施工性。

開發(fā)內(nèi)容主要為30 m+（1～4）×30 m+30 m、35 m+（1～4）×35 m+35 m、40 m+（1～4）×40 m+40 m一聯(lián)雙向四車道正交雙主梁鋼板組合梁橋上部結(jié)構(gòu)的通用圖設(shè)計，具體內(nèi)容主要包括：標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖、縱梁構(gòu)造圖、橫梁構(gòu)造圖、橋面板一般構(gòu)造、施工流程圖、支座等構(gòu)造設(shè)計。

2 總體尺寸擬定

2.1 橫斷面

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》確定路基寬度26 m對應(yīng)的橋梁寬度如圖1所示[3]。

2.2 工字鋼梁高度

法國雙主梁鋼板組合梁梁高h約為L/22～L/28，法國雙主梁鋼板組合梁為了降低路基填土高度，采用低梁高厚板，S355鋼允許最大使用板厚為150 mm，S460鋼允許最大使用板厚為120 mm。

日本雙主梁鋼板組合梁鋼梁高h約為L/14～L/20。雙主梁鋼板組合梁通用圖取鋼梁高h約為跨徑的1/20[4-5]。根據(jù)現(xiàn)有橋梁設(shè)計經(jīng)驗結(jié)合國內(nèi)鋼橋鋼板使用厚度情況擬定通用圖鋼梁高度為X/19*（LT/12）0.45。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示，梁高取值如表1所示。

2.3 鋼梁上、下翼緣寬度

法國《設(shè)計指南》建議下翼緣寬度為（0.25+ LT/40+X/125）*（0.92+LT/150）。日本《靜岡縣橋梁設(shè)計要領(lǐng)》建議為鋼梁高度的1/3～1/5。法國采用低梁高寬翼緣厚板的設(shè)計習(xí)慣，日本由于在受力較大位置采用高強鋼降低翼緣寬度和厚度。該冊通用圖按照國內(nèi)設(shè)計習(xí)慣采用了普通Q345qD鋼，受力較大位置未采用高強鋼，翼緣寬度取值與法國設(shè)計指南接近。通用圖擬定的上、下翼緣寬度如表2所示。

2.4 縱、橫梁間距

瑞士雙主梁鋼板組合梁的雙主梁間距L約為橋?qū)挼?.5～0.55倍，法國設(shè)計指南規(guī)定雙主梁間距L約為橋?qū)挼?.55倍，統(tǒng)計日本現(xiàn)有雙主梁鋼板組合梁雙主梁間距L約為橋?qū)挼?.5～0.6倍。通用圖雙主梁間距約為橋?qū)挼?.536倍[6]。通用圖擬定的縱梁間距如表3所示。

法國雙主梁鋼板組合梁橫梁等間距布置，間距為6～8 m。有時候需要在支點附近減小小橫梁間距以防止負彎矩主梁下翼緣受壓而發(fā)生側(cè)扭失穩(wěn)[7]。

日本雙主梁鋼板組合梁跨中橫梁間距大多不超過10 m，中支點附近變?yōu)橄乱砭壥軌?，橫梁間距宜為跨中的1/2且不超過6 m。

通用圖橫梁間距設(shè)置原則：跨中橫梁間距為6～8 m，中支點附近為了避免腹板的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，橫梁間距宜為跨中的1/2且不超過6 m，橫梁間距如表4所示。

2.5 橫梁高度及連接形式

統(tǒng)計日本已建雙主梁鋼板組合梁橋40 m跨徑的小橫梁高度為600～700 mm，端橫梁高度多采用與主梁同高?！斗▏O(shè)計指南》建議：小橫梁高度為400～700 mm，大橫梁高度為600～1 400 mm。通用圖橫梁高度如表5所示。

橫梁連接形式主要有栓接、焊接兩種形式。栓接：連接構(gòu)造抗疲勞性能好、用鋼量較大、精度要求高。焊接：用鋼量小、T形焊縫現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制難度大、連接位置精度要求不高、縱梁長度有調(diào)整空間。

2.6 豎向加勁肋設(shè)置

日本雙主梁鋼板組合梁鋼梁腹板加勁間距＜1.5 m，跨中剪力較小腹板加勁間距＜3 m。

歐洲雙主梁鋼板組合梁鋼梁腹板僅在橫梁連接位置設(shè)置豎向加勁肋，其他位置均不設(shè)。

《鋼-混組合橋梁設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定了腹板豎向加勁肋的間距不得大于腹板高度hw的1.5倍，僅設(shè)置豎向加勁肋時，其間距應(yīng)滿足a<950tw/sqrt（τ），且不應(yīng)大于2 m。

2.7 橋面板構(gòu)造尺寸

厚度沿縱向不變，橫向跨中25 cm，和翼端22 cm，支點40 cm。寬度：16.75 m，配橫向預(yù)應(yīng)力。

梁端橋面板對應(yīng)大橫梁上翼緣，厚度加大為40 cm，與支點處等厚，以滿足伸縮縫安裝要求及抵抗重車沖擊[8]。

如圖3所示預(yù)制節(jié)段分3類，3 m標(biāo)準(zhǔn)段、3.2 m端部段、2.5標(biāo)準(zhǔn)段（調(diào)整板）。橫向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向普通混凝土結(jié)構(gòu)。橋面板全寬預(yù)制，50 cm濕接縫，環(huán)形鋼筋搭接。普通鋼筋橫向、縱向分區(qū)段布置，群釘方案。

國內(nèi)汽運寬度限制：通常限制在3.8 m以下，最大寬度不能超過4.5 m，施工臨時便道寬度一般為4 m左右。橋面板預(yù)制寬度為3 m，含兩端環(huán)筋寬度為3.8 m，并使用預(yù)制寬度為2.5 m作為調(diào)整。采用預(yù)留槽的形式，預(yù)留槽的尺寸約50～80 cm，中心距為1.2～1.5 m，剪力釘間距可達10 cm。

如圖4所示橋面板內(nèi)設(shè)15.2-4橫向預(yù)應(yīng)力，間距50 cm，圓弧形扁錨。

2.8 橋面板板厚

歐洲雙主梁鋼板組合梁橋面板懸臂端部≥240 mm，懸臂根部≥300 mm，跨中≥250 mm。日本《道橋示方書》也明確規(guī)定了橋面板的最小厚度。

通用圖橋面板厚度取值原則為跨中板厚為縱梁間距的1/25～1/30，懸臂根部厚度為懸臂長度的1/7，懸臂端部厚度為20～22 cm，加腋長度為縱梁間距的1/4～1/5，橋面板板厚取值如表6所示。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 計算模型

采用Midas軟件建立梁格分析模型，考慮混凝土橋面板的有效寬度和負彎矩橋面板開裂[8]。

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 短暫狀況應(yīng)力驗算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》GB 50917—2013第4.4.3條鋼梁應(yīng)力不應(yīng)大于80%，強度設(shè)計值0.8fd=0.8×270=216 MPa（板厚0～40 mm），0.8fd=0.8×260=208 MPa（板厚40～63 mm）。如表7所示，三種跨徑鋼梁短暫狀況上、下緣最大應(yīng)力值的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 持久狀況應(yīng)力驗算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》GB 50917—2013第4.4.2條鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力不應(yīng)大于75%，強度設(shè)計值0.75fd=0.8×270=202.5 MPa（板厚0～40 mm），0.75fd=0.8×260=195 MPa（板厚40～63 mm）。如表8所示，三種跨徑鋼梁持久狀況上下緣最大應(yīng)力值的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 承載能力極限狀態(tài)狀況應(yīng)力驗算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917—2013）4.2.2進行承載能力極限狀態(tài)應(yīng)力驗算，Q345qD鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值：當(dāng)板厚小于等于40 mm時為270 MPa，當(dāng)板厚處于40～63 mm時為260 MPa。如表9所示，三種跨徑鋼梁承載能力極限狀態(tài)狀況上下緣最大應(yīng)力值的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2.4 鋼梁抗剪承載力驗算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917—2013）5.2.1條規(guī)定驗算抗剪承載力。如表10所示，三種跨徑鋼梁抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917—2013）5.2.2條規(guī)定驗算腹板最大折算應(yīng)力。如表11所示，三種跨徑鋼梁腹板折算應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2.5 橋面板應(yīng)力驗算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》 （JTG D62—2004）7.2.4條，施工階段鋼筋混凝土受彎構(gòu)件混凝土邊緣壓應(yīng)力需滿足：

JTG D62—2004 7.1.5條規(guī)定，成橋階段混凝土邊緣壓應(yīng)力需滿足：

如表12所示，三種跨徑橋面板壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2.6 負彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度驗算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）第6.3.4條規(guī)定矩形截面鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度Wfk可按下列公式計算：

式中，鋼筋表面形狀系數(shù)C1=1.0。

作用長期效應(yīng)影響系數(shù)：

式中，Nl和Ns分別為按作用長期效應(yīng)組合和短期效應(yīng)組合計算的彎矩。

如表13所示，三種跨徑橋面板裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

4 經(jīng)濟指標(biāo)

通過材料指標(biāo)分析鋼板組合梁橋的經(jīng)濟性，相關(guān)材料用量指標(biāo)如表14所示。

通過指標(biāo)分析可得出結(jié)構(gòu)安全系約為1.3的情況下，鋼板指標(biāo)約為4.5×L kg/m2，鋼絞線用量約為9 kg/m2，混凝土用量約為0.3 m3/m2，鋼筋用量約為120 kg/m2。

5 結(jié)語

該文系統(tǒng)地闡述了雙主梁鋼板組合梁通用圖開發(fā)過程，對雙主梁鋼板組合梁的主要結(jié)構(gòu)尺寸進行了對比研究，并給出了通用圖的建議尺寸。根據(jù)建議尺寸開展了結(jié)構(gòu)靜力驗算，計算表明結(jié)構(gòu)有一定的安全儲備。通過經(jīng)濟指標(biāo)分析，雙主梁鋼板組合梁經(jīng)濟指標(biāo)低，有較大的推廣應(yīng)用價值。

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