小半徑鋼混組合梁設(shè)計施工要點分析及受力性能分析

摘要 鋼混組合梁作為一種能良好發(fā)揮混凝土抗壓能力和鋼結(jié)構(gòu)抗拉能力的結(jié)構(gòu)，在40～70 m橋梁跨徑選擇中擁有較大優(yōu)勢，但大多數(shù)組合梁橋均處于直線或半徑較大的曲線上，在小半徑上曲線上相對較少，因此有必要對其在設(shè)計和施工過程中的要點進(jìn)行分析。該文以江西高速某立交樞紐的匝道橋為例，鑒于該匝道曲線半徑較小，采用有限元軟件對其在施工以及成橋階段的受力性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該橋各個階段受力性能合理，滿足規(guī)范要求。值得注意的是，由于該橋處在小曲線半徑上，其內(nèi)外支座的反力不一致，在不利組合工況下易發(fā)生脫空。

關(guān)鍵詞 小半徑；鋼混組合梁；受力分析；施工要點

中圖分類號 U442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0084-04

0 引言

隨著材料和技術(shù)的更新，鋼混組合結(jié)構(gòu)在橋梁領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用和推廣。鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁自重較輕，剛度大，能夠充分發(fā)揮出混凝土和鋼材的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)受力上更為合理，其幾何結(jié)構(gòu)也朝著大跨徑、大寬度方向發(fā)展。尤其在曲線梁橋上的應(yīng)用，鋼混組合梁橋相比現(xiàn)澆箱梁更節(jié)約工期，而與鋼箱梁橋相比造價更具優(yōu)勢。在進(jìn)行橋梁上跨橋型選擇時，具有較大優(yōu)勢。但對于小曲線半徑下的組合梁橋，其受力較直線橋不同，因此有必要對其受力進(jìn)行分析[1]。

該文以江西某高速立交樞紐的匝道橋為例，為跨越地方道路和主線，該橋型為（40+60+40）m的鋼混連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，并在墩頂連續(xù)處設(shè)置“負(fù)彎矩鋼束+剪力釘”形式以增加其連續(xù)處的聯(lián)系，提高行車的舒適性和結(jié)構(gòu)的整體性。同時，采用有限元軟件分別對其鋼主梁和橋面的受力情況進(jìn)行分析，以明確其在曲線受力上的特點和性能。

1 工程概況

弋陽至南豐高速公路新建工程（以下簡稱“弋南高速”），路線起點在弋陽縣清湖鄉(xiāng)接滬昆高速（G60）梨園至溫家圳段，終點在南豐縣桑田鎮(zhèn)接濟(jì)廣高速（G35）鷹潭至瑞金段。弋陽西樞紐為該項目起點，位于上饒市弋陽縣清湖鄉(xiāng)清湖村，接滬昆高速，與滬昆高速上新增設(shè)的弋陽西互通組成十字交叉，根據(jù)交通量設(shè)置變形苜蓿葉形，并預(yù)留往北延伸通道。

與該處銜接的梨溫高速正在進(jìn)行“四改八”施工，在原互通位置梨溫高速改建新增設(shè)了一處落地互通，經(jīng)溝通協(xié)調(diào)，建議將A匝道調(diào)整為下穿該項目主線，上跨滬昆高速。主橋跨徑布置為（40+60+40）m，道路設(shè)計中心線處梁高為2.5 m，橋面寬度為12 m。主梁采用“槽形鋼+混凝土橋面板”的鋼混組合連續(xù)梁。

2 設(shè)計和施工要點

2.1 設(shè)計要點

（1）總體設(shè)計

主橋跨徑布置為（40+60+40）m，道路設(shè)計中心線處梁高為2.5 m，橋面寬度為12 m。主梁采用“槽形鋼+混凝土橋面板”的鋼混組合連續(xù)梁。橫向采用2道直腹式槽型梁。單個槽型梁的腹板間距為3.4 m，平均梁高2.18 m，鋼主梁頂、底板外側(cè)對齊，腹板中心對齊，頂板寬度為500～750 mm，板厚20～36 mm；腹板板厚12～20 mm；底板寬度為3 700 mm，底板板厚12～24 mm。橋面板厚240 mm，加腋處厚320 mm。

（2）橋面板設(shè)計

現(xiàn)澆橋面板跨中厚度取240 mm，鋼梁加腋處為320 mm，懸臂板板厚為220～320 mm。鋼結(jié)構(gòu)通過焊釘與混凝土橋面板連接。橋面板縱向鋼筋跨中正彎矩區(qū)上下層均為D20@100 mm，支點負(fù)彎矩區(qū)上下層為D25@100 mm，橫向鋼筋上下層D16@100 mm。

為減少負(fù)彎矩區(qū)的橋面板裂縫，在支點負(fù)彎矩區(qū)的橋面板中設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力。負(fù)彎矩區(qū)采用群釘，其他區(qū)段剪力釘均勻布置，待預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后，澆筑剪力槽[2]。

橋面板靠翼緣板兩端各預(yù)留10 cm左右與防撞欄一起澆筑。

（3）其他設(shè)計

鋼梁底板、腹板栓接均采用M24高強螺栓，螺栓孔徑為27 mm，性能等級為10.9S，螺栓的設(shè)計預(yù)緊力為225 kN，安裝預(yù)緊力為1.1×225 kN；底板加勁肋栓接采用M22高強螺栓，螺栓孔徑為24 mm，性能等級為10.9S，螺栓的設(shè)計預(yù)緊力為190 kN，安裝預(yù)緊力為1.1×190 kN。高強螺栓連接面的抗滑移系數(shù)在出廠時不低于0.55，工地安裝前的復(fù)驗值不低于0.45?；炷翗蛎姘迮c鋼梁采用Φ20圓柱頭焊釘連接，焊釘采用ML15或ML15AL材質(zhì)。所有濕接縫及現(xiàn)澆剪力槽均采用C55補償收縮混凝土[3]。該橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖如圖1所示：

圖1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

2.2 施工要點

（1）頂推施工方案

鋼主梁采用節(jié)段吊裝、少支墩支架頂推安裝法。橋面板現(xiàn)澆分段澆筑施工時，前一階段混凝土澆筑完畢、養(yǎng)生至設(shè)計規(guī)定強度，且齡期不小于7 d時，方可進(jìn)行下道工序施工，其主要施工步驟如下：

步驟1：基礎(chǔ)及墩柱施工。搭設(shè)臨時支架，在臨時墩上安裝頂推裝置。將主梁E+F+E梁段按設(shè)計線形拼裝成13.75×3=41.25 m單槽節(jié)段，分別吊裝至1#、2#、3#、4#臨時墩上，再安裝中間橫梁，使2個單槽節(jié)段連接成整體主梁節(jié)段。

步驟2：制作長度約25 m的導(dǎo)梁，吊裝、拼裝導(dǎo)梁。

步驟3：頂推主梁節(jié)段脫離1#臨時墩，到達(dá)2#臨時墩；吊裝D節(jié)段鋼梁并與前一段鋼梁連接。

步驟4：循環(huán)頂推主梁直至導(dǎo)梁到達(dá)6#臨時墩上。

步驟5：循環(huán)頂推主梁，直至主梁到達(dá)設(shè)計位置。拆除導(dǎo)梁，主梁精調(diào)定位。

步驟6：吊裝主梁其他節(jié)段就位，并與之前梁段連接成整體。安裝主梁其他節(jié)段的橫向聯(lián)系構(gòu)件。

步驟7：拆除1#、2#、4#臨時墩；安裝混凝土橋面板模板和焊釘群釘孔模板；綁扎橋面板鋼筋，澆筑邊跨和中跨正彎矩區(qū)的橋面板混凝土，養(yǎng)生至設(shè)計強度的80%，且齡期不小于7 d。

步驟8：拆除剩余臨時墩；橋面板預(yù)應(yīng)力束穿束；澆筑中間墩頂負(fù)彎矩區(qū)的橋面板混凝土，養(yǎng)生至設(shè)計強度，且齡期不小于7 d。拆除焊釘群釘孔模板，張拉橋面板預(yù)應(yīng)力束；澆筑焊釘群釘孔C55補償收縮混凝土；澆筑橋面板濕接縫C55補償收縮混凝土[4]。

步驟9：進(jìn)行橋面系和其他附屬結(jié)構(gòu)施工，成橋。

（2）吊裝施工方案

步驟1：基礎(chǔ)及墩柱施工。搭設(shè)臨時支墩，制作鋼梁。

步驟2：運輸鋼梁到施工現(xiàn)場，拼裝E+F+E三節(jié)梁段，并整體吊裝至跨中臨時墩上。

步驟3：安裝C、D節(jié)段鋼梁，并與前一段鋼梁連接。

步驟4：安裝最后一段A、B節(jié)段鋼梁，并與前一段鋼梁連接，完成鋼梁架設(shè)。

步驟5：安裝混凝土橋面板模板。綁扎橋面板鋼筋，澆筑混凝土橋面板，養(yǎng)生至設(shè)計強度80%，且齡期不小于7 d。

步驟6：拆除臨時墩。橋面板預(yù)應(yīng)力束穿束，澆筑中間墩頂負(fù)彎矩區(qū)的橋面板混凝土，養(yǎng)生至設(shè)計強度，且齡期不小于7 d；拆除焊釘群釘孔模板，張拉橋面板預(yù)應(yīng)力束；澆筑焊釘群釘孔C55補償收縮混凝土，澆筑橋面板濕接縫混凝土。

步驟7：進(jìn)行橋面系與附屬結(jié)構(gòu)施工，成橋。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用有限元軟件進(jìn)行分析。該橋為跨徑（40+60+40）m、橋?qū)?2 m的槽形鋼-混凝土橋面板組合連續(xù)梁，橋面板按照鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計（預(yù)應(yīng)力部位縱向按B類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)控制設(shè)計）。荷載按照實際橋梁所受荷載進(jìn)行施加，主梁材料采用Q370qD鋼材[5]。該橋有限元模型如圖2所示：

圖2 有限元模型圖

3.2 主梁抗彎承載力驗算

（1）橋面板應(yīng)力抗彎承載力驗算

組合梁抗彎承載力應(yīng)采用線彈性方法計算。模型運算后，截取的橋面板應(yīng)力如圖3所示：

圖3 橋面板最大正應(yīng)力圖

從圖3可以看出，橋面板最大正應(yīng)力為11.309 MPa，小于其規(guī)范的容許值22.4 MPa，且具有較大的安全裕度，能夠滿足橋梁的運營需求。

（2）鋼主梁抗彎承載力驗算

同時，對鋼主梁的抗彎承載能力進(jìn)行驗算，并分別截取其上、下緣的彎曲應(yīng)力，如圖4和圖5所示：

圖4鋼梁上緣正應(yīng)力圖

圖5 鋼梁下緣正應(yīng)力圖

從圖4和圖5可以看出，在承載能力極限狀態(tài)下，鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中跨的跨中位置，為175.9 MPa，小于鋼主梁Q370qD材料的容許值295 MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中墩負(fù)彎矩處，為242.3 MPa，小于鋼主梁Q370qD材料的容許值295 MPa，其上緣應(yīng)力驗算滿足規(guī)范需求。同理，鋼主梁下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中墩負(fù)彎矩處，分別為219 MPa和184.8 MPa，均小于材料的容許值295 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 疲勞驗算

根據(jù)規(guī)范要求，必須對組合梁進(jìn)行疲勞驗算，將該橋鋼主梁正應(yīng)力和剪應(yīng)力的疲勞驗算結(jié)果提取出來，分別如圖6、圖7所示：

從圖6和圖7可以看出，該橋最大正應(yīng)力幅出現(xiàn)在第三跨的跨中位置，為28.86 MPa，剪應(yīng)力最大疲勞應(yīng)力幅出現(xiàn)在中墩附近負(fù)彎矩張拉的端部位置，為9.181 MPa，均滿足規(guī)范要求，符合運營條件。

4 結(jié)論

該文以某小曲線半徑鋼混組合梁為例，對其在設(shè)計過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，隨后對其現(xiàn)場施工技術(shù)要點進(jìn)行了闡述，并采用有限元分析軟件對其在成橋階段運營后的受力性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該橋橋面板的最大正應(yīng)力為11.309 MPa，小于其規(guī)范的容許值22.40 MPa；鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中跨跨中位置，為175.9 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中墩負(fù)彎矩處，為242. 3MPa；鋼主梁下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中墩負(fù)彎矩處，分別為219 MPa和184.8 MPa，均小于材料的容許值295 MPa，滿足規(guī)范要求。該文通過小半徑鋼混組合梁的設(shè)計施工要點分析和受力性能分析，以期為其他類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]陳凱，黃丹，檀秋芬，等.立交匝道小半徑鋼混組合連續(xù)梁橋受力特性分析[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2024（1）：41-46.

[2]胡鑫，羅晶，潘傳銀.鋼混組合梁寬橋的箱室劃分研究[J].城市道橋與防洪，2024（1）：111-115+16.

[3]王武力，張友光.變截面鋼混組合連續(xù)梁頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究[C].2023年全國土木工程施工技術(shù)交流會論文集（中冊）.中鐵大橋局第七工程有限公司.2023：312-316.

[4]劉沐宇，康謙，張強.新型鋼-混組合板梁橋受力特性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2018（12）：52-55.

[5]袁曉靜，奚兵，趙偉，等.雙箱鋼-混凝土連續(xù)曲線組合梁受力性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2020（8）：154-159.