提高鋼箱梁頂板整體剛度的優化研究

韓有龍++趙亮++劉元+++李樸++王貴林

摘要： 針對鋼混組合梁橋，鋼箱梁頂板剛度小的特點，利用空間有限元進行模擬，提出四種解決方案。結合實際工程對進度的要求，最終確定使用槽鋼作為背向加勁肋，增加鋼箱頂板剛度。通過設置沉降觀點，在混凝土橋面板澆筑過程中，進行實時觀測頂板變形，確定該方案的合理性及實用性，為今后類似工程的應用提供良好借鑒。

Abstract： Aiming at the steel-concrete composite beam bridge with the characteristics that steel box girder roof stiffness is small， four kinds of solutions are put forward using the space finite element simulation. Combined with the actual engineering requirements on the progress， ultimately determine the use of channels as back stiffener to increase the roof stiffness. Through setting the settlement observation point， in the concrete bridge deck pouring process， take the real-time observation for the roof deformation， determine the rationality and practicality of the program， so as to provide a good reference for the future application of similar projects.

關鍵詞： 鋼混組合梁橋；頂板剛度；優化；撓度

Key words： steel-concrete composite bridge；roof stiffness；optimization；deflection

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0091-04＼

0 引言

鋼混組合結構橋梁目前被廣泛應用。在實際施工過程中，以鋼箱梁頂板作為混凝土橋面板澆筑的底模板，可以節省搭設臨時支撐等材料、人力費用。實際的鋼箱梁頂板剛度較小，不能承擔混凝土產生的自重，本文通過一定的技術措施來提高鋼箱梁整體剛度，滿足施工過程中的要求。

1 工程概況

鋼箱梁主梁采用鋼-混組合箱梁（圖1）。由預制好的鋼主梁通過剪力釘與現澆混凝土板結合而成。鋼箱梁設計采用倒梯形，鋼箱截面為單箱三室，主要由上翼緣板、腹板、底板、頂板、腹板加勁肋、底板加勁肋、頂板加勁肋以及橫隔板組成。鋼主梁在梁中心線處高1.15m，鋼主梁頂板寬15m，翼緣板寬2.4m，厚度t=12mm，縱向隔梁處加厚為26mm，下底板寬7.97m，厚度t=20mm；腹板厚度t=16mm。鋼梁普通節段橫隔板均采用桁架式空腹橫隔板，永久支座處橫隔板采用實腹式橫隔板。橫隔板的間距墩頂為3.00m，跨中為4.0m。在鋼主梁上現澆350mm標號為C50的混凝土作為橋面板。

2 施工過程有限元分析

本工程為文博會配套基礎設施，采用EPC總承包模式管理，施工周期僅為150天。鋼箱梁采用工廠預制，現場拼裝完成。在設計時僅考慮成橋荷載狀態下的內力計算。鋼箱梁現場拼接至第五片梁時，經有限元軟件（圖2）對施工過程進行分析。

以鋼箱梁頂板為模板，澆筑350mm混凝土時，混凝土未與鋼箱梁結合為整體，共同受力。因此施工過程中混凝土產生的自重全部由鋼箱頂板承擔。根據計算結果，作為底模的頂鋼板板厚為12mm，加勁肋的間距為4m且尺寸都較小。澆筑混凝土時頂板加勁肋最大應力達到563MPa，鋼板局部豎向變形最大達到51mm；翼緣挑臂加勁肋最大應力達到296MPa，局部豎向變形最大達到33mm。澆筑混凝土時的鋼板應力及變形都遠超規范，無法保證施工安全和澆筑質量。

3 提高頂板剛度的優化分析

3.1 箱內加支撐

在鋼箱梁內加入支撐，增加其受力性能，其實施如圖3所示。

在中箱底板橫梁上設置三道縱向支撐，間距1.4m，鋼管支撐位置與底板縱向加勁肋對應，且增加斜向支撐做好支撐系統的穩定性，鋼管與木方節點位置以鋼管頂加楔形塊作為高差調整裝置，保證頂鋼板在同一平面內。橋面板澆筑前，選取縱向8m（2道隔板間距）橫向全斷面范圍采用120%的橋面板自重進行加載試驗，以確保澆筑的安全性。

其有限元計算結果如圖4所示。

由計算結果可知，加載縱向支撐后，頂板在澆筑混凝土過程中，最大變形為2.46mm，應力最大為40.3MPa，滿足規范要求。

3.2 箱內頂板增加橫向加勁肋

對頂板加勁肋進行加密：中箱頂板加勁肋加密至50cm一道，邊箱加勁肋加密至100cm一道（需增加相應位置處的斜腹板內側橫向加勁肋），加勁肋尺寸保持原設計尺寸不變，如圖5所示。

加勁肋加密后，建立有限元模型進行分析，計算結果如圖6。

根據計算結果，中間加勁肋最大應力為163MPa，豎向最大變形為10mm。滿足施工及設計要求。

3.3 頂板外部增加豎向鋼板

頂板設置橫向12*120*15000mm鋼板，間距50cm，與原頂板焊接。由于橋面鋪裝鋼筋網片較密，須在鋼板處設置預留孔洞（圖7），以通過原縱向主筋。

由圖8中可以看出，最大位移變形梁為0.65mm，最大應力為19MPa，滿足規范要求，保證了施工的安全性。

3.4 頂板外部增加槽鋼

頂板上部每隔50cm采用橫向100*48*5.3mm的熱軋槽鋼，反扣于鋼板上，且與頂板焊接。單塊槽鋼長度為9300mm，以提高鋼箱頂板的整體剛度，保證混凝土橋面板澆筑過程中的施工質量。建立有限元模型進行分析（圖9）以驗證該方案的合理性。

根據有限元分析可知，采用該種方案，其最大變形為0.83mm，最大應力為24.1MPa，滿足設計要求，且能夠保證施工安全性。

3.5 方案對比與優化（如表1）

本工程的施工工期為最大的困擾因素。綜合考慮到安全性、適用性及可操作性等因素，選擇頂板外部增加槽鋼的施工方法。采用該種施工方法，避免了加勁板開洞，箱內施工作業難度大等施工困擾因素，且48mm高度的槽鋼，恰好符合橋面鋪裝鋼筋保護層厚度。

施工過程中在每跨跨中變形最大處設置沉降觀測點，澆筑混凝土過程中及施工完成24h內的頂板撓度變化如表2所示。

由表中數據可知，采用方案四施工，鋼板最大撓度變形為7mm，最小難度變形為2mm，滿足設計及施工要求。

槽鋼焊接工作共用時3天，為后續工作展開爭取了寶貴的時間。

4 結論

鋼-混凝土組合結構橋梁具有上部結構高度小、自重輕、地震作用小、結構延性好、基礎造價低、便于工廠化生產、現場安裝質量高、施工費用低、施工速度快等優點，近年來在我國得到了迅速的發展。本文介紹了在組合結構橋梁頂板增加剛度方面的四項最新研究和實踐工作，內容包括箱內加支撐、箱內頂板增加橫向加勁肋、頂板外不增加豎向鋼板、頂板外部增加槽鋼。通過對四種方案的有限元計算，結合對工期、施工安全性的綜合比較，選取頂板外部增加槽鋼作為實際施工方案，取得了良好的效果，可為解決組合結構橋梁的類似問題提供參考和借鑒。

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