低高度密集型工字形組合梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李熙同

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730010）

1 引言

自20世紀(jì)50年代之后，鋼-混凝土組合梁橋得到了迅速發(fā)展，從20 m跨徑的中小跨徑梁橋到近千米的斜拉橋，都有鋼混組合梁的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼混組合梁橋進(jìn)行了深入研究[1]。相比混凝土箱梁，工字形組合梁可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越、跨越能力大、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。密集型工字形組合梁已在公路、城市橋梁中得到了部分應(yīng)用，以長(zhǎng)沙湘府路快速改造工程高架橋項(xiàng)目為例，全線均采用預(yù)制密布工字形鋼混組合梁，標(biāo)準(zhǔn)跨橋?qū)?5 m，布置11片主梁，主梁間距2.3 m，主梁1跨內(nèi)不設(shè)橫向連接系。本文結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)低高度密集型工字形組合梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了研究分析。

2 方案設(shè)計(jì)

原橋址為1孔20 m簡(jiǎn)支混凝土小箱梁，箱梁病害嚴(yán)重，且橋下有泄洪要求，新建橋梁采用1×30 m工字形鋼-混凝土組合梁橋，加大跨徑，增加橋下泄洪斷面。由于是舊橋改造項(xiàng)目，要求快速施工，施工周期較短，同時(shí)，新建橋梁要利用既有橋臺(tái)結(jié)構(gòu)，主梁高度為定值，方案需根據(jù)總梁高1 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，新建橋梁方案一采用密集型工字形組合梁方案，方案二采用雙主梁工字形組合梁方案。

方案一和方案二均采用傳統(tǒng)的先吊裝鋼主梁后澆筑橋面板施工方法，方案二中增加箱間橫梁，箱間橫梁與鋼主梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，由于橫梁高度較低，截面尺寸較大，作業(yè)工作量相對(duì)較大；雙主梁結(jié)構(gòu)在適宜高度下，截面尺寸較為合理，由于本橋主梁高度只有0.97 m，鋼主梁頂、底板板厚均超過(guò)60 mm，單片主梁質(zhì)量高達(dá)40 t，全橋總用鋼量超過(guò)400 kg/m2，而方案一總用鋼量?jī)H為350 kg/m2；方案二雙主梁結(jié)構(gòu)，活載作用下?lián)隙冗_(dá)45 mm，鋼梁底板疲勞應(yīng)力幅高達(dá)50 MPa，雖均滿足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)比方案一，結(jié)構(gòu)整體剛度相對(duì)較低，活載作用下應(yīng)力儲(chǔ)備不富裕。

綜合考慮施工工藝、用鋼量、結(jié)構(gòu)剛度和疲勞應(yīng)力儲(chǔ)備后，新建橋梁采用方案一，即密集型工字形組合梁，如圖1所示。

圖1 30 m密集型工字型組合梁

3 新建方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1）橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)；

2）車道數(shù)：雙向兩車道；

3）橋面寬度：9 m，行車道寬8 m，防撞護(hù)欄寬各0.5 m；

4）橋面橫坡：雙向2%。

4 組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工字形組合梁采用等截面設(shè)計(jì)，為方便施工，降低吊重，采用整體吊裝鋼梁，后澆筑壓型鋼板組合橋面板方案。

如圖2所示，組合梁總梁高0.97 m，由縱橫向頂格狀布置工字鋼梁和混凝土橋面板通過(guò)抗剪連接件組成，方案一中，鋼縱梁采用5片主梁，中心梁高0.72 m，縱梁中心間距1.7 m；工字鋼上翼緣寬0.6 m，厚38 mm，底板寬0.9 m，厚48 mm，腹板采用直腹板，厚28 mm；邊梁工字鋼腹板內(nèi)設(shè)置豎向加勁肋，豎向加勁肋標(biāo)準(zhǔn)間距1.0 m，中梁工字鋼不設(shè)置豎向和水平加勁肋；密集型工字鋼組合梁無(wú)橫向連接系，以腹板、上翼板寬厚比控制結(jié)構(gòu)屈曲應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效應(yīng)力，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)。梁端僅設(shè)置端橫梁，增加結(jié)構(gòu)整體剛度和支撐處局部穩(wěn)定性，端橫梁中心梁高0.72 m，采用箱形截面，箱內(nèi)布置剪力釘，并灌注混凝土，縱梁和端橫梁上翼緣布置直徑16 mm，高150 mm剪力釘，傳遞縱向剪力。

圖2 密集型工字型組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：mm)

本橋橋面板采用現(xiàn)澆壓型鋼板組合橋面板，板厚0.25 m，橋面板剛度較大，可以兼做主橋縱向、橫向連接系，與鋼主梁形成穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)，梁間沿縱向設(shè)置開口型壓型鋼板，可實(shí)現(xiàn)無(wú)支架快速澆筑。

5 組合梁主要材料

1）鋼主梁頂、底板、腹板：Q420ME鋼材；

2）鋼橫梁頂、底板、腹板：Q420ME鋼材；

3）其他構(gòu)造性鋼材：Q235C鋼材；

4）壓型鋼板：Q355B鋼材；

5）混凝土橋面板：C50微膨脹混凝土；

6）端橫梁填充混凝土：C50微膨脹混凝土；

7）伸縮縫預(yù)留槽及橋面連續(xù)預(yù)留槽填充：超高性能接縫混凝土。

6 密集型工字型組合梁計(jì)算分析

6.1 結(jié)構(gòu)分析

本橋采用Midas/Civil 2019程序計(jì)算。采用梁?jiǎn)卧謱咏Y(jié)構(gòu)建立組合梁有限元模型，如圖3所示。

圖3 組合梁有限元模型

6.2 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

組合梁抗彎承載力驗(yàn)算按照J(rèn)TG 3362—2018《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第11.2.1條規(guī)定計(jì)算。按基本組合控制，對(duì)構(gòu)件應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，應(yīng)滿足γ0σ≤f（其中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；σ為結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力；f為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值），組合梁剪力全部由鋼梁腹板承擔(dān)，不考慮混凝土橋面板抗剪作用。抗彎承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算見表1。

表1 抗彎承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)組合梁抗彎承載力驗(yàn)算公式，當(dāng)工字鋼梁主梁結(jié)構(gòu)采用Q420鋼材時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)工字鋼梁主梁結(jié)構(gòu)采用Q420鋼材時(shí)，根據(jù)計(jì)算應(yīng)力結(jié)果，鋼梁頂板和底板應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，腹板應(yīng)力較小，Q355鋼材也可滿足，但考慮到原材料購(gòu)買和橋梁規(guī)模等因素，主橋工字鋼統(tǒng)一采用Q420鋼材。

6.3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

低高度密集型組合梁變形驗(yàn)算按照公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0，對(duì)于簡(jiǎn)支梁計(jì)算撓度值不應(yīng)大于L/500（L為跨度）。

30 m跨度組合梁活載作用下豎向撓度為31 mm，計(jì)算結(jié)果表明，在不計(jì)沖擊力汽車車道荷載作用下，考慮組合梁剪切變形和滑移效應(yīng)影響，組合梁豎向最大撓度小于L/500=60 mm，滿足規(guī)范要求。

組合梁混凝土構(gòu)件，在作用標(biāo)準(zhǔn)組合下對(duì)橋面板正截面混凝土法向壓應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果應(yīng)符合JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第7.1.5-1條要求，荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，車輛荷載考慮沖擊系數(shù)。

組合梁為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，橋面板受力以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力較小，不控制設(shè)計(jì)，跨中橋面板壓應(yīng)力僅為-9.5 MPa，小于設(shè)計(jì)值-13.4 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

6.4 鋼梁疲勞驗(yàn)算

工字鋼疲勞驗(yàn)算采用疲勞荷載模型I，根據(jù)JTG D62—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，采用疲勞荷載模型I驗(yàn)算時(shí)，簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)鋼主梁下緣應(yīng)力幅值明顯高于上緣應(yīng)力幅值，即下緣控制。計(jì)算得到鋼梁正應(yīng)力最大幅值為25.5 MPa，鋼梁疲勞應(yīng)力限值計(jì)算值為60.05 MPa，鋼梁疲勞滿足規(guī)范要求。

6.5 腹板穩(wěn)定性

根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，腹板最小厚度應(yīng)滿足：不設(shè)豎向加勁肋、縱向加勁肋時(shí)，腹板厚度不小于ηhw/60（其中，hw為腹板計(jì)算高度；η為折減系數(shù)，不得小于0.85）。本橋設(shè)計(jì)腹板厚度驗(yàn)算最小厚度為7.9 mm，腹板實(shí)際厚度28 mm遠(yuǎn)大于最小厚度，滿足規(guī)范要求。

6.6 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，密集型組合梁方案，受力明確，跨中截面正彎矩應(yīng)力最大，支點(diǎn)截面剪力最大，能有效發(fā)揮鋼材抗拉壓能力，密集型組合梁抗彎承載力、抗剪承載力、剛度、穩(wěn)定性及抗疲勞能力等均滿足規(guī)范要求。

7 密集型工字形組合梁主要施工工藝

1）施工基礎(chǔ)和橋臺(tái)；

2）鋼梁在工廠制造，預(yù)拼檢驗(yàn)合格后，整段運(yùn)抵橋位或工地鋼梁存放場(chǎng)；

3）在橋位或工地現(xiàn)場(chǎng)焊接多片主梁，形成整跨工字形鋼主梁；

4）設(shè)置聯(lián)端和墩頂永久支座，整跨鋼梁吊裝就位，吊裝時(shí)，每片主梁端部設(shè)置一個(gè)吊點(diǎn)，利用2臺(tái)吊機(jī)同時(shí)起吊，吊機(jī)選擇應(yīng)滿足吊裝要求；

5）5片鋼主梁安裝到位后，焊接端橫梁；

6）鋪設(shè)鋼主梁上部開口型壓型鋼板，綁扎橋面板鋼筋；

7）澆筑端橫梁微膨脹混凝土，加壓灌注保證混凝土灌注密實(shí)；

8）端橫梁混凝土強(qiáng)度和彈模達(dá)到28 d相應(yīng)值90%以上，澆筑橋面板微膨脹混凝土；

9）橋面板混凝土強(qiáng)度和彈模達(dá)到28 d相應(yīng)值70%以上時(shí)，安裝伸縮縫，伸縮縫槽口內(nèi)澆筑超高強(qiáng)混凝土；

10）安裝防撞護(hù)欄，完成橋面鋪裝及其他附屬工程。

8 結(jié)語(yǔ)

1）將低高度密集型工字型組合梁技術(shù)應(yīng)用在要求快速通車工程建設(shè)中，能夠充分發(fā)揮鋼梁和混凝土板組合優(yōu)勢(shì)，多主梁組合梁結(jié)構(gòu)受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)潔，施工便利，工序簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度較快，在部分高度受限、工期較短工程中可得到有效應(yīng)用。

2）密集型工字形簡(jiǎn)支組合梁體系承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算、鋼梁疲勞驗(yàn)算、腹板穩(wěn)定性驗(yàn)算、剛度驗(yàn)算均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3）橋面采用現(xiàn)澆壓型鋼板組合橋面板，梁間設(shè)置開口型壓型鋼板，可實(shí)現(xiàn)混凝土橋面板一次性無(wú)支架澆筑。