棗木東延線棗莊高架橋1-55m簡支鋼-混凝土組合梁設(shè)計

楊相展

(創(chuàng)輝達設(shè)計股份有限公司 長沙市 410004)

近年來，隨著交通運輸部鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的推進和環(huán)保理念的加強，鋼結(jié)構(gòu)橋梁開始在公路工程項目尤其是中小跨徑橋梁中得到推廣應(yīng)用。這其中，鋼-混組合橋梁因為能充分發(fā)揮鋼材與混凝土材料的各自優(yōu)勢，節(jié)省材料，施工方便，更是受到日益重視和推廣。

目前已建成的組合結(jié)構(gòu)橋梁基本應(yīng)用在斜拉橋、懸索橋等大跨橋梁結(jié)構(gòu)中，如上海楊浦大橋、蕪湖長江大橋、南京大勝關(guān)大橋、廣東佛山東平橋等。在數(shù)量龐大的中、小跨度橋梁中，目前混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土的橋梁仍占據(jù)絕對數(shù)量優(yōu)勢，鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁較少，導(dǎo)致了對中小跨徑組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究工作不夠系統(tǒng)、深入，技術(shù)水平落后于國際先進水平，我國組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究、實踐與國際先進水平有明顯差距。

1 工程概況

棗木東延線棗莊高架橋中心樁號為K20+198.9，全橋共42 聯(lián)，橋梁全長4792m，上部結(jié)構(gòu)共有五跨鋼-混凝土組合簡支梁，分別為第6聯(lián)(55m)、第21聯(lián)(55m)、第31聯(lián)(55m)、第36聯(lián)(60m)、第41聯(lián)(60m)。鋼-混凝土組合梁選用箱形截面。其余聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力混凝土 (后張)簡支小箱梁，橋面連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式墩，墩臺采用樁基礎(chǔ)。選取第21聯(lián)55m跨簡支鋼-混凝土組合梁作為分析對象。橋型布置圖及主梁斷面圖如圖1和圖2所示。

圖2 主梁斷面圖

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)與材料

1-55m簡支鋼-混凝土組合梁采用雙箱單室結(jié)構(gòu)，兩箱之間設(shè)置橫系梁連接，全橋共設(shè)置10道橫系梁。梁高2.6m，鋼箱梁頂、底板厚度分別為35mm和30mm，腹板厚度22mm。鋼材采用Q345qD，全橋鋼結(jié)構(gòu)部分按三段在工廠焊接完成后，運輸?shù)綐蛭?，現(xiàn)場采用高強螺栓連接，采用大六角頭高強螺栓，螺栓等級為10.9 級，為摩擦型高強螺栓。栓釘采用Φ25 圓柱頭栓釘，長度180mm，全橋的剪力連接件均在工廠焊接完成。

采用midas Civil程序進行計算，根據(jù)橋梁跨徑及主梁橫斷面的剛度計算橫向分布系數(shù)，簡化為單梁模型進行計算。全橋共劃分42個單元，45節(jié)點。靜力計算有限元模型圖如圖3所示。

圖3 橋梁有限元模型

2.2 施工節(jié)段劃分

全橋鋼結(jié)構(gòu)部分按三段在工廠焊接完成后，運輸?shù)綐蛭唬F(xiàn)場采用高強螺栓連接，節(jié)段劃分如圖4所示。

圖4 橋梁節(jié)段劃分

2.3 施工順序

本橋共劃分為7個施工階段，分別為：

(1)澆筑橋墩，臨時支架。

(2)鋼箱梁現(xiàn)場吊裝。

(3)鋼箱梁現(xiàn)場拼裝，安裝橫向聯(lián)系梁。

(4)鋪設(shè)預(yù)制混凝土橋面板。

(5)澆注混凝土后澆層，從中間向兩側(cè)澆注。

(6)待混凝土達到設(shè)計強度后，拆除臨時支撐。

(7)施工橋面鋪裝、護欄、伸縮縫等。

3 計算荷載

3.1 恒載

一期恒載：混凝土容重取26kN/m3，鋼材容重78.5kN/m3。

二期恒載：橋面鋪裝+護欄人行道，取23.2kN/m。

3.2 汽車荷載

采用公路Ⅰ級，車道荷載橫向分布調(diào)整系數(shù)經(jīng)計算采用1.35。

汽車荷載沖擊系數(shù)，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)取用。

3.3 溫度荷載

采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)4.3.12規(guī)定的溫度荷載，包括結(jié)構(gòu)的整體溫度升降和梯度溫度升降。整體溫度升降工況中，取結(jié)構(gòu)最高溫度39℃，最低溫度-15℃，成橋溫度15℃。主梁截面溫差根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)第4.3.12條取10cm厚瀝青鋪裝，計算T1=14℃，T2=5.5℃，負溫差為T1=-7℃，T2=-2.75℃。

4 應(yīng)力驗算

對橋梁各階段進行了應(yīng)力計算，各階段計算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 鋼箱梁應(yīng)力計算結(jié)果

由以上結(jié)果可知：成橋階段鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為126.3MPa，下緣最大拉應(yīng)力為121.4MPa，小于鋼材容許應(yīng)力210MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠；承載能力極限狀態(tài)基本組合下鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為152.6MPa，下緣最大拉應(yīng)力為213.7MPa，小于Q345qD級鋼材抗壓及抗拉強度設(shè)計值為275MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠；正常使用極限狀態(tài)標準值組合下鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為139.6MPa，下緣最大拉應(yīng)力為172.3MPa，小于Q345qD級鋼材容許應(yīng)力210MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠。

由以上結(jié)果可知：成橋階段混凝土橋面板頂緣最大壓應(yīng)力為5.4MPa，小于壓應(yīng)力允許值16.2MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠。正常使用極限狀態(tài)混凝土橋面板頂緣最大壓應(yīng)力為12.8MPa，小于壓應(yīng)力允許值16.2MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 其它驗算

5.1 主梁抗剪驗算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》(GB 50917-2013)第5.2.1條規(guī)定：鋼-混凝土組合梁的抗剪承載力可根據(jù)γ0V≤hwtwfvd計算。承載能力極限狀態(tài)基本組合下，主梁支點位置剪力設(shè)計值為5650kN，鋼梁腹板高度為2052mm，腹板厚度22mm，抗剪強度設(shè)計值為155MPa，主梁抗剪承載力為13994.6kN,大于剪力設(shè)計值5960kN，主梁抗剪驗算滿足要求。

5.2 主梁剛度驗算

移動活載作用下，梁最大撓度為39.0mm，撓跨比為1/1410，小于1/600，結(jié)構(gòu)剛度驗算滿足要求。

5.3 抗剪連接件驗算

本橋鋼梁與混凝土橋面板之間采用Φ25×180栓釘連接件，腹板上翼緣板橫向配置5根栓釘，間距100mm，栓釘順橋向間距為150mm，半跨范圍內(nèi)共配置1840根栓釘。按照《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》(GB50917-2013)第7.2.1條，單個栓釘抗剪連接件的抗剪承載力設(shè)計值采用下式較小值：

(1)當發(fā)生栓釘剪斷破壞時：

(2)當發(fā)生混凝土壓碎破壞時：

根據(jù)計算可知：半跨范圍內(nèi)縱向剪力設(shè)計值為69143.3 kN，剪承載力

6 結(jié)語

按照規(guī)范對1-55m簡支鋼-混組合梁進行了詳細計算，計算結(jié)果表明強度、剛度等均滿足要求，目前該項目已經(jīng)通車，為今后大跨徑鋼-混組合梁設(shè)計提供參考和借鑒。