鋼結構抱柱梁的設計與應用探討

1 前言

鋼材是建筑行業的重要材料，目前我國鋼材的年產量居世界首位，鋼產量的增加為我國建筑鋼結構建設事業創造了非常好的發展機遇，鋼結構的設計以及應用在我國得到快速的發展。鋼結構抱柱梁和傳統的混凝土抱柱梁相比，具有施工方便、施工周期短、適用范圍廣、穩定性高、可循環利用等眾多應用優勢，致使其被廣泛的應用在我國建筑行業中。因此，對于工程設計和施工人員來說，研究鋼結構抱柱梁的設計與應用，對于提高工程設計水平和實踐應用效果具有非常重要的現實意義。

2 鋼結構抱柱梁的設計與應用探析

2.1 工程概況以及鋼結構抱柱梁優勢分析

文章以某航道橋梁工程為例，該橋梁工程采用三跨預應力連續箱梁架構，主橋的總重量為4.712×104kN，橋凈高5.35m，跨境設計為36m+60m+36m，分為分離式上行和下行雙幅橋，因為該橋梁工程跨越的航道進行升級改造，將橋柱凈高調整至8.35m，該橋梁工程的改造施工隊伍通過將鋼結構包梁柱與傳統的混凝土抱柱梁進行對比，鋼結構包梁柱的優勢在于:(1)鋼結構包梁柱的梁寬相對較小，對橋下空間的要求不高，具有更加廣泛的適用范圍;(2)鋼結構包梁柱和橋墩接觸面的連接力相對較大，可靠性和安全性更高;(3)鋼結構抱柱梁可以循環使用，能夠有效的提高鋼材的使用率，對于實現可持續發展以及低碳經濟具有非常重要的作用;(4)鋼結構抱柱梁在施工的過程中對周邊環境的影響相對較小，具有非常好的環保和社會效益;(5)鋼結構抱柱梁的各個預制構件間采用螺栓進行連接，便于進行安裝和拆卸，有效的縮短施工周期。因此，該橋梁工程施工隊伍決定采用鋼結構包梁柱。

2.2 鋼結構抱柱梁在實踐應用的設計

(1)有限元分析。創建單個鋼結構抱柱梁有限元分析模型，各種參數根據《公路橋涵通用設計規范》進行選擇，間隔一定距離設置一個千斤頂，千斤頂的最大頂升力為3×105N，千斤頂和臨時支承力相同，設計在千斤頂的內側，鋼結構抱柱梁荷載狀況如表1所示。鋼結構抱柱梁的安全系數相對較高，中心抱柱梁結構在連接板相交位置、中心鋼箍、頂板等位置應力相對集中，需要設計加勁肋提高整體的安全性和可靠性。此外，通過采用雙向預應力和剪力鍵的鋼結構抱柱梁，能夠滿足抱柱梁結構應力峰值大于千斤頂托架體系的要求，有效的提高了材料的利用率，顯著的縮短了施工周期。

表1 鋼結構抱柱梁荷載狀況表

(2)預制鋼結構。鋼結構抱柱梁的鋼材選擇應該根據建筑工程的實際狀況，例如建筑高度、施工、結構材料、地基、場地條件、抗震設防烈度、抗震類別等因素，通過綜合考慮各個方面的因素，選擇相應的鋼材。抱柱梁的主要構件通常在工廠預制，然后再施工現場采用螺栓進行拼裝形成整體，當橋梁的整體頂升提升改造完成之后，僅需要將拼裝螺栓卸下就能夠完成結構的拆除。

(3)分離式結構設計。橋梁結構不同采用橋墩的尺寸也不相同，如果鋼結構抱柱梁的橋墩采用整體式結構，這樣不僅會降低其使用壽命，同時由于整體式結構為單次使用，不能進行其他橋梁結構的提升改造。因此，該橋梁工程的鋼結構抱柱梁采用分離式結構，即直接承受作用反力的千斤頂托架結構和與橋墩相連的中心抱柱梁結構，兩種結構相對獨立，這兩種結構在施工的過程中都采用螺栓進行連接，前者可以循環使用，后者應該根據工程的實際需求進行定制。該工程的鋼結構抱柱梁的分離式結構采用在雙幅橋的橋墩間無連接的方式，每一個抱柱梁由千斤頂托架和中心抱柱梁組成，千斤頂托架可以進行循環利用，中心抱柱梁和作為千斤頂托架體系的鋼箱梁都采用Q345鋼材，橫橋向和順橋向預應力鋼筋采用精軋螺紋鋼筋，抗拉強度標準值為930MPa，抱柱梁的高度為40cm，連接板的間距為25cm，剪力鍵寬度為3.5cm，橋梁工程鋼結構抱柱梁的各構件厚度分別為:預應力加勁肋16mm;箱梁連接板18mm;箱梁腹板8mm;箱梁頂板、底板12mm;中心梁頂板、底板30mm;加勁肋8mm;中心梁連接板24mm;剪力鍵20mm;中心鋼箍30mm。

(4)雙向預應力的設計。通過設置鋼制剪力鍵能夠顯著的提高墩梁截面的連接力，同時在一定程度上能夠降低抱柱梁結構的高寬比(通常狀況下，鋼結構抱柱梁的高寬比控制在0.4-0.6)，這樣能夠對鋼結構抱柱梁的彎矩效應進行加強，同時減弱橋墩和梁底部分區域的連接。此外，為了保證鋼結構抱柱梁施工期間的安全性和可靠性，應該在鋼結構抱柱梁下方設置雙向預應力筋，這樣能夠在抱柱梁的中心區域形成環向預應力，同時為了充分的發揮預應力筋的作用，應該把預應力筋錨固在千斤頂托架結構上。

(5)剪力鍵的設計。鋼結構抱柱梁與混凝土抱柱梁不同，預制的鋼結構抱柱梁在進行安裝的過程中，缺乏原橋橋墩和膠凝材料的連接。由于鋼結構抱柱梁采用承受剪力為主的方式，因此需要在墩梁截面設置剪力鍵，每隔一段距離對橋墩表面抱柱梁設置區域進行環向切槽處理，切槽的深度和混凝土保護層的厚度相同，此外還應該在橋墩和抱柱梁接觸的界面，按照相同的間距設置環向剪力鍵，這樣能夠有效的工程改造施工中的頂升反力，通過橋墩和剪力鍵之間的咬合作用，達到增強橋墩界面抗剪承載能力的效果。

(6)加勁肋的設計。為了防止鋼結構出現局部屈曲的現象，需要在應力集中部分(例如構件尺寸突變區域)以及抱柱梁承受集中區域(例如千斤頂、臨時支撐構件區域)設置加勁肋，厚度如表2所示。

3 結束語

總而言之，鋼結構抱柱梁和傳統的混凝土抱柱梁相比具有更多的應用優勢，致使其被廣泛的推廣和應用在現代橋梁整體同步頂升施工中。

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