裝配式波形鋼腹板工字型組合梁試設計

趙 森 雷 政 馬春祥

(河南大建橋梁鋼構股份有限公司,河南 鄭州 450000)

裝配式波形鋼腹板工字型組合梁試設計

趙 森 雷 政 馬春祥

(河南大建橋梁鋼構股份有限公司,河南 鄭州 450000)

結合工程實例，對一種新型的波形鋼腹板工字型組合梁結構進行了分析，提出了改善組合結構墩頂負彎矩區(qū)混凝土橋面板受力性能的方法，并簡要介紹了裝配式波形鋼腹板工字型組合梁的施工過程，指出了裝配式波形鋼腹板工字型組合梁在實際應用中的優(yōu)勢。

波形鋼腹板，裝配式，組合梁

組合鋼板梁橋是由鋼板或型鋼等通過焊接、螺栓或鉚釘?shù)冗B接而成的工字型或者箱型截面的實腹式鋼梁作為主要承重結構的橋梁[1]。工字型組合鋼板梁橋結構受力明確，計算簡單，制作與施工也比較方便，是一種經(jīng)濟耐久的橋梁結構形式，在歐洲、日本、美國等發(fā)達國家的橋梁建設中得到廣泛應用。在法國，最近幾年建造的公路組合梁橋中有90%都是工字型組合鋼板梁橋[2]。

隨著工字型鋼板組合梁橋的廣泛應用，人們對其研究更加深入，一種新型的裝配式波形鋼腹板工字型組合梁逐漸被提出[3]。在新型裝配式波形鋼腹板工字型組合梁橋中，波形鋼腹板結構代替工字型實腹鋼梁。由于波形腹板的波折效應，腹板臨界屈曲應力有著顯著提高，抗屈曲能力明顯增強[4-6]。波形鋼腹板的使用可以減少直至省略縱、橫向加勁肋，同時避免了大量的焊接工作，減少了由于焊接帶來的殘余應力和焊接變形，使橋梁整體結構得到簡化。

結合預制裝配式施工技術，波形鋼腹板工字型組合梁能夠進行工廠標準化預制生產，施工質量得到有效保證的同時，大大縮短施工周期，節(jié)省工期和成本。

本文依托某公路跨S河特大橋項目方案設計，闡述了新型裝配式波形鋼腹板工字型組合梁的結構要點，探討了解決連續(xù)組合結構墩頂負彎矩區(qū)混凝土橋面板開裂破壞問題的措施。

1 工程概況

S河特大橋為某省道公路項目，全長1 240 m，上部結構采用新型的裝配式波形鋼腹板工字型組合梁結構，橋梁單孔跨徑40 m，采用四跨一聯(lián)或五跨一聯(lián)結構，單幅橋面寬22.5 m。

2 方案介紹

2.1 總體構造

主梁標準跨徑40 m，在同一聯(lián)梁板中，縱向考慮外拼接施工要求，每跨預制長度根據(jù)安裝及技術要求做相應調整；單幅橋橫向7片波形鋼腹板工字型組合梁，主梁中心間距3.1 m，跨中采用3道橫向連接系，以增強整體結構的橫向穩(wěn)定性。

波形鋼腹板主梁高2.2 m，上下翼緣板寬度均為80 cm，波形腹板采用1 200雙翼緣型波形鋼腹板。

預制組合梁混凝土頂板中，中板寬2.5 m，邊板寬3.2 m，板間縱向預留60 cm后澆混凝土濕接縫。組合梁邊梁示意圖見圖1，組合梁中梁示意圖見圖2。

2.2 總體計算

利用Midas Civil有限元分析軟件建立施工與運營階段全橋有限元模型，如圖3所示。

2.2.1 內力計算分析

在計算組合梁抗彎承載力時，考慮施工方法及順序的影響，并應對施工過程進行抗彎驗算，施工階段作用組合應符合現(xiàn)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》的規(guī)定。內力計算結果如圖4～圖7所示。

2.2.2 驗算結果

由圖4～圖7可看出，邊跨梁內力較中跨梁大，因邊跨與中跨梁板截面形式相同，驗算時僅取內力較大的邊跨梁進行，驗算截面位置如圖8所示。

在墩頂負彎矩區(qū)受力狀態(tài)分析時，考慮允許出現(xiàn)裂縫，但限制裂縫寬度的設計方法。強度驗算結果見表1。

表1 組合梁截面基本組合下抗彎強度驗算表

由表1可看出，工字鋼梁上、下翼緣應力及混凝土受壓區(qū)應力滿足要求。墩頂處負彎矩區(qū)(F截面～H截面)混凝土板上翼緣名義應力大于抗拉強度設計值，橋面板混凝土開裂，進一步驗算裂縫寬度[7,8]。

鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土構件，在Ⅰ類、Ⅱ類環(huán)境下其計算的最大裂縫寬度不應超過0.2 mm；Ⅲ類、Ⅳ類環(huán)境下，不應超過0.15 mm。

矩形截面鋼筋混凝土構件及B類混凝土受彎構件，其最大裂縫寬度可按下式計算：

由作用(荷載)短期效應引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應力σss按下式計算：

負彎矩區(qū)的混凝土橋面板受力狀態(tài)接近拉彎的混凝土橋面板，一般彎矩較小，拉力較大。驗算裂縫寬度時可按照混凝土軸心受拉構件進行，驗算結果見表2。

表2 裂縫寬度驗算表

由表2可看出，墩頂負彎矩區(qū)最大裂縫寬度為0.13 mm，滿足規(guī)范要求。

3 特殊構造措施

相比較于簡支梁結構體系,連續(xù)梁在中墩處存在卸載效應,可以減小跨中正彎矩,在相同荷載和梁高條件下,橋梁可以實現(xiàn)更大跨度。但連續(xù)梁自身也存在一些問題，墩頂負彎矩引起混凝土上緣拉應力過大，混凝土橋面板容易開裂破壞，從而導致結構耐久性降低。

在設計過程中根據(jù)對負彎矩區(qū)橋面板的性能要求，可以分成不允許出現(xiàn)拉應力、不允許裂縫產生以及允許開裂限制裂縫寬度三種設計方法。控制拉應力主要方法是施加負彎矩區(qū)預應力。墩頂負彎矩施加預應力的方法主要有三種：張拉預應力鋼束、支座頂升、加載配重法[9]。對于混凝土和工字鋼梁的組合結構而言，施加預應力的效果很大一部分施加在了鋼梁上面，后期混凝土的收縮徐變還會進一步導致預應力的損失。經(jīng)過長時間的實踐研究，目前技術人員更傾向于限制裂縫寬度的方法，在不影響結構安全及耐久性的情況下，允許墩頂出現(xiàn)不超限裂縫，這樣結構實現(xiàn)起來較為容易。

對于鋼—混連續(xù)組合結構，采用預制裝配式施工時，一般采用先簡支后連續(xù)施工方法，需要設置臨時支座進行體系轉換，這樣一方面增加了施工工序，體系轉換施工較為繁瑣；另一方面組合結構體系轉換時，墩頂范圍內設計施工質量難以保證，墩頂負彎矩區(qū)橋面板開裂破壞問題更加突出。

為解決裝配式波形鋼腹板工字型組合連續(xù)梁結構，在墩頂處負彎矩區(qū)橋面板易開裂破壞的問題，通過綜合采用一系列措施，能夠有效控制負彎矩區(qū)橋面板裂縫開展。

1)采用支座外拼接施工。將裝配式組合梁縱向預制長度加長，伸出支座以外，從而將拼接縫錯開支座位置，避免了設置臨時支座以及后續(xù)體系轉換等工作，減少工序的同時使墩頂負彎矩區(qū)受力更均勻；

2)中支點鋼橫梁上翼緣加寬處理。橫梁上翼緣橫向上與主梁上翼緣連接成為整體，加寬的上翼緣一方面給墩頂處混凝土澆筑帶來方便，另一方面在上翼緣上增加PBL剪力鍵，增強橋面板混凝土與鋼主梁的連接，使組合結構能夠協(xié)同參與受力，改善墩頂組合部位受力狀況；

3)后澆筑負彎矩橋面板混凝土。即待梁板架設完成，先施工橫向連接系及縱向濕接縫，最后施工墩頂處橋面板混凝土。采用高性能、補償收縮性質混凝土的同時增大墩頂處橋面板配筋率，以達到控制裂縫的目的。

墩頂處局部構造示意圖見圖9。

4 施工概述

波形鋼腹板工字型組合梁設計采用預制裝配式施工，常規(guī)架設安裝設備即可滿足施工要求，主要施工流程如下:工廠制作鋼主梁節(jié)段→鋼主梁拼接→波形鋼腹板組合梁預制→組合梁架設安裝→濕接縫及后澆段施工→橋面系及附屬結構施工→成橋運營。

工廠完成波形鋼腹板工字梁節(jié)段加工制作后，將波形鋼腹板工字梁節(jié)段組焊形成整體。在預制梁場利用工字主梁搭設支架、安裝頂板模板，頂板鋼筋施工完畢后澆筑混凝土，并按要求養(yǎng)護形成波形鋼腹板預制組合梁[10]。將預制組合梁移至梁場按要求時間存放，待其初期收縮徐變完成后，利用架橋機架設安裝組合工字梁，如圖10所示。

架設安裝波形鋼腹板工字型組合梁時，縱向上每片主梁均伸出支座中心線以外，鋼主梁采用螺栓固定連接，將拼接縫設置于墩頂之外，因此墩頂可直接安放永久支座，無需臨時支座過渡以及體系轉換施工。

5 結語

本文通過跨S河大橋項目方案試設計分析，闡述了新型裝配式波形鋼腹板工字型組合梁在結構及施工上的特點，并探討了改善組合結構連續(xù)梁負彎矩區(qū)受力性能的措施，指出了裝配式波形鋼腹板工字型組合梁在實際應用中的優(yōu)勢。其結構主要特點有：

1)波形腹板結構體系，避免了縱橫向加勁肋，增強結構抗屈曲能力；

2)支座外拼接施工避免了裝配式連續(xù)梁的體系轉換過程；

3)中支點加寬上翼緣改善墩頂負彎矩區(qū)受力；

4)預制裝配式施工，標準化作業(yè)提升效率，施工質量可靠。

裝配式波形鋼腹板工字型組合梁是一種簡潔、施工高效的橋梁結構形式，可以廣泛應用于公路、市政橋梁建設。

[1] 吳 沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京:人民交通出版社，2006:117-163.

[2] 邵長宇.梁式組合結構梁橋[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015:12-13.

[3] 聶建國，陶慕軒，吳麗麗，等.鋼—混凝土組合結構橋梁研究新進展[J].土木工程學報，2012(6):110-122.

[4] 聶建國，朱 力，唐 亮.波形鋼腹板的抗剪強度[J].土木工程學報，2013(6):97-109.

[5] 朱 力，蔡建軍，聶建國.波形鋼腹板的彈性剪切屈曲強度[J].工程力學,2013,30(7):40-46.

[6] 張宏杰，唐明敏，萬 水.波形鋼腹板混凝土工字梁剪切變形研究[J].中外公路，2012,32(6):149-152.

[7] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[8] JTG D64—2015，公路鋼結構橋梁設計規(guī)范[S].

[9] 劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社，2005:94-100.

[10] 雷 政，陳華利，趙 森.波形鋼腹板組合梁橋的SCC懸臂施工法[J].山西建筑，2016,42(14):147-148.

Trial design of assembled composite beams with corrugated steel webs

Zhao Sen Lei Zheng Ma Chunxiang

(HenanDajianBridgeSteelStructureCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Combining with the engineering examples, a new type of corrugated steel web girder structure is proposed. The analysis of structure shows that the assembly corrugated steel webs Ⅰ-shaped composite structure has good mechanical properties. The paper discussed the measures of improving the force performance of concrete bridge deck of composite structure at the top of pier negative moment area, and briefly introduced the construction process of assembly corrugated steel webs Ⅰ-shaped girder, points out the advantage of applying the assenbe corrugated steel web Ⅰ-shaped combined beam in practice.

corrugated steel web, assembly, composite girder

1009-6825(2017)21-0138-04

2017-05-22

趙 森(1989- )，男，助理工程師； 雷 政(1988- )，男，工程師; 馬春祥(1989- )，男，助理工程師

U448.216

A