裝配式鋼-混疊合箱梁設(shè)計要點分析

李曉龍，張敦寶

（1.山東高速科技發(fā)展集團有限公司，山東 濟南 250002；2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

21世紀以來，城鎮(zhèn)化進程迅速，傳統(tǒng)的高架橋設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足新時期各種新生條件，鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)不僅極大地減少了現(xiàn)場施工難度，縮短施工工期，并且能夠滿足質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、高效等的施工要求，是適應(yīng)時代發(fā)展的一種組合橋梁結(jié)構(gòu)形式。鋼-混疊合箱梁能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土剛度、強度優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)重量相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極大減少，耐久性得到提升[1-2]。

1 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工程概況

某市擬建以主線為四車道公路標(biāo)準的特大高架橋一座，擬建橋梁全長4.8 km。為了避免工期過長對城市交通造成過大的影響，高架橋主線全線采用裝配式吊裝結(jié)構(gòu)，其中跨越被交道路，中小跨徑橋梁采用鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)。本文針對鋼-混疊合梁設(shè)計相關(guān)理論進行分析。

1.2 斷面形式選擇

當(dāng)前常見的鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)形式主要有Ⅰ形、∏形、箱形、倒梯形、三角形等，鋼梁部分主要的形式有鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁架等[3]。因為鋼-混疊合梁跨徑較大，橋梁橫斷面較寬[4]，因此疊合梁鋼主梁部分采用多主梁形式，這種結(jié)構(gòu)形式方便運輸及施工吊裝。經(jīng)過綜合對比，鋼-混疊合梁采用簡支結(jié)構(gòu)，箱梁采用開口截面形式。此種鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)外形與高架橋其他上部小箱梁結(jié)構(gòu)相一致，景觀上比較相適應(yīng)[5]。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及主要技術(shù)特點

鋼-混疊合梁鋼結(jié)構(gòu)部分采用Q345qD級鋼材，彈性模量為 2.06×105MPa，泊松比為 0.3，膨脹系數(shù)為 1.2×10-5，鋼材容重 78.5 kN/m3。采用C50混凝土，彈性模量為 3.45×104MPa，泊松比為0.2，膨脹系數(shù)為1.0×10-5。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用s15.2，fpk=1 860 MPa，EP=1.95×105MPa，梁段采用工廠制作，現(xiàn)場拼接。

鋼-混疊合梁受力階段為一階段，施工階段在L/3和2L/3處設(shè)置臨時支撐，并且需要具備以下條件：

（1）結(jié)構(gòu)形式主要以多主梁形式為主，預(yù)制箱梁自重輕，運輸安裝比較方便，對交通、環(huán)境影響較小。

（2）主梁采用開口截面形式，整體結(jié)構(gòu)剛度比較大，受力性能比較好，梁高相對于工字形梁減少，有利于降低建筑物高度，節(jié)省成本，結(jié)構(gòu)比較輕盈，降低材料使用量，有利于把控總體橋梁設(shè)計的控制。

（3）橋面板由橋梁預(yù)制廠分塊預(yù)制，質(zhì)量得到有效保證，并進行預(yù)拼裝，確認無誤方可運至現(xiàn)場安裝，減少了現(xiàn)場施工工作量，減少了現(xiàn)場施工對周邊環(huán)境的影響。

（4）結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)實際受力特點以及便于預(yù)制廠施工及運輸?shù)暮侠硇问剑M一步提升橋梁上部結(jié)構(gòu)裝配施工效率，充分體現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、高效的施工理念。

2 橋梁上部結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 計算方法與基本假定

鋼-混疊合梁在開裂前，沿截面高度的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律基本上符合平面假定。鋼-混疊合梁在開裂前，應(yīng)力、應(yīng)變場的計算繼續(xù)沿用彈性理論，采用截面換算，引入兩種材料的彈性模量比的概念。針對混凝土梁部分產(chǎn)生的收縮和徐變及其產(chǎn)生的應(yīng)力，近似換算成彈性模量進行計算。本文對計算上部結(jié)構(gòu)受力采用的是平面桿系程序計算截面內(nèi)力，應(yīng)力計算過程中采用換算彈性模量計算截面特性。

在混凝土與鋼梁連接牢固的前提之下，截面彎曲時的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律符合平面假定條件，材料受力符合胡克定律，建立簡化模型。

（1）根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015），計算截面在受短期荷載作用下建立鋼材與混凝土的彈性模量比n0、換算面積Fi、換算慣性矩Ii，換算公式如下：

（2）根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》，對組合梁進行整體受力分析，分析過程中考慮混凝土收縮徐變的影響，建立鋼材與混凝土長期結(jié)合受力作用下的有效彈模比計算公式：

式中：φ（t，t0）表示混凝土的加載齡期為t0時，計算齡期為t時的混凝土徐變系數(shù)。系數(shù)按照現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）中的相關(guān)規(guī)定取值，其中ΨL為根據(jù)所受荷載類型取的徐變因子，永久作用取值1.1，混凝土的收縮作用取值0.55，由于外界強制力引起的作用取值1.5。

（3）對于組合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的附加應(yīng)力依據(jù)《高等橋梁結(jié)構(gòu)理論》進行分析計算。

2.2 主要計算結(jié)果及分析

利用MIDAS建立55 m簡支鋼-混疊合梁模型進行分析，模型如圖1所示。通過鋼-混疊合梁鋼主梁之間設(shè)置橫向連系梁，連系梁高1 000 mm，55 m一跨共設(shè)置10道橫向連系梁。鋼箱梁內(nèi)沿橋縱向每3 m設(shè)置一道橫隔板。

圖1 全橋模型

通過分析計算得到的計算結(jié)論，可以得到組合結(jié)構(gòu)主梁在承載力、剛度、鋼梁穩(wěn)定性方面均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，橋面板承載力、裂縫也能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，從結(jié)論中可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各個方面受力性能良好。由于篇幅原因，本文對各種荷載工況進行最不利組合后進行橋梁承載能力極限狀態(tài)計算，只將主梁跨中截面應(yīng)力計算結(jié)果列入表1中。

表1 主梁跨中截面應(yīng)力計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，鋼-混疊合梁受力性能較好，結(jié)構(gòu)受力也較安全，但從結(jié)果中也能發(fā)現(xiàn)存在的一些問題：

（1）鋼-混疊合梁中，混凝土材料的收縮、徐變對疊合梁的整體穩(wěn)定性影響不能忽視，特別是混凝土的收縮性能對整個橋梁結(jié)構(gòu)不均勻變形影響較大，能夠產(chǎn)生較大的附加變形，必須采用相應(yīng)的措施進行處理。

（2）橋面板與鋼梁通過剪力釘結(jié)合成整體，在計算收縮徐變引起的附加效應(yīng)時忽略了滑移效應(yīng)對組合結(jié)構(gòu)整體的影響，對于構(gòu)件長期變形需要進一步分析。

（3）橋面的防水處理及結(jié)構(gòu)防水、防腐處理是今后鋼-混疊合梁養(yǎng)護的關(guān)鍵，設(shè)計部門應(yīng)該充分重視防水層與防腐層的涂裝設(shè)計。

（4）設(shè)計中應(yīng)重視鋼-混疊合梁階段劃分及拼裝設(shè)計，及時與鋼-混疊合梁廠家溝通聯(lián)系，便于生產(chǎn)與施工。

3 結(jié)語

鋼-混疊合梁在實際工程應(yīng)用中能夠?qū)煞N材料的特性充分發(fā)揮出來，通過剪力鍵將鋼-混疊合梁與混凝土橋面板連接起來，共同受力，實現(xiàn)變形協(xié)調(diào)，充分利用了鋼材的抗拉性和混凝土的抗壓性，顯著提高了鋼-混疊合梁整體的剛度和穩(wěn)定性。此外，鋼-混疊合梁具有結(jié)構(gòu)輕盈、跨越性大、承載能力強、抗震效果好、施工快速簡潔、結(jié)構(gòu)安全可靠等優(yōu)點，逐漸成為現(xiàn)代化城市高架橋建設(shè)的首選結(jié)構(gòu)，其發(fā)展前景廣闊。