基于高性能等厚鋼的窄鋼箱組合梁橋技術研究

汪志甜， 楊大海

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

1.1 高性能鋼的綜合性能

高性能鋼是一種綜合優化了材料力學性能,便于加工制造,可用于低溫和腐蝕環境,同時具備較高性價比的橋梁結構用鋼。它不僅保持了較高的強度,而且在材料的抗腐蝕和耐候性能,可焊性和抗脆斷性能等方面都比傳統的鋼材有明顯的提高和改善。高性能鋼以優化的、均衡的各種性質在橋梁結構中展現最佳性能，同時保持經濟的成本。圖1表明Q500qE鋼在高屈服強度和抗拉強度的同時，還具有良好的塑性。

圖1 345qD鋼與不同屈服強度Q500qE鋼標準試件拉伸應力-應變曲線

高強鋼的應用不僅減小了鋼板的厚度進而減輕結構自重，同時也減小了焊縫的尺寸從而減少焊接工作量、提高焊縫質量。因此，在一定程度上縮短了施工工期，同時延長了橋梁的使用壽命[2]。高性能鋼橋充分發揮了高性能鋼的優越性,給社會帶來顯著的效益。

1.2 高性能鋼國內外應用情況

近十多年來,高性能鋼在橋梁工程中的應用越來越廣, 取得了良好的效果。

(1)美國。美國是較早適應高性能鋼國家之一，自20世紀90年代以來,由美國鋼鐵學會、美國聯邦公路管理署、美國海軍和米塔爾美國公司聯合立項研究高性能鋼,先后開發了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列鋼種。應用實踐表明,與傳統的橋梁用鋼相比,使用HPS系列高性能鋼可以達到橋梁制造成本降低約18%、重量減輕約28%的效果。高性能鋼的應用在美國呈現逐年增加的態勢,在美國的42個州已有數百座橋梁采用了高性能鋼[3]。

(2)日本。日本相繼開發了BHS500及BHS700系列高性能橋梁用鋼, 實踐證明，對于懸索橋和斜拉橋,減少橋梁結構的自重能顯著減少，屈服強度為700 MPa的高性能橋梁用鋼對于這類橋梁的減重非常有效。考慮到梁式橋占橋梁類型的大多數,500 MPa已成為日本高性能橋梁用鋼最基本的強度值。日本東京灣海岸高速公路使用了16 000 t BHS高性能鋼,使橋梁減重3%并可使建設總成本減少12%。

(3)歐洲。在歐洲, 但大跨度橋梁(跨度超過150 m)采用鋼結構已成為主導,例如,連接哥本哈根(丹麥)與馬而默(瑞典)的厄勒海峽大橋,是一座總長16 km的斜拉橋,其鋼結構的總重為80 000 t,所用鋼種為S355M、S420M、S460ML,其中S460ML總重超過了25 000 t[4]。

(4)中國。我國鋼橋的比例仍很低。截至2015年底，全國公路橋梁75.7萬座中，鋼結構橋梁不足1%；而美國鋼結構橋梁占35%，日本鋼結構橋梁占41%。

在重要通道的特大型橋梁中，高性能鋼可在幾類關鍵構件中得到充分應用，這不僅關系到工程費用的節省與否，甚至關系到工程的成敗。

表1 我國高性能鋼橋應用情況

2 基于高性能等厚鋼的窄鋼箱組合梁橋設計方案

G42S上海至武漢高速公路無為至岳西段(岳武東延段)永安河特大橋全長1.14 km，上部結構采用55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁和35 m跨徑鋼板組合梁，其中55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁共計6座。

(1)標準橫斷面。如圖2所示,橋梁寬度為12.74 m，橫向布置為0.49 m護欄+11.75 m行車道+0.5 m護欄，橫向布置2個箱梁，鋼箱梁寬2 m，鋼箱梁中心線高2.75 m，中心距6.75 m，預制橋面板厚22～40 cm。

圖2 橋寬12.74 m窄鋼箱橫斷面圖(單位：mm)

(2)鋼箱梁。全橋54.9 m鋼箱梁分成5個制作段(11.5+10+11.9+10+11.5) m即(Ⅲ+Ⅱ+Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)。其中Ⅰ梁段主要采用Q500qD鋼，Ⅱ梁段主要采用Q460qD鋼，Ⅲ梁段主要采用Q345qD鋼；頂板采用22 mm等厚板，底板采用26 mm等厚板，腹板厚12～14 mm；混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。鋼箱梁內設置25b號工字鋼橫撐，縱向間距，如圖3所示。腹板設置橫向加勁肋，加勁肋寬度200 mm，厚度14 mm，縱向間距，如圖3所示。 Ⅲ梁段腹板設置一道縱向加勁肋，Ⅰ、Ⅱ梁段腹板設置兩道縱向加勁肋。主梁之間采用橫梁加強橫向聯系，端支點設置端橫梁，鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接,如圖4所示。

圖3 鋼箱梁一般構造立面圖(單位：mm)

圖4 端支點橫梁和一般橫梁布置圖(單位：mm)

《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)要求焊接接頭的低溫沖擊功不應低于母材標準，但《橋梁用結構鋼》(GB/T 714-2015)已將Q345qD、Q460qD及Q500qD鋼材沖擊功提高至120 J，而當前技術條件下焊接接頭低溫沖擊功無法滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》。本橋結構受力特點，綜合考慮焊縫強度、疲勞等問題，同時借鑒國內外高強鋼橋設計經驗，對鋼板焊接接頭力學性能提出以下要求：

表2 鋼板焊接接頭的力學性能

3 結構安全性

采用MIDAS CIVIL2017有限元軟件建立有限元模型，如圖5所示，利用“梁格法”并采用三維梁單元分別模擬橋面板、鋼箱梁，二者連接關系通過剛性連接，這種模擬方式較“施工階段聯合截面”對于模擬橋面板收縮徐變對結構的作用更加精確，同時能夠提高建模效率。

圖5 全橋有限元模型

參照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，計算中考慮結構自重、二期恒載、汽車活載、溫度作用以及支座沉降。主要計算結論見表3。

表3 主要驗算結果

計算結果表明，該結構安全合理，鋼梁Ⅰ梁段最大應力364.3 MPa，材料利用率95%，結構安全經濟。

4 施工便利性

基于高強等厚鋼的55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁頂、底板采用等厚鋼板，較常規鋼橋梁，焊接更為方便，焊接質量更有保障。該結構采用高強鋼結構自重輕(鋼箱梁全橋重168t)，運輸吊裝便利。根據現場不同情況可采用汽車整孔吊裝或架橋機架設施工，橋面板后澆濕接縫采用C55抗裂超早強無收縮混凝土，能夠確保橋面板和鋼梁快速結合，縮短架梁工期。綜上分析，該類結構較常規鋼橋、鋼混組合橋梁施工更為便利、快速。

5 經濟性

G42S上海至武漢高速公路無為至岳西段(岳武東延段)永安河特大橋55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁橋在設計過程中對不同方案橋型進行了造價對比，其結果見表4、表5。

表4 方案一上部結構造價分析表

表5 方案二上部結構造價分析表

由表4和表5分析表明：方案一每平方米造價5 004.5元，方案二每平方米造價5 680.9元，合理采用高性能鋼后，結構每平方米造價節省12%。

5 結 論

G42S上海至武漢高速公路無為至岳西段(岳武東延段)55 m跨徑簡支窄鋼箱組合梁分區段合理采用了等厚度Q345qD、Q460qD及Q500qD鋼板，通過對材料性能、結構安全、施工便利性以及經濟性等全方位考慮，其是一種經濟、合理的橋梁結構形式， 總結本新型結構的特點主要體現在以下幾方面：

(1)窄鋼箱組合梁具有抗扭能力強、整體性好、適合曲線線路以及更能適應大跨與特殊要求等優點。

(2)基于高性能等厚鋼窄鋼箱組合梁橋結構安全，施工便利，設計精確，材料指標控制得當，經濟性優良，是一種可以大規模推廣的新型橋梁結構。

(3)基于高性能等厚鋼窄鋼箱組合梁符合工業化建造理念，真正讓裝配化、模塊化、工廠化、標準化的設計思想和理念充分實現。