基于免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋適用性研究

胡少宏， 周小伍， 汪志甜

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2．安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

免涂裝高性能耐候鋼具有免涂裝、強度高、耐久性好等優點,在國外已廣泛運用于橋梁建設中[1],但在國內的橋梁建設運用較少,尤其是運用到國內的鋼板組合梁橋則更少[2]。因此有必要開展免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋方面的研究。

王春生等[3]總結了國內外高性能耐候鋼橋新的研究進展及其工程應用。鄭凱鋒等[4]闡述了國內外耐候鋼在橋梁工程應用的研究新進展、成果及應用前景。劉玉擎等[5]總結了耐候鋼在橋梁中的應用現狀,提出了耐候鋼橋的設計要點[5]。

針對國內外對于免涂裝高性能耐候鋼在鋼板組合梁橋中研究較少的情況,為掌握免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋適用性能,本文設計免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋,建立了有限元計算模型,獲得了耐候鋼橋在恒載和汽車荷載作用下的最大彎矩應力和最大豎向位移,并進行了鋼板梁豎向加勁肋構造驗算。

1 免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋設計

本文設計免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁橋為連續梁橋,其跨徑為(25+2×35+25)m。

1.1 主梁設計

主梁采用免涂裝高性能耐候鋼,根據橋面寬度的不同,橫向截面就采用不同的免涂裝高性能耐候鋼的主梁根數。本文設計的橋梁寬度為8.5 m,因此采用雙主梁鋼板組合梁。

鋼主梁采用變厚度免涂裝高性能耐候鋼工字形直腹板鋼梁,混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。

鋼縱梁上翼緣寬度600 mm,板厚為20～60 mm;下翼緣寬度800 mm(中支點位置加寬至1 000 mm),板厚為26～60 mm;腹板厚由支點處20 mm漸變至14 mm。主梁上下翼緣板及腹板均采用變厚免涂裝耐候鋼軋制鋼板(LP鋼板),如圖1所示。

圖1 橋寬8.5 m主梁橫斷面圖(單位：mm)

腹板設置橫向加勁肋,加勁肋寬度150 mm,厚度12 mm。

主梁之間采用橫梁加強橫向聯系,中支點設置中橫梁[6],端支點設置端橫梁。跨間設置小橫梁。鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接。

1.2 橋面板設計

橋面板采用鋼筋混凝土結構,跨中板厚24 cm,在與鋼梁支撐結合處加厚到35 cm,由預制混凝土板、橫向濕接縫和剪力釘群預留孔三部分構成。

8.5 m橋面板單塊預制板橫橋向為一塊整板,預制板橫向寬度為8.5 m,縱橋向長度為2.65 m,預留有4個50 cm×58 cm的剪力釘群孔,縱向濕接縫寬度為0.35 m。

2 免涂裝耐候鋼的鋼板組合梁有限元模型

常規桿系程序無法精確模擬,故采用空間梁格建立有限元模型[7]。本文根據本橋特點,利用有限元分析軟件MIDAS Civil建立了免涂裝耐候鋼橋有限元計算模型,全橋共656個單元,483個節點。有限元模型如圖2所示。

圖2 跨徑(25+2×35+25) m耐候鋼組合梁橋有限元模型

3 免涂裝耐候鋼橋所處環境分析

本文設計免涂裝耐候鋼橋處于蕪合高速巢湖段,屬于北亞熱帶濕潤季風氣候區,四季分明,溫暖潤濕,春夏季以東南風為主,秋冬季以東北風為主,多年平均風速約為4.1 m/s。降水主要集中于6～8月份,約占年降水量的65%。該地區梅雨天氣明顯,歷年平均梅雨期長達24 d。全年相對濕度大部分時間在60%以下,氯化物和硫化物水平較低,且橋位處沒有水系。按照日本及美國相關規定,本工程環境符合免涂裝耐候鋼橋適用條件[8]。

4 計算結果

4.1 不考慮厚度折減的耐候鋼橋主要計算結果

在恒載和汽車荷載基本組合作用下,鋼主梁最大彎矩應力為211.7 MPa, 發生在中間支座處,如圖3所示，小于耐候鋼強度設計值275 MPa;鋼主梁最大豎向位移39.75 mm,發生在跨中位置,如圖4所示，小于規范要求L/500=70 mm。

圖3 鋼主梁彎矩應力圖

圖4 鋼主梁豎向位移圖

4.2 考慮厚度折減的耐候鋼橋主要計算結果

為驗證本文設計的免涂裝耐候鋼板組合梁橋全壽命周期的可靠性,偏保守考慮,按照英國對于腐蝕容許腐蝕厚度計算方法,在本工程環境類別取鋼梁每個暴露面銹層厚度1.5 mm。

耐候鋼在銹蝕后,其表面形成一層致密的保護銹層[9]。每個暴露銹層厚度為1.5 mm。考慮到銹層不能承受荷載,因此,在設計中要對耐候鋼主梁厚度進行折減。荷載基本組合作用下,考慮耐候鋼銹蝕折減后鋼主梁最大彎矩應力為217.1 MPa, 發生在中間支座處,如圖5所示，小于耐候鋼強度設計值275 MPa;鋼主梁最大豎向位移41.29 mm,發生在跨中位置,如圖6所示，小于規范要求L/500=70 mm。

圖5 考慮耐候鋼銹蝕折減后的鋼主梁彎矩應力圖

圖6 考慮耐候鋼銹蝕折減后的鋼主梁豎向位移圖

考慮與不考慮厚度折減耐候鋼厚度的對比結果表明:相比不考慮折減,折減后的主梁上緣最大應力和下緣最大應力明顯增大,增加率分別為2.5%和3.7%。厚度折減后的跨中最大撓度亦明顯增大,比不考慮厚度折減增加3.9%，詳見表1。

表1 考慮與不考慮厚度折減的耐候鋼橋計算結果對比

4.3 縱梁腹板構造驗算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》(GB 50917-2013)[10]第6.4.2條驗算局部穩定:

對于設置豎向加勁肋,但是不設縱向水平加勁肋,應滿足:

5 結 論

(1)不考慮厚度折減時,耐候鋼橋的鋼主梁最大彎矩應力為211.7 MPa,鋼主梁最大豎向位移39.75 mm。

(2)考慮厚度折減時,鋼主梁最大彎矩應力為217.1 MPa,鋼主梁最大豎向位移41.29 mm。折減后的主梁上緣最大應力和下緣最大應力明顯增大,增加率分別為2.5%和3.7%。折減后的跨中最大撓度亦明顯增大,比不考慮折減增加3.9%。

(3)本文設計的免涂裝耐候鋼橋符合工程環境的適用條件。計算結果表明:按照偏保守的耐候鋼腐蝕富裕量設計方法,考慮銹層折減后,在全壽命周期100年內,免涂裝耐候鋼橋結構強度、剛度以及構造驗算均滿足規范要求,因此免涂裝耐候鋼橋在工程中具有安全、可靠的性能。