中小跨徑橋梁結構形式研究

屈豐來

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

預制裝配化鋼結構橋梁是以預制構件為主，經裝配、連接而成的鋼結構橋梁。隨著遼寧省工業化水平的提高，裝配式組合結構體系逐步得到重視，開展裝配式組合梁橋的應用，可完善新型組合結構體系，對提高遼寧省橋梁工業化水平具有重要的實用價值[1]。主要特點：預制裝配化鋼結構橋梁的構件利用工廠化制作和預制裝配技術，保證構件質量，提高橋梁建設速度，減小施工過程對交通的干擾和環境的不利影響，減小交通封堵帶來的經濟損失[2-3]。

目前中小跨徑橋梁(16m、20m跨徑)常用結構形式為空心板，空心板具有結構形式簡單、建筑高度低、用材經濟等優點，成為以前國內公路橋梁20m以下跨徑橋梁的首選橋型。但受施工、自然侵蝕及運營環境等因素的影響，建成后的空心板梁橋，隨著服役時間的延長，逐漸出現材料劣化、裂縫、鉸縫損傷等病害，尤其鉸縫是易損部位，在東北地區冬季常使用除冰鹽，從而大大加劇鉸縫的破壞進程，因此降低了空心板梁橋鉸縫結構耐用性，這些病害的不斷累積和發展，嚴重降低橋梁的承載性能并危及行車安全[4-5]。

針對空心板橋的缺點，研究鋼混組合梁替代空心板，鋼混組合梁具有耐久性好、預制方便、易于標準化生產和施工、便于運輸、吊裝、綜合造價較優等特點。

1 結構形式

1.1 熱軋組合H型鋼

采用Q345D熱軋帶突起翼緣板與Q345DNH鋼板腹板焊接而成的H型鋼(簡稱熱軋組合H型鋼)，熱軋組合H型鋼優點如下：

(1)頂、底板厚度和寬度及腹板厚度和高度可根據受力情況進行調整。

(2)由于頂底板與腹板連接部位存在凸起，減弱了頂、底板殘余變形和殘余應力。

(3)由于頂底板軋制而成，降低了由切割導致的浪費。

(4)對舊橋改造工程，梁高與原設計保持一致，從而不需調整路線縱斷。

缺點如下:

(1)凸起部位的尺寸沒有相關規范及依據。

(2)生產熱軋帶突起翼緣板的廠家很少。

1.2 鋼板梁

鋼板梁是通過Q345D鋼板焊接而成，鋼板梁同樣具有頂、底板厚度和寬度及腹板厚度和高度可根據受力狀況進行調整等優點，同時缺點也很突出，列舉如下：

(1)頂底板和腹板通過雙面角焊縫焊接，在頂底板存在較大的熱影響區域，使鋼板梁存在較大的殘余變形及殘余應力，焊后需經過復雜的校正工藝消除殘余變形，這些將導致鋼梁產生附加應力，校正增加加工費用。

(2)角焊縫焊接影響結構抗疲勞性能。

(3)由于板材的尺寸限制，縱橋向需要全截面對接焊，大大降低了抗疲勞性能。

(4)頂底板由較大標準尺寸鋼板切割而成，大大增加了由切割導致邊角料的浪費，同時切割處理增加制造費用。

1.3 熱軋H型鋼

熱軋H型鋼由于全截面無焊接從而抗疲勞性較好，但存在較多缺點如下：

(1)熱軋H型鋼國標型號固定，局部材料在受力方面不能充分利用，導致單位平米用鋼量較高。

(2)通過調研生產梁高大于708mm的熱軋H型鋼廠家極少，訂貨極其困難。

(3)同等跨徑的橋梁，滿足設計要求的前提下，熱軋H型鋼的梁數較多，并且建筑高度較高。

2 結構尺寸

16m跨徑的簡支橋梁，荷載等級為公路-Ⅰ級，經初步計算鋼梁尺寸如下：

2.1 組合H型鋼方案

組合H型鋼方案采用Q345D熱軋組合H型鋼，頂板厚18mm，底板厚28mm，寬均為400mm，凸起高度均為45mm，腹板厚10mm，高為494mm，梁高為630(簡寫為630×400×10×28(18)),斷面見圖1。

圖1 組合H型鋼橫斷面

2.2 鋼板梁方案

鋼板梁方案采用Q345D鋼板梁鋼，型號為630×400×10×28(18)，梁高584mm，頂底板寬度為400mm，頂板厚度為18mm，底板厚度為28mm，腹板厚度為10mm，斷面見圖2。

圖2 鋼板梁橫斷面

2.3 熱軋H型鋼方案

熱軋H型鋼方案采用Q345D熱軋H型鋼708×302×15×28，其中梁高為708mm，頂底板寬度均為302mm，厚度均為28mm，腹板厚度為15mm，斷面見圖3。

圖3 熱軋H型鋼橫斷面

3 依托工程

以沈康四期K16+669.5處張家堡中橋作為依托工程，橋梁全長為55.4m，跨徑布置為3×16mm，交角為125°。橋面凈寬為11.45m，兩側各設0.5m鋼護欄。橋面凈寬11.45m；總寬度12.45m；荷載等級公路Ⅰ級；結構形式采用簡支鋼-混組合梁。端橫隔梁采用混凝土橫梁，見圖4，中橫梁采用槽鋼40a，與主梁通過螺栓連接，見圖5。

圖4 端橫隔梁斷面

圖5 中橫隔梁斷面

3.1 結構計算

鋼混凝土梁由多片鋼梁及橋面板組成，根據不同鋼梁結構形式，計算了橫向6片鋼梁的情況，梁間距均為2.25m，采用220m厚的鋼筋混凝土橋面板，其中橋面板與鋼梁采用施工階段聯合截面進行計算，中間無臨時支撐。主要荷載組合為：

(1)恒載+設計車道偏載+混凝土收縮徐變+整體升溫+溫度梯度。

(2)恒載+設計車道偏載+混凝土收縮徐變+整體降溫+溫度梯度。

模型見圖6。

圖6 鋼混組合梁計算有限元模型

在上述荷載組合情況下，分別對3種不同結構形式在最不利荷載組合作用下，上下翼緣板的應力進行計算，計算結果見表1。

由表1可知：在偏載作用下，組合梁的上下翼緣應力均小于270 MPa，活載撓度小于L/500(32mm)，均滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)要求限制，通過計算以上三種方案均滿足跨徑為16m簡支橋梁的設計要求。

通過以上結果可以看出三種方案下翼緣與上翼緣應力比值依次為：1.29,1.28,1.31。說明熱軋H型鋼的上翼緣板的富余度較大，頂板設計厚度偏于保守。

3.2 經濟指標分析

本項目主要從用鋼量及造價角度對熱軋H型鋼、鋼板梁及熱軋組合H型鋼方案進行對比，見表2。

根據上述對比，鋼梁每平米價格由低到高分別為鋼板梁、熱軋組合H型鋼和熱軋H型鋼。熱軋H型鋼每平米造價比鋼板梁及熱軋組合H型鋼分別高21%及18%。但鋼板梁和熱軋組合H型鋼如果考慮加勁肋的用鋼量及加工費用，與熱軋H型鋼費用基本相當。通過綜合考慮對鋼結構橋梁采用熱軋H型鋼，可有效地避免疲勞開裂等病害。

4 結論

以遼寧境內已建成的中小跨徑鋼-混組合橋為研究對象，分析了跨徑為16m的鋼結構橋梁，通過受力分析、造價及使用性能的綜合比較，建議選取熱軋H型鋼組合梁較為合理。這將為中小跨徑鋼-混組合橋梁的結構選型提供有意義的借鑒。