热轧H型钢组合梁在公路桥梁中的适用性研究

郭斌强，余茂峰，董佳霖，高庆飞

(1.浙江省交通规划设计研究院有限公司 杭州市 310000； 2.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院 哈尔滨市 150090)

自2016年7月交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》以来，钢混组合结构在我国公路桥梁建设中得到了越来越广泛的应用，尤其是钢板组合梁，由于其构成简洁明了、施工方便、经济性较好，推广应用速度较快[1-3]。

目前钢板组合梁的钢主梁通常由多块钢板焊接而成，焊缝质量由钢结构加工厂的加工能力决定，质量参差不齐，在我国超载情况严重的国情下，存在焊缝缺陷的钢板组合梁在使用过程容易在焊缝位置形成疲劳裂缝。同时，焊接不可避免会使钢板受热变形、产生残余应力，对钢结构的受力性能不利。另外，大量的焊接加工违背了绿色、环保、节能的理念。

自1998年马钢引进第一条万能型钢生产线以来，热轧H型钢凭借截面模数大、节材、容易焊接和栓接连接的特点，迅速应用到各个领域[4]，目前在桥梁行业中多用于临时结构或横向联系等次要受力构件，极少用作主梁等主要受力构件。

热轧H钢的截面形式与钢板组合梁的钢主梁基本一致，不需焊接即可作钢板组合梁的钢主梁用，且其成分均匀，无焊接组织与残余应力[5]。相较焊接成型的钢板组合梁，其力学性能优异，质量稳定，免去了大部分组立、焊接、矫直、打磨等二次加工的工作量后，其钢材单价较焊接成型低。研究热轧H型钢组合梁在公路桥梁中的适用性。

1 国内外热轧H型钢规格

一般认为高度超过900mm的热轧H型钢为重型热轧H型钢，目前我国的大部分H型钢产能均在生产700mm以下的中小型H型钢，仅有马钢、莱钢、津西、新泰、日照等少数几家钢铁厂生产700mm以上的大型H型钢，最大规格也不超过900mm。欧、美、日、韩等发达国家有大量900mm以上重型热轧H型钢的产能，最大规格已达到1100mm[6]。统计了部分国内外热轧H型钢生产厂家的产能，如表1所示。

表1 国内外部分热轧H型钢生产厂家现有产能简介

随着重型热轧H型钢需求的出现，国内多家钢厂正在布局重型热轧H型钢生产线，为热轧H型钢组合梁在公路桥梁中的使用提供了更多素材。多家H型钢厂家参与了重型热轧H型钢行业标准的编制，征求意见稿中规划了重型热轧H型钢的最大规格高度达到1172mm，翼缘板宽度422mm，翼缘板厚度达到72mm，腹板厚度42mm。

2 热轧H型钢及组合梁桥设计

以杭绍甬高速公路(G92N杭州湾地区环线并行线)杭州至绍兴段初步设计为工程背景，进行热轧H型钢组合梁桥设计。项目路线全长约52.7km，为双向六车道高速公路，桥梁宽度34m，左右幅各16.5m。

热轧H型钢尺寸相对较小，用于公路桥梁时为尽量提高跨越能力，应采用多主梁断面。结合16.5m桥幅宽度，采用单幅10主梁的断面形式，梁间距1.6m，具体梁片布置如图1所示。

图1 热轧H型钢组合梁标准断面

采用简支变连续结构体系，热轧H型钢的腹板高厚比均小于60，且腹板与翼缘板连接处均有圆弧倒角，改善了腹板稳定性能，因此不需要焊接腹板加劲肋。为进一步减少焊接工作量，跨中不设横梁，每个墩顶设一道横梁，全桥仅有支撑加劲肋与上翼缘剪力钉需进行焊接。混凝土桥面板与热轧H型钢在预制厂完成叠合，共同承受梁体自重。

3 计算分析

热轧H型钢组合梁结构与传统钢板组合梁的区别主要在跨中无横梁，仅靠混凝土桥面板进行横向联系，连接较弱，荷载的横向分配规律不明确。

采用ANSYS软件进行热轧H型钢组合梁计算分析，以3×35m跨径为例，混凝土桥面板厚35cm，采用Solid65单元模拟，H型钢梁梁高1172mm，翼缘宽度422mm，厚度72mm，腹板厚度42mm，采用Shell181单元模拟。有限元模型如图2所示。

图2 热轧H型钢组合梁有限元模型

计算自重、桥面铺装、护栏、车道荷载、收缩徐变、梯度升降温、整体升降温、支座沉降等荷载单项下的钢主梁von misses等效应力，荷载取值依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，并进行基本组合后验算承载能力，基本组合按1.1×(1.2×恒载+1.4×汽车荷载(考虑汽车冲击作用)+1.05×收缩徐变+1.05×梯度温度+1.05×整体温度+1.05×支座沉降)计。热轧H型钢主梁在承载能力组合下的应力状况如图3～图5所示。

图3 边跨跨中H型钢von misses应力(MPa)

图4 中跨跨中H型钢von misses应力(MPa)

图5 中墩墩顶钢梁von misses应力(MPa)

提取H型钢主梁关键点在荷载单项、荷载组合下的von misses等效应力，结果见表2。可以看到，最大应力点出现在墩顶下缘，其值为244.2MPa，小于72mm板厚Q345D钢材的规范限值250MPa，上翼缘由于有桥面板共同承受同向力，因此应力水平较低，跨中不超过100MPa，墩顶不超过140MPa，与下翼缘采用等宽等厚的设置浪费了材料用量。

表2 3×35m热轧H型钢组合梁关键点应力

4 热轧H型钢及组合梁桥适用性

对前述国内外热轧H型钢规格进行分类：高度在700mm以内的H型钢大部分厂家均有生产；900mm为我国目前最大生产规格；1100mm为国外目前最大生产规格；1172mm为我国规划重型热轧H型钢的最大规格。按梁高700mm、900mm、1100mm、1172mm四种规格分别用前述计算方法试算极限跨径并进行经济性分析。

4.1 极限跨径分析

按梁高700mm、900mm、1100mm、1172mm四种规格分别用前述计算方法和结构体系试算极限跨径，结果见表3。

表3 不同规格热轧H型钢组合梁的极限跨径

从表2可以看出，热轧H型钢组合梁的极限跨径约为型钢高度的22～30倍，其中我国规划生产的重型热轧H型钢翼缘厚度较厚，极限跨高比可达30，其余情况极限跨高比在22左右。

4.2 经济性分析

对于组合结构来说，最主要的经济性指标为单位桥面面积用钢量。四种极限跨径下的H型钢组合梁和以往项目常规钢板组合梁用钢量如表4所示。

表4 不同规格热轧H型钢组合梁的用钢量

常规钢板组合梁通常跨径为25m及以上，因此只列出了25m和35m跨径常规钢板组合梁桥的用钢量，H型钢组合梁的用钢量在25m跨径下为钢板组合梁的1.55倍，35m跨径下为钢板组合梁的2.53倍，而考虑防腐、检测、切割加工、预拱、运输、现场安装等费用后，热轧H型钢的每吨单价约为焊接成型钢板梁的90%，单价下降的比例比用钢量增加的比例要小，因此跨径大于25m时，热轧H型钢组合梁相较常规钢板组合梁在经济性上并没有优势。

(1)分析热轧H型钢组合梁用钢量不具优势的原因，主要包括以下2个方面：

①根据前述计算结果，上翼缘板应力不足下翼缘板应力的1/2，但受制于型钢生产线，热轧H型钢的截面形式固定，尤其是上、下翼缘板只能等宽等厚，导致上翼缘钢材不能完全发挥效用，浪费了部分钢材。

②由于生产线工艺的原因，热轧H型钢腹板厚度不能小于上下翼缘板厚度的1/2，但是热轧H型钢组合梁主要承受弯矩，尤其在多主梁体系时，腹板只需满足不小于梁高的60分之一即可。

以1172mm热轧H型钢为例，如将上翼缘厚度降至38mm，腹板厚度降至20mm，受力依旧可满足35m跨径需求，用钢量下降34.6%至325.6 kg/m2。

(2)虽然热轧H型钢的焊接工作量相较焊接成型钢板梁有所减少，但是由于桥梁的特殊构造需求，依旧需要二次进场加工，钢材单价并未大幅下降，加工费用主要包括以下3个方面：

①根据《热轧H型钢和剖分T型钢》(GB/T 11263)的规定，长度≤7m时，需保障60mm正误差，长度>7m时每增加1m，允许的正误差增加5mm；根据美标《结构用轧制棒材、钢板、型钢和钢板桩》(ASTM A6-2014)的要求，梁高大于0.7m的型钢，长度≤9.144m时，需保障±12.7mm的误差，长度>9.144m时每增加1.524m，允许的正误差增加1.5875mm；无论是国标还是美标，都无法满足桥梁对型钢长度的要求，因此加工厂需按更高的精度要求对H型钢进行切割加工。

②为了防止桥梁在使用期下挠过大影响线形，通常需要设置预拱度，且路线纵断面的竖曲线也需要在加工H型钢时进行考虑。

③多主梁的断面形式通常会设置较薄的桥面板，导致伸缩缝安装空间不足，需要将伸缩缝处的桥面板加厚，将热轧H型钢切割出变高的构造。

5 结论

基于杭绍甬高速杭州至绍兴段工程初步设计，调研了国内外热轧H型钢的生产情况，研究了热轧H型钢组合梁的适用性，得到以下结论：

(1)热轧H型钢避免了大量焊接工作量，避免了焊接缺陷，质量稳定可控，对桥梁受力性能、耐久性均有较大好处，可有效提高我国组合结构桥梁品质。

(2)高度在700mm以内的热轧H型钢大部分厂家均有生产，其极限跨径为16m；900mm为我国目前最大生产规格，其极限跨径为20m；1100mm为国外目前最大生产规格，其极限跨径为25m；1172mm为我国规划重型热轧H型钢的最大规格，其极限跨径为35m。热轧H型钢组合梁在受力上可以满足我国公路桥梁的使用要求。

(3)由于生产线工艺的原因，热轧H型钢的断面形式固定，上下翼缘板须等宽等厚，腹板厚度不小于翼缘板厚度的1/2等，与桥梁受力特性不一致，导致用作热轧H型钢组合梁时浪费了部分钢材，用钢量较焊接成型钢板梁大。

(4)热轧H型钢的误差标准与桥梁工程要求不统一，预拱度和伸缩缝的构造设置无法在生产线上完成，不可避免地需要二次进场加工，因此其钢材单价较焊接成型钢板梁仅降低了10%左右。

综上，如通过研发上、下翼缘板和腹板厚度可调节的热轧H型钢断面改善了经济性，热轧H型钢组合梁以其优异的力学性能和质量稳定性，在公路桥梁中的应用前景将非常广阔。