基于免涂装耐候钢的钢板组合梁桥适用性研究

胡少宏， 周小伍， 汪志甜

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2．安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

免涂装高性能耐候钢具有免涂装、强度高、耐久性好等优点,在国外已广泛运用于桥梁建设中[1],但在国内的桥梁建设运用较少,尤其是运用到国内的钢板组合梁桥则更少[2]。因此有必要开展免涂装耐候钢的钢板组合梁桥方面的研究。

王春生等[3]总结了国内外高性能耐候钢桥新的研究进展及其工程应用。郑凯锋等[4]阐述了国内外耐候钢在桥梁工程应用的研究新进展、成果及应用前景。刘玉擎等[5]总结了耐候钢在桥梁中的应用现状,提出了耐候钢桥的设计要点[5]。

针对国内外对于免涂装高性能耐候钢在钢板组合梁桥中研究较少的情况,为掌握免涂装耐候钢的钢板组合梁桥适用性能,本文设计免涂装耐候钢的钢板组合梁桥,建立了有限元计算模型,获得了耐候钢桥在恒载和汽车荷载作用下的最大弯矩应力和最大竖向位移,并进行了钢板梁竖向加劲肋构造验算。

1 免涂装耐候钢的钢板组合梁桥设计

本文设计免涂装耐候钢的钢板组合梁桥为连续梁桥,其跨径为(25+2×35+25)m。

1.1 主梁设计

主梁采用免涂装高性能耐候钢,根据桥面宽度的不同,横向截面就采用不同的免涂装高性能耐候钢的主梁根数。本文设计的桥梁宽度为8.5 m,因此采用双主梁钢板组合梁。

钢主梁采用变厚度免涂装高性能耐候钢工字形直腹板钢梁,混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。

钢纵梁上翼缘宽度600 mm,板厚为20～60 mm;下翼缘宽度800 mm(中支点位置加宽至1 000 mm),板厚为26～60 mm;腹板厚由支点处20 mm渐变至14 mm。主梁上下翼缘板及腹板均采用变厚免涂装耐候钢轧制钢板(LP钢板),如图1所示。

图1 桥宽8.5 m主梁横断面图(单位：mm)

腹板设置横向加劲肋,加劲肋宽度150 mm,厚度12 mm。

主梁之间采用横梁加强横向联系,中支点设置中横梁[6],端支点设置端横梁。跨间设置小横梁。钢主梁与横梁之间采用焊接连接。

1.2 桥面板设计

桥面板采用钢筋混凝土结构,跨中板厚24 cm,在与钢梁支撑结合处加厚到35 cm,由预制混凝土板、横向湿接缝和剪力钉群预留孔三部分构成。

8.5 m桥面板单块预制板横桥向为一块整板,预制板横向宽度为8.5 m,纵桥向长度为2.65 m,预留有4个50 cm×58 cm的剪力钉群孔,纵向湿接缝宽度为0.35 m。

2 免涂装耐候钢的钢板组合梁有限元模型

常规杆系程序无法精确模拟,故采用空间梁格建立有限元模型[7]。本文根据本桥特点,利用有限元分析软件MIDAS Civil建立了免涂装耐候钢桥有限元计算模型,全桥共656个单元,483个节点。有限元模型如图2所示。

图2 跨径(25+2×35+25) m耐候钢组合梁桥有限元模型

3 免涂装耐候钢桥所处环境分析

本文设计免涂装耐候钢桥处于芜合高速巢湖段,属于北亚热带湿润季风气候区,四季分明,温暖润湿,春夏季以东南风为主,秋冬季以东北风为主,多年平均风速约为4.1 m/s。降水主要集中于6～8月份,约占年降水量的65%。该地区梅雨天气明显,历年平均梅雨期长达24 d。全年相对湿度大部分时间在60%以下,氯化物和硫化物水平较低,且桥位处没有水系。按照日本及美国相关规定,本工程环境符合免涂装耐候钢桥适用条件[8]。

4 计算结果

4.1 不考虑厚度折减的耐候钢桥主要计算结果

在恒载和汽车荷载基本组合作用下,钢主梁最大弯矩应力为211.7 MPa, 发生在中间支座处,如图3所示，小于耐候钢强度设计值275 MPa;钢主梁最大竖向位移39.75 mm,发生在跨中位置,如图4所示，小于规范要求L/500=70 mm。

图3 钢主梁弯矩应力图

图4 钢主梁竖向位移图

4.2 考虑厚度折减的耐候钢桥主要计算结果

为验证本文设计的免涂装耐候钢板组合梁桥全寿命周期的可靠性,偏保守考虑,按照英国对于腐蚀容许腐蚀厚度计算方法,在本工程环境类别取钢梁每个暴露面锈层厚度1.5 mm。

耐候钢在锈蚀后,其表面形成一层致密的保护锈层[9]。每个暴露锈层厚度为1.5 mm。考虑到锈层不能承受荷载,因此,在设计中要对耐候钢主梁厚度进行折减。荷载基本组合作用下,考虑耐候钢锈蚀折减后钢主梁最大弯矩应力为217.1 MPa, 发生在中间支座处,如图5所示，小于耐候钢强度设计值275 MPa;钢主梁最大竖向位移41.29 mm,发生在跨中位置,如图6所示，小于规范要求L/500=70 mm。

图5 考虑耐候钢锈蚀折减后的钢主梁弯矩应力图

图6 考虑耐候钢锈蚀折减后的钢主梁竖向位移图

考虑与不考虑厚度折减耐候钢厚度的对比结果表明:相比不考虑折减,折减后的主梁上缘最大应力和下缘最大应力明显增大,增加率分别为2.5%和3.7%。厚度折减后的跨中最大挠度亦明显增大,比不考虑厚度折减增加3.9%，详见表1。

表1 考虑与不考虑厚度折减的耐候钢桥计算结果对比

4.3 纵梁腹板构造验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013)[10]第6.4.2条验算局部稳定:

对于设置竖向加劲肋,但是不设纵向水平加劲肋,应满足:

5 结 论

(1)不考虑厚度折减时,耐候钢桥的钢主梁最大弯矩应力为211.7 MPa,钢主梁最大竖向位移39.75 mm。

(2)考虑厚度折减时,钢主梁最大弯矩应力为217.1 MPa,钢主梁最大竖向位移41.29 mm。折减后的主梁上缘最大应力和下缘最大应力明显增大,增加率分别为2.5%和3.7%。折减后的跨中最大挠度亦明显增大,比不考虑折减增加3.9%。

(3)本文设计的免涂装耐候钢桥符合工程环境的适用条件。计算结果表明:按照偏保守的耐候钢腐蚀富裕量设计方法,考虑锈层折减后,在全寿命周期100年内,免涂装耐候钢桥结构强度、刚度以及构造验算均满足规范要求,因此免涂装耐候钢桥在工程中具有安全、可靠的性能。