中小跨径桥梁结构形式研究

2022-04-28 09:56屈丰来
北方交通 2022年4期
关键词:跨径钢梁腹板

屈丰来

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

预制装配化钢结构桥梁是以预制构件为主,经装配、连接而成的钢结构桥梁。随着辽宁省工业化水平的提高,装配式组合结构体系逐步得到重视,开展装配式组合梁桥的应用,可完善新型组合结构体系,对提高辽宁省桥梁工业化水平具有重要的实用价值[1]。主要特点:预制装配化钢结构桥梁的构件利用工厂化制作和预制装配技术,保证构件质量,提高桥梁建设速度,减小施工过程对交通的干扰和环境的不利影响,减小交通封堵带来的经济损失[2-3]。

目前中小跨径桥梁(16m、20m跨径)常用结构形式为空心板,空心板具有结构形式简单、建筑高度低、用材经济等优点,成为以前国内公路桥梁20m以下跨径桥梁的首选桥型。但受施工、自然侵蚀及运营环境等因素的影响,建成后的空心板梁桥,随着服役时间的延长,逐渐出现材料劣化、裂缝、铰缝损伤等病害,尤其铰缝是易损部位,在东北地区冬季常使用除冰盐,从而大大加剧铰缝的破坏进程,因此降低了空心板梁桥铰缝结构耐用性,这些病害的不断累积和发展,严重降低桥梁的承载性能并危及行车安全[4-5]。

针对空心板桥的缺点,研究钢混组合梁替代空心板,钢混组合梁具有耐久性好、预制方便、易于标准化生产和施工、便于运输、吊装、综合造价较优等特点。

1 结构形式

1.1 热轧组合H型钢

采用Q345D热轧带突起翼缘板与Q345DNH钢板腹板焊接而成的H型钢(简称热轧组合H型钢),热轧组合H型钢优点如下:

(1)顶、底板厚度和宽度及腹板厚度和高度可根据受力情况进行调整。

(2)由于顶底板与腹板连接部位存在凸起,减弱了顶、底板残余变形和残余应力。

(3)由于顶底板轧制而成,降低了由切割导致的浪费。

(4)对旧桥改造工程,梁高与原设计保持一致,从而不需调整路线纵断。

缺点如下:

(1)凸起部位的尺寸没有相关规范及依据。

(2)生产热轧带突起翼缘板的厂家很少。

1.2 钢板梁

钢板梁是通过Q345D钢板焊接而成,钢板梁同样具有顶、底板厚度和宽度及腹板厚度和高度可根据受力状况进行调整等优点,同时缺点也很突出,列举如下:

(1)顶底板和腹板通过双面角焊缝焊接,在顶底板存在较大的热影响区域,使钢板梁存在较大的残余变形及残余应力,焊后需经过复杂的校正工艺消除残余变形,这些将导致钢梁产生附加应力,校正增加加工费用。

(2)角焊缝焊接影响结构抗疲劳性能。

(3)由于板材的尺寸限制,纵桥向需要全截面对接焊,大大降低了抗疲劳性能。

(4)顶底板由较大标准尺寸钢板切割而成,大大增加了由切割导致边角料的浪费,同时切割处理增加制造费用。

1.3 热轧H型钢

热轧H型钢由于全截面无焊接从而抗疲劳性较好,但存在较多缺点如下:

(1)热轧H型钢国标型号固定,局部材料在受力方面不能充分利用,导致单位平米用钢量较高。

(2)通过调研生产梁高大于708mm的热轧H型钢厂家极少,订货极其困难。

(3)同等跨径的桥梁,满足设计要求的前提下,热轧H型钢的梁数较多,并且建筑高度较高。

2 结构尺寸

16m跨径的简支桥梁,荷载等级为公路-Ⅰ级,经初步计算钢梁尺寸如下:

2.1 组合H型钢方案

组合H型钢方案采用Q345D热轧组合H型钢,顶板厚18mm,底板厚28mm,宽均为400mm,凸起高度均为45mm,腹板厚10mm,高为494mm,梁高为630(简写为630×400×10×28(18)),断面见图1。

图1 组合H型钢横断面

2.2 钢板梁方案

钢板梁方案采用Q345D钢板梁钢,型号为630×400×10×28(18),梁高584mm,顶底板宽度为400mm,顶板厚度为18mm,底板厚度为28mm,腹板厚度为10mm,断面见图2。

图2 钢板梁横断面

2.3 热轧H型钢方案

热轧H型钢方案采用Q345D热轧H型钢708×302×15×28,其中梁高为708mm,顶底板宽度均为302mm,厚度均为28mm,腹板厚度为15mm,断面见图3。

图3 热轧H型钢横断面

3 依托工程

以沈康四期K16+669.5处张家堡中桥作为依托工程,桥梁全长为55.4m,跨径布置为3×16mm,交角为125°。桥面净宽为11.45m,两侧各设0.5m钢护栏。桥面净宽11.45m;总宽度12.45m;荷载等级公路Ⅰ级;结构形式采用简支钢-混组合梁。端横隔梁采用混凝土横梁,见图4,中横梁采用槽钢40a,与主梁通过螺栓连接,见图5。

图4 端横隔梁断面

图5 中横隔梁断面

3.1 结构计算

钢混凝土梁由多片钢梁及桥面板组成,根据不同钢梁结构形式,计算了横向6片钢梁的情况,梁间距均为2.25m,采用220m厚的钢筋混凝土桥面板,其中桥面板与钢梁采用施工阶段联合截面进行计算,中间无临时支撑。主要荷载组合为:

(1)恒载+设计车道偏载+混凝土收缩徐变+整体升温+温度梯度。

(2)恒载+设计车道偏载+混凝土收缩徐变+整体降温+温度梯度。

模型见图6。

图6 钢混组合梁计算有限元模型

在上述荷载组合情况下,分别对3种不同结构形式在最不利荷载组合作用下,上下翼缘板的应力进行计算,计算结果见表1。

由表1可知:在偏载作用下,组合梁的上下翼缘应力均小于270 MPa,活载挠度小于L/500(32mm),均满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)要求限制,通过计算以上三种方案均满足跨径为16m简支桥梁的设计要求。

通过以上结果可以看出三种方案下翼缘与上翼缘应力比值依次为:1.29,1.28,1.31。说明热轧H型钢的上翼缘板的富余度较大,顶板设计厚度偏于保守。

3.2 经济指标分析

本项目主要从用钢量及造价角度对热轧H型钢、钢板梁及热轧组合H型钢方案进行对比,见表2。

根据上述对比,钢梁每平米价格由低到高分别为钢板梁、热轧组合H型钢和热轧H型钢。热轧H型钢每平米造价比钢板梁及热轧组合H型钢分别高21%及18%。但钢板梁和热轧组合H型钢如果考虑加劲肋的用钢量及加工费用,与热轧H型钢费用基本相当。通过综合考虑对钢结构桥梁采用热轧H型钢,可有效地避免疲劳开裂等病害。

4 结论

以辽宁境内已建成的中小跨径钢-混组合桥为研究对象,分析了跨径为16m的钢结构桥梁,通过受力分析、造价及使用性能的综合比较,建议选取热轧H型钢组合梁较为合理。这将为中小跨径钢-混组合桥梁的结构选型提供有意义的借鉴。

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