钢混组合连续梁桥设计创新措施

上传:guiguimmm 2022-04-24 17:56:57 版权声明 举报文章

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【摘要】考虑大跨度变截面钢混组合连续梁桥可充分利用两种材料优势,具有结构自重轻、抗震性能优越等特点,以实际工程为例,分析钢混组合连续梁桥的总体布置、结构设计,建立有限元模型对结构进行验算,提出设计难点及相应对策措施。

【关键词】:钢混组合;连续梁;大跨度;变截面;黄河大桥

目前,国内连续梁桥应用较多的是预应力混凝土连续梁,混凝土梁结构刚度大、变形小、工艺成熟;但大跨径混凝土连续梁桥的病害近年来也出现较多,主要体现在混凝土腹板承受主拉应力,腹板出现裂缝,结构刚度降低,跨中下挠严重,影响结构承载力等。针对预应力混凝土梁桥出现的病害,为了减轻梁体自重,将30~80cm厚的混凝土腹板替换为10mm左右厚的钢板;为加强钢板刚度,采用波纹形式腹板,由此提出波形钢腹板预应力组合连续梁桥。相比传统预应力箱梁桥,波形钢腹板预应力组合连续梁桥主梁自重减少20%左右,显著降低了地震力,增大了腹板抗屈曲刚度,提高了腹板抗剪能力[1];但是,受顶底板钢束张拉空间所限,该桥型需采用部分体外预应力束,体外预应力束易出现腐蚀问题,需后期更换;此外,在波形钢腹板与混凝土顶底板的连接处由于疲劳作用,连接构造易出现耐久性问题且构造复杂,施工要求较高。钢混组合梁是近年来国内重点发展的一种桥型,由钢主梁和混凝土桥面板组合而成,可充分利用两种材料的性能优势,结构自重轻、抗震性能优越、收缩徐变和稳定效应对结构影响较小,主梁钢结构加工工艺简单,可根据施工吊装设备能力对钢结构分段,运输和吊装均较为便捷,混凝土桥面板现场预制,通过吊装与钢主梁连接,速度快,预制结构浇筑质量有保障。一般情况下,该类型桥梁由于跨中下挠,墩顶负弯矩区混凝土板出现拉应力,导致开裂。众多学者对其进行深度研究,如聂建国等[2]提出的抗拔不抗剪构造措施,有效减小了墩顶负弯矩区混凝土板随钢梁位移而产生的拉应力,同时解除混凝土板与钢梁顶面水平位移的限制,很好地解决了开裂问题。本文以实际工程为例,结合项目实际情况,提出多种方案以解决墩顶负弯矩区混凝土板开裂问题,同时减少工期,优化结构受力。

1工程概况

沾化—临淄公路黄河大桥总长4630m,双向6车道,设计速度120km/h,桥梁标准宽度34m,汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。桥位处黄河河道属于弯曲型窄河段,设计洪峰流量按照堤防设防流量11000m3/s考虑,设计洪水频率为1/300,场地地震动峰值加速度为0.10g,基本地震烈度为Ⅶ度。大桥由北向南组成依次为北侧堤外引桥、北侧跨大堤桥、北侧堤内引桥、主桥、南侧堤内引桥、南侧跨大堤桥、南侧堤外引桥。

2桥型确定

根据水利部黄河水利委员会相关规定,桥梁跨越黄河大堤,在堤身设计断面内不得设置桥墩,桥墩离堤身设计堤脚线≮5m,大堤淤背区内可设置一个桥墩。本桥路线与北岸大堤斜交65°,与南岸大堤斜交115°。综合考虑结构受力、耐久性、运营养护难度、工期和工程造价等因素,贯彻工厂化、标准化、装配化、绿色环保及全寿命周期的桥梁设计理念,跨大堤桥采用变截面钢混组合连续梁。见表1。为满足桥跨布置的要求,采用主跨130m跨径跨越大堤,跨径布置为75m+130m+75m,横断面上下行分幅布置。

3结构设计与计算

3.1结构设计

3.1.1钢主梁每幅桥横向设2片开口U形钢箱梁,钢箱梁根部梁高6.35m,跨中梁高3.05m,跨中50m及边跨35m范围内等梁高布置,单个箱室宽4.25m,两箱室间距4.0m,两侧悬挑2.0m,箱梁底板在横桥向保持水平。梁高变化段长38.5m,按2.0次抛物线变化,桥面设置2%横坡。见图2。钢箱梁上翼缘板宽度根据位置不同分别设置为750、800mm,箱梁底板宽4.45m,腹板高度随梁高逐渐变化,均采用板肋加劲,底板加劲肋基本间距为60cm,腹板在上翼缘下方60cm设置一道通长加劲肋,在中支点附近底板上方设置2道。钢主梁之间设置横向连系梁,连系梁高大致为钢箱梁高的4/5,全桥共设置23道横向连系梁[3]。钢梁与桥面板栓钉连接,每道上翼缘横桥向共布置6列ϕ22mm栓钉,顺桥向每块桥面板设置3处,每处设5~6排。3.1.2桥面板采用预制板和现浇湿接缝相结合的施工方法,材料为C55混凝土,桥面板厚度28~45cm,悬臂长2.0m。单幅桥横向为2块板,板宽8m,湿接缝宽50cm,顺桥向标准板宽5m,湿接缝宽50cm。在桥面板跨中和悬臂部分局部采用15-5规格的预应力钢铰线束,在加腋处采用15-9和15-11的预应力钢绞线束。3.1.3下部结构采用分幅设置,承台为分离式承台,为增加景观效果,桥墩为拱门形。主墩墩身截面尺寸为2.8m×3.5m;承台厚3.5m,平面尺寸为12.2m×12.2m,下设9根ϕ1.8m钻孔灌注桩。共用墩墩身截面尺寸为2.8m×3.5m;承台厚3.5m,平面尺寸为12.2m×7.6m,下设6根ϕ1.8m钻孔灌注桩。

3.2计算分析

采用有限元分析软件Midas/Civil建立计算模型,进行施工过程分析。钢主梁和混凝土桥面板采用双单元建模,恒载按照实际重量计取,考虑混凝土收缩徐变及预应力效应等永久荷载,汽车活载和稳定性等按照现行规范取值[5]。见图3。施工阶段验算结果表明:边跨端部混凝土桥面板最大拉应力为0.04MPa;钢主梁最大拉应力为154.5MPa,最大压应力为135.5MPa。正常使用极限状态频遇组合验算结果表明:混凝土桥面板最大压应力为15.1MPa;钢主梁最大拉应力为172.9MPa,最大压应力为174.8MPa。边跨正弯矩区混凝土桥面板未设置预应力束,该部分混凝土桥面板按普通钢筋混凝土控制,最大裂缝验算为0.11mm。汽车活载作用下梁体竖向位移为120/130000=1/1083。以上计算结果表明,该桥的结构均满足JTG3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。

4设计难点及措施

大跨径钢混组合连续梁在中支点处的负弯矩导致上翼缘桥面板受拉,下翼缘钢梁受压,本桥主跨达到130m,其设计难点是中支点负弯矩区,如何降低墩顶负弯矩,防止混凝土桥面板受拉开裂和高应力水平下钢底板受压局部屈曲[4]。

4.1中支点落梁

在桥面板浇筑后,给中支点一定向下的位移,会对全桥桥面板产生一定的预应力,按照每次递增10cm落梁计算,墩顶负弯矩结果见表2。综合考虑主梁结构验算结果和施工安全风险,采用中支点落梁40cm,墩顶弯矩比正常施工降低17.4%,改善了桥面板的受力。落梁的具体措施为:1)在钢梁制作阶段,按照设计设置预拱度后的线形,制作钢箱梁;2)架设钢梁时,边支点处一次性安装永久支座,中支点处安装临时支座,钢梁架设安装完成后,中支点临时支座处应顶起钢梁40cm并增设垫块;3)待桥面板施工完毕后,拆除主墩顶垫块及临时支座,顶升千斤顶需回落至支座设计位置,安装中支点永久支座。

4.2桥面板施加预应力

为减小墩顶负弯矩区桥面板拉应力,在混凝土桥面板上施加预应力,以增加压应力储备,避免运营阶段混凝土受拉开裂。钢梁上翼缘采用的是集簇式剪力钉,剪力钉预留孔浇筑前对桥面板施加预应力,从而避免了预应力施加在钢梁上,提高了桥面板预应力的导入度,对提高桥面板的压应力储备有良好效果。

4.3分区域施加预应力

为避免混凝土与钢梁因收缩徐变不一致导致的变形,施工中结合桥面板受力,分正、负弯矩区安装预制桥面板,适时在负弯矩区张拉预应力钢束。具体的操作流程:先施工跨中正弯矩区,再墩顶负弯矩区,然后边跨正弯矩区,最后浇筑各区域之间的湿接缝。

4.4二次落架技术

本桥采用少支架临时墩拼装钢主梁的施工方案,拆除临时墩的时机对组合截面内力分配有很大影响。图3有限元计算模型如在钢梁架设完成后拆除,则钢主梁承受自身以及混凝土桥面板的恒载,组合截面只承受二期铺装的恒载,会导致钢梁用钢量大,结构不经济;如在混凝土桥面板完全结合之后拆除,则组合截面承受所有的恒载,桥面板应力较大,钢主梁利用率较低。因此本次设计采用二次落架技术,在跨中正弯矩区的桥面板结合后第一次落架,在桥面板全部结合后拆除所有临时墩第二次落架,桥面板和桥面铺装等后期恒荷载由组合截面共同承担。二次落架可以充分发挥钢主梁的应力利用率,减少墩顶负弯矩区桥面预应力钢绞线用量,降低混凝土桥面板的拉应力。

4.5支点段双组合截面

支点负弯矩区主梁下缘钢底板受压,为防止钢梁受压翼缘钢板在高应力状态下发生局部屈曲,在中支点两侧灌注厚度为50cm的C50微膨胀混凝土,同时在腹板上增加2道局部加劲肋。

5结语

本桥采用主跨130m的变截面钢混组合连续梁,为目前国内最大跨径的公路钢混组合梁桥,设计中采用了落梁、施加预应力、二次落架、底板浇筑混凝土等一系列措施,改善了结构受力、提高了耐久性。施工过程中主梁钢结构加工工艺简单,根据施工吊装设备能力对钢结构分段,运输和吊装均较为便捷,混凝土桥面板现场预制、吊装与钢主梁连接,速度快,预制结构浇筑质量有保障。

参考文献:

[1]肖汝诚.桥梁结构体系[M].北京:人民交通出版社,2013.

[2]聂建国,刘明,叶列平.钢-混凝土组合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3]徐君兰,孙淑红.钢桥[M].2版.北京:人民交通出版社,2011.

[4]吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社,2006.

[5]苏庆田,刘玉擎,曾明根.钢-混组合箱梁桥受力的有限元仿真分析[J].桥梁建设,2006,(5):28-31.

作者:徐常泽 张玉涛 李云鹏 单位:山东省交通规划设计院集团有限公司