组合结构桥梁以其能够发挥两种建筑材料各自优势的合理性、整体受力的经济性以及便于施工的突出优点,越来越得到业界的认可和关注,开始在桥梁结构中得到了积极的推广与应用。本文重点介绍所提出的组合折腹梁桥设计标准的架构;并进一步诠释对组合梁桥的认识,以期引起业界思考。
组合梁桥的演变
由钢梁桥演变的组合梁桥
近几年,组合梁桥的截面形式得到了较大发展,不仅局限于传统意义上的钢板梁与混凝土桥面板结合的组合梁桥。我们可以将组合梁桥看成从钢梁桥与混凝土梁桥的两方面发展而来,形成了一个新的组合梁桥“大家族”。
由钢梁桥演变而来的组合梁桥,是指为克服钢梁受压钢板容易局部座屈、材料不能充分利用等弱点,从而形成了分别由钢板梁、钢箱梁、钢桁梁与混凝土桥面板结合的组合板梁桥、组合箱梁桥、组合桁梁桥。组合板梁桥通过连接件将钢板梁与混凝土桥面板结合,组合钢板梁截面压缩区用抗压性能好的混凝土、截面拉伸区用抗拉强度高的钢材,组合后的材料性能进一步得到了发挥,但是若不考虑混凝土桥面板对钢板的约束和对整体横向抗弯刚度的提高,钢梁腹板加劲肋以及横向连接系仍然沿用钢梁桥的构造要求,传统的组合钢板梁桥难以显示出较大优势。
各国多年来对组合钢板梁桥的承重体系进行了深入研究,在大幅度地减少腹板加劲肋、梁间横撑的同时,积极采用预应力混凝土桥面板,把2车道公路桥的主梁由原来的4根减为2根,从而板件种类和焊缝长度减少、涂装和后期养护成本降低。如图1所示为最具代表性的实例,法国于1990年完成的Hopital桥,2根主梁的间距为12.6m。如图3所示为上海内环高架桥,是国内第一座结构体系及加劲构造考虑组合作用设计的少主梁组合板梁桥。
图1 法国Hopital桥
图2 上海内环组合板梁桥
组合箱梁桥采用槽形截面钢箱与混凝土桥面板或组合桥面板结合,利用混凝土桥面板承担上缘压应力,可达到节省材料的目的。如图3所示为日本福冈城市高架桥,实现了快速施工;如图4所示为上海内环高架桥,在箱内横撑体系上采用桁腹式横向连接系。
图3 日本福冈组合箱梁桥
图4 上海内环组合箱梁桥
由混凝土梁桥演变的组合梁桥
由混凝土梁桥演变而来的组合梁桥如图5所示。为了克服混凝土箱梁腹板开裂难以控制的最大弱点,采用加劲钢板、折形钢板、钢杆件代替混凝土腹板与混凝土顶底板结合的组合板腹梁桥、组合折腹梁桥、组合桁腹梁桥。
图5 由混凝土梁桥演变的组合梁桥
法国最先采用加劲钢腹板与混凝土顶底板结合,成功建成了一座组合板腹梁桥、即La Ferte Saint-Aubin桥。加劲钢腹板与混凝土顶底板间通过连接件比较容易结合在一起,但是在施加纵向预应力时,加劲钢腹板损失了部分预应力。为此,法国开始使用弯成折形形状的薄壁钢板来代替混凝土腹板,于1986年首次建成了跨度为31m+43m+31m 的连续组合折腹梁桥、即Cognac桥。
图6 法国Arbois桥
使用钢杆件代替混凝土腹板也是改善混凝土箱梁性能的方式之一。如图6所示为法国用钢腹杆代替混凝土腹板, 建成的Arbois桥就是最初尝试的组合桁腹梁桥。如图7所示为最近建成的杭州德胜路桥。
图7 杭州德胜路桥
组合折腹梁桥设计标准的架构
图8 折形钢板的多样性
如图8所示,钢板可冷弯成型为梯形、三角、正弦等多种折形截面形式,统称为折形钢板。与加劲钢板相比可大幅度提高抗剪强度、面外刚度等,作为腹板与翼缘板焊接成型的工型构件具有较好的结构性能。作者将采用折形钢腹板与混凝土顶底板结合的结构形式称为组合折腹梁桥,与传统的采用工型钢梁与混凝土桥面板结合的组合钢板梁桥相对应。
作为近年来一直致力于组合折腹桥梁的研究者之一, 笔者认为有必要基于现行行业标准的编制原则和基本要求给出设计标准。现阶段设计标准在内容上难以面面俱到、问题难以全面解决,更重要的是要搭建一个设计方法的架构、给出一个标准内容的模式,为此构建了组合折腹桥梁设计标准模式,如图9所示。
图9 组合折腹桥梁设计标准架构
组合折腹梁桥与预应力混凝土梁桥的整体结构行为基本相同,其不同的是采用折形钢腹板以及其与混凝土顶底板的结合。通过诸多研究,我们认为组合折腹梁桥的设计标准架构,应尽可能与公路行业现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相一致,从而有利于组合折腹梁桥的积极推广。该模式指南以现行的国家和行业标准为基础,基于多年来对组合折腹桥梁抗弯、抗剪以及连接件的力学性能等基础研究和工程实践,并参考国内外的相关成果进行编写。在标准编制体例方面,采用指南正文和条文说明相结合的架构,并以附录的形式给出组合折腹桥梁的设计算例和国内外5座桥梁的设计施工实例。
组合折腹梁桥的几点认识
钢腹板与混凝土底板结合
折形钢腹板与混凝土底板间的结合形式,可分为钢腹板下端焊接钢翼缘板并配置连接件的翼缘型、把钢腹板直接伸入到混凝土板中的嵌入型、以及下端钢翼缘板与钢腹板包裹混凝土底板并配置连接件的外包型结合构造。如图10所示,图中①为上翼缘、②为折形腹板、③为下翼缘、④为焊钉、⑤为贯穿钢筋、⑥为连接钢筋。
图10 折形钢腹板与混凝土底板结合部
(左) 翼缘型 (中) 嵌入型 (右) 外包型
钢腹板与混凝土底板翼缘型结合部,需要在钢翼缘板底面焊接焊钉或开孔板连接件,钢翼缘板底下的混凝土逆向浇筑,浇筑密实性难以保证,且连接件处于倒立状态, 抗剪性能降低。另外,混凝土底板重量部分通过连接件传给钢翼缘板,连接件存在一定程度的拉拔力作用,使连接件的抗剪承载能力进一步降低。
钢腹板与混凝土底板嵌入型结合部,由于折形腹板纵向刚度低,在纵向易产生变形,导致折形钢腹板与混凝土底板结合面易出现分离,折形钢腹板纵桥向贴角焊缝连接处易发生构造裂缝,在施工及后期维护中须采取防水处理等措施。
钢腹板与混凝土底板外包型结合部,混凝土可自上而下浇筑,从而确保浇筑密实性,而且下翼缘板上的连接件处于正立状态,且易于钢腹板定位及固定,极大地方便混凝土底板施工。如图11所示为国内建成的折形钢腹板与混凝土底板采用外包型结合方式的组合折腹梁桥,底部结合处无需担心渗水等耐久性的问题。
图11 江苏姚大路桥
结合部不同对预应力施加效率的影响
钢腹板与混凝土顶板翼缘型结合方式,钢翼缘板的设置能够保持折形钢腹板的形状,且可提高连接件位置处顶板混凝土的浇筑质量,保证连接件的抗剪承载能力。为此,建议钢腹板与混凝土顶板结合可优先选取翼缘型结合部构造。
钢腹板与混凝土底板翼缘型结合方式,钢翼缘板下的混凝土逆向浇筑,其性能与质量受到影响。而嵌入型结合方式由于折形钢腹板的纵向变形易出现构造裂缝,在施工及后期维护中需采取防水措施。外包型结合方式,混凝土无须逆向浇筑,结合部位混凝土浇筑质量易保证,且方便混凝土底板施工。为此,建议钢腹板与混凝土底板的结合可优先选择外包型结合部构造。
一般认为,折形钢腹板由于纵向刚度较小,预应力能够有效的施加于混凝土顶、底板。为此,关于折形钢腹板上、下端焊接钢翼缘板是否会降低预应力施加效率的问题,进行了比较计算分析。以某3跨预应力折腹式变截面组合梁桥为对象,采用翼缘型、嵌入型、外包型折形钢腹板以及混凝土腹板4种不同结合形式进行了有限元计算。在预应力施加作用下,混凝土顶、底板的预压应力如图12所示, 折形钢腹板3种不同结合形式对预应力施加效率几乎没有影响。因此,在钢腹板与混凝土顶、底板结合形式选择时,可认为无需考虑其对预应力施加效率的影响。
图12 结合形式对顶底板应力分布的影响
内衬混凝土对预应力施加效率的影响
对于折形钢腹板连续梁桥,内衬混凝土可有效地减小折形钢腹板的应力并提高其稳定性能,但由于内衬混凝土的作用,折形钢腹板的“手风琴效应”将会受到限制,需要明确是否会减小预应力筋的预应力施加效率。
在折形钢腹板连续梁桥支点区域,自重以及汽车活载使得混凝土桥面板受拉,混凝土底板受压,故此时支点区域混凝土桥面板在预应力作用下的压应力储备对该区域受力非常重要,同时也是评估内衬混凝土对预应力效应影响的重要指标。由于结构自重不随时间以及外界条件的变化,故在比较分析中仅计入自重的作用。
如图13所示,在结构自重、预应力作用下,比较有内衬混凝土模型和无内衬混凝土模型中支点区域的混凝土桥面板顶面应力。以中支点为例,无内衬混凝土时混凝土桥面板顶面压应力为-4.12MPa,有内衬混凝土仅为-3.39MPa,减少了17.7%。无内衬混凝土时混凝土桥面板底面压应力为-3.42MPa,有内衬混凝土仅为-2.80MPa, 减少了18.1%。可知内衬混凝土明显影响预应力在该区域内的施加效率,为此内衬混凝土长度及厚度等都需要进一步深入探讨。
图13 内衬混凝土对预应力施加效率的影响
随着组合梁桥的发展,形式越来越多样化。除了由钢梁桥演变而来的组合梁桥外,出现了组合板腹梁、组合折腹梁、组合桁腹梁等由混凝土梁桥演变而来的组合梁桥。组合折腹梁桥发展出了将钢翼缘板置于混凝土底板下部的结构形式,用以改善结构力学性能、方便施工。由此可看出,组合梁桥正在朝着受力更加合理、施工更加便捷、维护更加简便的方向发展。今后将进一步加强构造合理化设计的研究,使设计、施工、养护更趋合理,以此推动组合梁桥的快速发展。
河北 秦皇岛 | 建筑施工
4 关注
999+ 粉丝
999+ 发帖
21 荣誉分
∨
简介
二维码(建议尺寸80*80)