大跨鋼箱梁更換為鋼混組合梁的原因及可行性分析

1、 大跨度鋼箱梁更換為鋼-混組合梁的原因及可行性分析1鋼箱梁更換為鋼-混組合梁的原因原橋梁大跨均設(shè)計(jì)為鋼箱梁橋，鋼箱梁的橋面鋪裝層厚度為7cm，有軌電車軌道安裝需求橋面鋪裝層厚度為25cm，且鋪裝層與鋼箱梁之間無層間傳力構(gòu)件，不能協(xié)調(diào)變形或造成面層脫落顯現(xiàn)。鋼橋面與鋪裝之間剛度懸殊太大，二者變形不能協(xié)調(diào)。又由于鋼箱梁所在位置均為需求大跨度橋梁的困難地段，若采用大跨混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生施工影響交通及下部結(jié)構(gòu)尺寸龐大等情況?；谝陨隙喾N原因，通過多方面考慮，擬定采用鋼-混組合梁的方式，混凝土板提高梁體剛度，并通過剪力鍵與鋼結(jié)構(gòu)連接，同時(shí)為軌道預(yù)埋構(gòu)件提供了預(yù)埋空間，軌道、混凝土板及鋼結(jié)構(gòu)三者受力變

2、形協(xié)調(diào)，能夠滿足剛度、受力、較大跨越能力等多方面要求。2現(xiàn)階段鋼-混組合梁發(fā)展及理論落實(shí)情況鋼-混組合梁梁在美、日、歐洲已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，美國(guó)最早制定了設(shè)計(jì)規(guī)范，隨后德國(guó)、英國(guó)和印度也制定了設(shè)計(jì)規(guī)范。國(guó)內(nèi)鋼-混組合梁梁在工程中的應(yīng)用從20世紀(jì) 50年代起組合梁在交通、冶金、電力及煤礦等系統(tǒng)都有所應(yīng)用。1957年建成的武漢長(zhǎng)江大橋，其上層公路橋就已采用了組合梁結(jié)構(gòu)(跨度18 m，梁距1.8 m)；沈陽設(shè)計(jì)院早在1963年就把組合梁結(jié)構(gòu)用于煤礦井塔結(jié)構(gòu)。從1985年開始，組合樓蓋在高層鋼結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用；進(jìn)入90年代，組合梁大量用于城市立交橋的主體結(jié)構(gòu)與高層建筑的樓蓋

3、體系中。1993年由北京市政設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的北京國(guó)貿(mào)橋的三個(gè)主跨采用了連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)，是該結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)城市立交橋中首次應(yīng)用。近年來在北京、上海等城市的立交橋建設(shè)中，由于鋼一混凝土組合連續(xù)梁橋跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，建成了以北京航天橋(主跨73 m)和朝陽橋(主跨64m)為代表的一批鋼一混凝土連續(xù)組合梁橋。鋼-混組合梁橋采用了鋼梁作為受力主結(jié)構(gòu)，又利用鋼梁作為現(xiàn)澆混凝土層的支撐模板構(gòu)造，不僅簡(jiǎn)化施工工序，降低了施工難度，同時(shí)縮短了施工工期。鋼-混組合梁在我國(guó)的起步較晚，主要原因在于混凝土和鋼結(jié) 構(gòu)材料受力的不同性，鋼-混組合梁設(shè)計(jì)理論的不

4、完善。但隨著大量實(shí)驗(yàn)研究和廣泛應(yīng)用實(shí)踐，逐漸地豐富了該類梁的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，完善了相關(guān)的理論，極大的促進(jìn)了該類梁橋的推廣。鋼-混組合梁連續(xù)梁橋其整體受力性能的優(yōu)越性、工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性以及能充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)的合理性和便于施工的突出特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。隨著鋼混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50917-2013）的發(fā)行，鋼-混組合梁設(shè)計(jì)理論得到了完善。有了完整的理論基礎(chǔ)指導(dǎo)，使得此類梁體的應(yīng)用更加方便、快捷、安全。由于組合梁具有抗疲勞性能好、承載力可靠、節(jié)約鋼材、降低梁高和增強(qiáng)梁的剛度的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于城市立交橋及高速公路的跨線橋。3鋼-混組合梁特點(diǎn)簡(jiǎn)介組合梁橋采用剪力連接件

5、將鋼梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼筋混凝土橋面板結(jié)合成整體，鋼筋混凝土橋面板不僅直接承受車輪荷載起到橋面板的作用，而且作為主梁的上翼板與鋼梁形成組合截面，參與主梁共同作用。組合梁橋上緣受壓、下緣受拉，最符合組合梁材料分布的合理原則，即梁上翼緣應(yīng)是適宜受壓的混凝土板，下緣是利于受拉的鋼梁，并通過在混凝土頂板內(nèi)加設(shè)預(yù)應(yīng)力來抵抗連續(xù)梁負(fù)彎矩，能夠滿足連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力需求。（1）與鋼梁相比，鋼-混組合梁具有以下特點(diǎn)：a）減少了鋼材的用量，節(jié)約了造價(jià)；b）增大了梁的剛度，有利于整體穩(wěn)定性；c）采用鋼筋混凝土橋面板，有利于瀝青面層的結(jié)合，提高橋面鋪裝的耐久性。（2）與混凝土梁相比，鋼-混組合梁梁具有以下特點(diǎn)：a）結(jié)構(gòu)自重

6、輕，減少了下部基礎(chǔ)的工程量；b）已安裝鋼梁可作為模板使用，節(jié)省了模板工程量；c）施工工期短，且對(duì)橋下交通的影響?。籨）降低了梁高，有利于橋下凈空利用率。4 施工方案及造價(jià)綜合對(duì)比 施工方法工序?qū)Ρ缺斫Y(jié)構(gòu)形式鋼-混組合梁鋼箱梁施工方法鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝，混凝土板現(xiàn)澆預(yù)制拼裝施工工序1 采用樁施工工藝,并施工臨時(shí)橋墩基礎(chǔ)。同時(shí)工廠制造鋼箱梁節(jié)段，工廠預(yù)制工期按1.5個(gè)月控制。 采用樁施工工藝,并施工臨時(shí)橋墩基礎(chǔ)。同時(shí)工廠制造鋼箱梁節(jié)段，工廠預(yù)制工期按1.5個(gè)月控制。2 采用支架現(xiàn)澆橋墩，并施工臨時(shí)橋墩，橋墩施工期按0.5個(gè)月控制。 采用支架現(xiàn)澆橋墩，并施工臨時(shí)橋墩，橋墩施工期按0.5個(gè)月控制。3 運(yùn)輸

7、并吊裝鋼箱梁節(jié)段就位，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接施工，并安裝支座，拆除臨時(shí)支撐。施工期按1個(gè)月控制。 運(yùn)輸并吊裝鋼箱梁節(jié)段就位，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接施工，并安裝支座，拆除臨時(shí)支撐，用墊塊在臨時(shí)支墩墩頂頂緊梁底。施工期按1個(gè)月控制。4 橋面鋪裝、附屬構(gòu)造安裝，全橋竣工通車。施工期按0.5個(gè)月控制。 鋼箱梁作為橋面板施工的承重平臺(tái)。在預(yù)留孔以外的鋼梁上翼緣設(shè)置橡膠墊。分段澆筑橋面板混凝土，在剪力釘處預(yù)留孔洞，混凝土達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，張拉鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力；預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)水泥漿達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，澆筑下一段橋面板混凝土。施工期按1個(gè)月控制。5 用無收縮砂漿填充剪力釘群的預(yù)留孔，使橋面板與鋼梁共同受力。預(yù)留孔填充完畢2

8、0天后，開始拆除臨時(shí)支撐。施工期按1個(gè)月控制。6 橋面鋪裝、附屬構(gòu)造安裝，全橋竣工通車。施工期按0.5個(gè)月控制。合計(jì)工期3.5個(gè)月5.5個(gè)月 結(jié)構(gòu)綜合對(duì)比表結(jié)構(gòu)形式鋼-混組合梁鋼箱梁?jiǎn)蝺r(jià)（萬元/m2）1.11.5施工工藝鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝，混凝土板現(xiàn)澆預(yù)制拼裝施工難易程度1、施工技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)?。?、施工期間臨時(shí)墩占地較少，基本能夠保證被跨越路正常交通1、施工技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)?。?、施工期間臨時(shí)墩占地較少，基本能夠保證被跨越路正常交通對(duì)交通影響 對(duì)交通影響較小，社會(huì)車輛基本可以正常形式，存在少量的安全隱患，持續(xù)時(shí)間較短。 對(duì)交通影響較小，社會(huì)車輛基本可以正常形式，存在少量的安全隱患，持續(xù)時(shí)間較短。被

9、跨路口受影響時(shí)間約2.5個(gè)月約1.5個(gè)月對(duì)下部結(jié)構(gòu)尺寸影響維持原尺寸能夠滿足安全要求維持原尺寸能夠滿足安全要求后期維護(hù)費(fèi)用需要一定維護(hù)費(fèi)用需要一定維護(hù)費(fèi)用通過以上對(duì)比，鋼-混組合梁造價(jià)約為鋼箱梁的2/3，施工工期及施工周期較鋼箱梁長(zhǎng)，且鋼-混組合梁能夠提供較大的剛度，且為軌道的預(yù)埋提供空間；能夠充分滿足此工程各項(xiàng)需求。5鋼-混組合梁對(duì)橋墩影響的理論分析5.1橋梁下部計(jì)算模型的選擇本工程共計(jì)100多聯(lián)連續(xù)梁、簡(jiǎn)支梁或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)的箱梁，橋梁規(guī)模龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中第五、十一、十五、三十四、三十九聯(lián)原設(shè)計(jì)為鋼箱梁，現(xiàn)由于有軌電車對(duì)軌道安裝及梁體截面剛度的需求，擬考慮將原鋼箱梁結(jié)構(gòu)更換為鋼-混組

10、合梁，上部結(jié)構(gòu)反力相應(yīng)增加，對(duì)原下部橋墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全簡(jiǎn)算。通過對(duì)橋墩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及橋梁跨度進(jìn)行分析，選擇部分有代表性的橋墩對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析?？拐鸱治鰳蛄哼x用的基本原則：1、橋墩同樣跨度或懸臂長(zhǎng)度情況下，取橋梁相鄰跨度之和較大者作為代表。2、橋梁相鄰跨度之和相差不多情況下，取橋墩跨度較大、懸臂較長(zhǎng)者作為代表。分別選擇主線第5聯(lián)ZX14墩、主線橋第11聯(lián)ZX3132墩、主線第34聯(lián)ZX101墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析，如下表所示。結(jié)構(gòu)安全分析橋墩一覽表位置孔跨布置（m）計(jì)算橋墩選出理由第5聯(lián)28.5+45+30ZX14懸臂最大，基本墩型第11聯(lián)39+55+39ZX3132梁體跨度大，懸臂大第34聯(lián)30+

11、50+35ZX101橋墩跨度大5.2計(jì)算荷載的選取 恒載選?。?鋼-混組合梁鋼結(jié)構(gòu)梁高1.82.3m,混凝土板厚30cm。上部鋪裝厚度約30cm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，鋼-混組合梁每平米重約19KN（鋼箱梁每平米重約12KN）。其中鋼結(jié)構(gòu)部分4KN/平米，現(xiàn)澆層部分8KN/平米，欄桿鋪裝部分7KN/平米。 汽車荷載加載方式：沿蓋梁縱向以車道荷載的方式進(jìn)行加載，按照公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2004）圖4.3.1-3進(jìn)行布置車道荷載。荷載大小為相鄰最大跨徑一個(gè)車道的計(jì)算反力。鋼-混組合梁斷面示意圖5.3.計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) (1) 設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)；(2) 計(jì)算溫度：整體降溫20，整體升溫20，收縮

12、徐變等效降溫40度。5.4.計(jì)算荷載參數(shù) (1) 混凝土重力密度：26 KN/m3(2) 結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：I級(jí)；(3) 沖擊系數(shù)u按0.4計(jì)入；(4) 預(yù)應(yīng)力管道摩擦系數(shù)取0.17；(5) 管道每延米摩擦影響系數(shù)取0.0015。5.5. 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 材料名稱及強(qiáng)度取值 表1.2材 料項(xiàng) 目參 數(shù)C50 混凝土抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度32.4MPa抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度2.65MPa抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度22.4MPa抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.83MPa抗壓彈性模量34500MPa計(jì)算材料容重 26kN/m3線膨脹系數(shù)0.00001C40 混凝土抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度26.8MPa抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度2.40MPa抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度18.4MPa抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.6

13、5MPa抗壓彈性模量32500MPa計(jì)算材料容重26kN/m3線膨脹系數(shù)0.00001低松弛鋼鉸線抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度390MPa彈性模量1.95×105MPa管道摩擦系數(shù)0.17管道偏差系數(shù)0.0015鋼絲松弛系數(shù)0.3單端錨具回縮值6mm續(xù)表1.2 普通鋼筋HRB400抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度400MPa抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度360MPa抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度360MPa5.6 作用類別、作用效應(yīng)組合1永久作用：結(jié)構(gòu)重力、預(yù)應(yīng)力、上部結(jié)構(gòu)反力和混凝土的收縮及徐變作用；2可變作用：汽車荷載、溫度作用。 3.作用效應(yīng)組合(1)承載能力極限狀態(tài) 組合設(shè)計(jì)值Sud=1.2×永久作用 +1.4

14、×汽車荷載+0.8×1.4溫度作用。(2)正常使用極限狀態(tài) 作用短期效應(yīng)組合：永久作用+0.7×汽車荷載+0.8×溫度作用； 作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合：永久作用+0.4×汽車+0.8×溫度作用。5.7. 計(jì)算結(jié)果數(shù)值單位及方向約定彎矩：KN*m；“”代表彎矩方向；應(yīng)力：Mpa；“”代表應(yīng)力為拉應(yīng)力；撓度：mm；內(nèi)力：KN；“”代表軸力為壓力。5.8. ZX14蓋梁計(jì)算5.8.1 模型描述5.8.1.1 單元數(shù)量 : 梁?jiǎn)卧?59 個(gè)5.8. 1.2節(jié)點(diǎn)數(shù)量 : 57 個(gè) ZX14橋墩模型三維圖5.8.2持久狀況承載能力極限狀態(tài)結(jié)果5.基本組合

15、彎矩包絡(luò)圖 最大負(fù)彎矩：89954KNm5.8.2.2長(zhǎng)短期組合下應(yīng)力包絡(luò)圖最大壓應(yīng)力：12.1mpa,最大拉應(yīng)力：0.0005mpa5.8.2.3基本組合包絡(luò)變形圖最大豎向變形：28.1mm5.9. ZX31蓋梁計(jì)算5.9.1 模型描述5.9.1.1 單元數(shù)量 : 梁?jiǎn)卧?177個(gè)5.9. 1.2節(jié)點(diǎn)數(shù)量 : 190個(gè)ZX31橋墩模型三維圖5.9.2持久狀況承載能力極限狀態(tài)結(jié)果5.9.2.1基本組合彎矩包絡(luò)圖 最大負(fù)彎矩：69505.8KNm5.9.2.2長(zhǎng)短期組合下應(yīng)力包絡(luò)圖最大壓應(yīng)力：10.7mpa,最大壓應(yīng)力：0.9mpa5.9.2.3基本組合包絡(luò)變形圖最大豎向變形：18.7mm5.1

16、0. ZX32蓋梁計(jì)算5.10.1 模型描述5.10.1.1 單元數(shù)量 : 梁?jiǎn)卧?187個(gè)5.10. 1.2節(jié)點(diǎn)數(shù)量 : 201個(gè)ZX32橋墩模型三維圖5.10.2持久狀況承載能力極限狀態(tài)結(jié)果5.10.2.1基本組合彎矩包絡(luò)圖 最大負(fù)彎矩：5559.6KNm5.10.2.2長(zhǎng)短期組合下應(yīng)力包絡(luò)圖最大壓應(yīng)力：10.4mpa,最大壓應(yīng)力：0.9mpa5.10.2.3基本組合包絡(luò)變形圖最大豎向變形：26.6mm5.11. ZX101蓋梁計(jì)算5.11.1 模型描述5.11.1.1 單元數(shù)量 : 梁?jiǎn)卧?191個(gè)5.11. 1.2節(jié)點(diǎn)數(shù)量 : 181個(gè)ZX101橋墩模型三維圖5.11.2持久狀況承載能

17、力極限狀態(tài)結(jié)果5.11.2.1基本組合彎矩包絡(luò)圖 最大負(fù)彎矩：9959KNm5.11.2.2長(zhǎng)短期組合下應(yīng)力包絡(luò)圖最大壓應(yīng)力：14.75mpa5.11.2.3基本組合包絡(luò)變形圖最大豎向變形：38.4mm6 國(guó)內(nèi)外實(shí)例及外觀表現(xiàn)目前，鋼-混組合梁在國(guó)內(nèi)使用較為廣泛，其外觀表現(xiàn)形式多樣化，腹板側(cè)面表現(xiàn)與鋼箱梁基本相同。底板可采用漏空、封閉等多種形式。 實(shí)例項(xiàng)目照片 鋼-混組合梁國(guó)內(nèi)使用實(shí)例：（1）、承秦出海路市區(qū)至石門寨段復(fù)線工程K1+488京秦高速分離立交橋 路橋集團(tuán)橋梁技術(shù)有限公司。（2）、京杭運(yùn)河常州市區(qū)段改線工程312國(guó)道西大橋 江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院（3）、深圳市南坪快速路梅觀立交 南昌有色冶金設(shè)計(jì)研