轻型组合桥面板钢箱梁在高架桥中的应用.pdf

福建交通科技圆园23 年第 5 期钢结构桥梁具有自重轻尧 强度高尧 跨越能力强尧施工便捷尧对环境影响小等优点袁随着国民经济的快速发展袁 钢结构桥梁不论在公路行业还是市政行业都得到越来越普遍的应用遥 但是袁钢结构桥梁造价较高袁在同等外部条件下袁钢结构梁桥的造价是混凝土梁桥的 1.52.0 倍袁因此袁仅在跨越交通繁忙的道路尧航道袁同时净空又受限时袁或者在异形结构中才会考虑使用钢结构桥梁遥 另外袁钢箱梁采用正交异性桥面板是目前钢梁最常用的构造方式袁 但在箱梁腹板顶部附近沥青混凝土桥面铺装时常出现开裂等病害1袁因此袁钢箱梁结构的应用也受到了一定的限制遥 本研究结合具体工程项目袁拟采用轻型组合桥面板优化钢桥面受力袁 通过精细化的计算分析优化钢箱梁的设计袁 并与同等长度的预应力混凝土现浇箱梁进行经济性比较袁 对钢箱梁结构在高架桥标准段中的应用进行理论探索遥1工程概述沪杭甬高速公路杭州市区段北起乔司枢纽袁南至红垦枢纽袁穿越杭州市江干区尧钱江新城和萧山区袁全长约 23.6 km袁其中江干区段高架桥采用一级公路渊集散功能冤标准建设袁设计时速 80 km/h袁双向 6 车道袁标准路辐宽度 27.0 m袁桥梁横断面布置为院0.5 m渊防撞护栏冤+0.75 m渊硬路肩冤+3伊3.75 m渊车行道冤+0.5 m渊路缘带冤+1.0 m渊中央分隔带冤+0.5 m渊路缘带冤+3伊3.75 m渊车行道冤+0.75 m渊硬路肩冤+0.5 m渊防撞护栏冤遥常规公路高架桥标准段多采用装配式 T 梁或小箱梁结构袁 标准跨径根据墩高及地质条件的因素确定袁基本在 2540 m遥对于城镇化地区的高架桥袁由于景观要求及标高限制袁往往采用无需盖梁尧外形美观的预应力混凝土现浇箱梁结构袁标准跨径基本在 2535 m遥 本项目第二段高架桥起点至观潮路节点之间的标准段桥梁均拟采用预应力混凝土现浇箱梁结构遥 预应力混凝土现浇箱梁经过多年的技术积累与工程验证袁已经相当成熟袁但仍存在以下缺点院渊1冤现场浇筑结构袁需要大量的施工支架及模板袁施工工期长曰渊2冤满堂支架施工袁对地面交通影响大袁保通难度大曰渊3冤工程质量较预制结构差曰渊4冤环保问题突出遥鉴于以上原因袁结合国务院关于钢铁行业化解过剩产能的相关意见袁本研究认为袁是否可以通过精细化的设计袁使钢箱梁结构在高架桥标准段中的应用成为可能袁也为今后同类型高架桥的设计提供更多的可行性方案遥2标准段桥型方案30 m 跨径预应力混凝土现浇箱梁标准梁高通常为 2 m袁而钢箱梁由于箱内检修空间的需要袁其在采用 U 肋纵向加劲的情况下袁最小梁高为 1.6 m遥此处轻型组合桥面板钢箱梁在高架桥中的应用姻 姜晓彬1卢童玲2钟振华1（1.杭州市交通规划设计研究院有限公司，杭州310012；2.杭州天达工程勘察设计有限公司，杭州310012）摘要为了明晰钢箱梁结构在高架桥标准段中的应用情况袁 通过对轻型组合桥面板钢箱梁的受力计算以及其与预应力混凝土现浇梁的经济性比较袁 初步对钢箱梁在高架桥标准段中的应用进行了可行性分析袁结果表明院钢箱梁的造价仍高于混凝土现浇梁袁可对钢箱梁进一步优化设计缩减造价曰对于下部结构工程量占比较大的工程袁钢箱梁的优势更易突显出来曰钢箱梁标准段采用 60 m 的跨径布置袁桥下视线通透袁整体景观效果良好袁桥下地面道路的交通组织也更为便捷曰钢箱梁后续维护费用相对较高袁但钢箱梁的残余价值高遥关键词钢箱梁高架桥轻型组合桥面板第二体系超高性能混泥土渊UHPC冤中图分类号院U443.31文献标志码院A文章编号院1674-8581渊2023冤05-0051-0551FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期钢箱梁梁高与现浇箱梁保持一致袁取为 2 m袁而连续钢箱梁的梁高与跨径的比值通常在 1/301/25袁故钢箱梁的标准跨径取 60 m遥 预应力混凝土现浇箱梁方案和钢箱梁方案的桥型布置如下院 方案 1院预应力混凝土现浇箱梁袁桥跨布置为 2伊渊3伊30冤m袁总长 180 m袁梁高 2.0 m曰下部采用柱式花瓶墩袁墩高7.5 m曰基础采用钻孔灌注桩袁桩径 1.6 m遥 方案 2院钢箱梁袁桥跨布置为 3伊60 m袁总长 180 m袁梁高 2.0 m曰下部采用柱式花瓶墩袁墩高 7.5 m曰基础采用钻孔灌注桩袁桩径 1.6 m遥由于预应力混凝土现浇箱梁的设计已非常成熟袁故本研究不再具体分析袁直接引用依托工程的设计成果遥 而钢箱梁作为标准段设计的案例极少袁且需对其进行精细化设计袁列出钢箱梁计算分析的过程袁再对两者的经济性进行定量比较遥3钢箱梁构造及受力验算3.1钢箱梁构造钢箱梁桥跨布置为 3伊60 m袁 桥面宽度为27.0 m袁按双向 6 车道设计袁采用 5 箱单室结构遥 钢箱梁标准段梁高为 2.0 m袁端横梁和中横梁处局部加高至2.5 m袁并设置 4 m 的渐变段遥 钢箱梁顶板厚度14 mm袁端横梁处加厚至 20mm袁中横梁处加厚至 25 mm曰底板厚度 1218 mm袁端横梁处加厚至 20 mm袁中横梁处加厚至 25 mm曰腹板厚度 14 mm曰实腹式横隔板纵向间距为 5 m袁中间设置 3 道腹板横肋遥钢箱梁桥面铺装采用 6 cm UHPC 高强混凝土+4 cm SMA-13 沥青砼袁桥面铺装层总厚度为10 cm遥钢箱梁左尧中尧右均设置钢筋砼防撞护栏袁不设置人行道遥3.2顶板第二体系应力计算常规设计钢箱梁的横隔板或横肋间距为3.0 m袁即U 肋的支撑间距为 3.0 m袁 此处考虑采用轧制大 U肋袁且考虑桥面 UHPC 参与受力袁即桥面受力体系采用带大 U 肋的轻型组合桥面板渊图 1冤袁大 U 肋开口宽 500 mm袁中心间距为 1 000 mm袁壁厚为 10 mm袁支撑间距取 5.0 m2遥 采用桥梁博士 4.0 程序建立顶板U 肋的有限元模型遥图 1顶板 U 肋设计3.2.1U 肋有效宽度计算横隔板间距取 5 m袁可将顶板 U 肋看作跨度 L=5 m 的连续梁袁 顶板 U 肋的横向间距 4b=1 000 mm遥根据 叶公路钢结构桥梁设计规范曳渊JTG D64-2015冤第5.1.8 条3遥渊1冤连续梁跨中位置院等效跨径 l=0.6L=0.6伊5000=3000 mm曰k=b/l=0.083袁则有效宽度 4be=4渊1.06-3.2k+4.5k2冤b=826 mm遥 渊2冤连续梁支点位置院等效跨径 l=0.2伊2L=0.2伊2伊5000=2000 mm曰k=b/l=0.125袁则有效宽度 4be=4渊1.06-3.2k+4.5k2冤b=730 mm遥3.2.2设计荷载设计荷载包括钢结构自重尧二期恒载重及活载袁其中结构自重有限元模型会自动计入曰二期恒载取 1伊0.04伊25=1.00 kN/m曰活载采用车辆荷载袁公路一级车辆荷载总重 55 t遥渊1冤横向分布系数 酌 计算横向分布系数 酌=0.5伊a/渊s+2伊0.1冤袁 a/渊s+2伊0.1冤不大于 1.0遥其中院0.5 为取单轮荷载袁为横向轴重的一半曰a桥隧工程52福建交通科技圆园23 年第 5 期为纵肋间距袁U 肋取 1.0 m曰s 为车轮着地宽度袁前轮为 0.3 m袁中后轮为 0.6 m曰0.1 为桥面铺装厚度袁轮压荷载按 45 度向下扩散遥根据上式计算袁 前轮横向分布系数为 0.5 中后轮横向分布系数为 0.5遥渊2冤顶板 U 肋应力计算根据有限元程序计算袁U 肋上缘最大压应力为19 MPa袁最大拉应力为 14 MPa曰U 肋下缘最大压应力为 71 MPa袁最大拉应力为 92 MPa遥3.3钢箱梁整体受力计算采用桥梁博士 4.0 梁单元建立梁格模型袁 全桥单元数共计 1 747 个袁节点数共计 1 500 个遥在钢梁顶板设置 M15伊50 剪力钉袁使 UHPC 参与受力袁即桥梁受力体系为轻型组合梁结构遥3.3.1钢梁正应力验算由图 2 可知袁根据梁格模型计算结果袁基本组合下钢梁上缘最大拉应力为 123 MPa袁最大压应力为 114 MPa袁钢梁下缘最大拉应力为 220 MPa袁最大压应力为 236 MPa遥 叠加第二体系应力袁钢梁上缘最大拉应力为 215 MPa袁最大压应力为 185 MPa袁均小于正应力限值渊270 MPa冤袁满足规范要求遥3.3.2钢梁剪应力验算由图 3 可知袁根据梁格模型计算结果袁基本组合下钢梁腹板最大剪应力为 71 MPa袁小于剪应力限值渊160 MPa冤袁满足规范要求遥3.3.3钢梁折算应力验算由图 4 可知袁根据梁格模型计算结果袁基本组合下钢梁最大折算应力为 236 MPa袁小于 270 MPa袁满足规范要求遥 各主梁最大竖向位移为 60 mm袁小于 59400/500=118.8 mm袁满足规范要求遥3.3.4连接件计算根据 叶公路钢混组合桥梁设计与施工规范曳第 9.33 条和 9.34 条4袁对钢梁顶板剪力连接件的承载能力极限状态进行验算遥 由图 5 可知袁基本组合下剪力连接件的最大剪力为 445 kN袁小于其抗剪承载能力 3 378 kN袁满足规范要求遥 其他验算结果不在此处一一列出遥 由有限元建模计算可知袁钢梁各项受力计算均满足规范要求遥图 4基本组合钢梁折算应力包络图图 2基本组合钢梁上下缘正应力包络图图 3基本组合钢梁腹板剪应力包络图图 5基本组合连接件抗剪验算53FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期4经济性对比分析通过对钢箱梁建模计算袁确定了组成钢箱梁各个板件的厚度袁现统计钢箱梁上部结构用钢量见表 1遥可见袁考虑桥面 UHPC 参与共同受力组成轻型组合梁后袁钢箱梁的用钢量指标明显下降袁经济性有了显著的提升遥 同时袁根据钢箱梁与预应力混凝土现浇箱梁的计算反力值袁60 m 跨径的钢箱梁传递给下部桥墩的荷载比 30 m 跨径的预应力混凝土现表 1钢箱梁上部结构用钢量指标部位用钢量/kg面积指标/渊kg/m2冤备注顶板887101182.5顶板厚度 14 mm袁端横梁处 20 mm袁中横梁处 25 mm腹板499313102.7腹板厚度 14 mm底板35473673.0底板厚度 1218 mm袁端横梁处 20 mm袁中横梁处 25 mm横隔板13204327.2横隔板厚度 12 mm袁纵向间距 5 m端支点横梁456049.4横梁厚度 20 mm中支点横梁10396821.4横梁厚度 30 mm其他7882216.2包括端封板尧悬臂尧检修孔尧焊缝等合计2101587432.4要浇梁的还要低约 25%袁同时考虑汽车制动力尧温度力等对桥梁下部结构进行验算袁 根据计算结果袁可将两者的下部结构尺寸取为一致袁这样 180 m 桥梁段内钢箱梁下部结构的工程量仅为预应力混凝土现浇梁下部结构工程量的一半袁钢箱梁的经济性又进一步地得到提升遥现仍以 180 m 的桥梁段作为比较段袁分上部结构尧下部结构渊含基础冤及附属结构对钢箱梁桥和预应表 2钢箱梁桥和预应力混凝土现浇梁桥经济性对比注院两个方案一致的工程量未在表中列出遥项目预应力混凝土现浇箱梁轻型组合桥面板钢箱梁上部结构C50/m34418Q355/kg2101578钢绞线/kg218647外表面防腐涂装/m214158普通钢筋/kg1036616内表面防腐涂装/m219368塑料波纹管/mM15-15院48袁M15-12院128袁M15-7院336袁P15-7院160袁BM15-3院720钢桥面防腐涂装5/m24820锚具/套Dn90院5638袁Dn85院104袁Dn70院11330袁Dn55院9576M15伊50 剪力钉/套51000墩柱普通钢筋/kg143666墩柱普通钢筋/kg71833承台 C35/m31195承台 C35/m3598承台普通钢筋/kg175029承台普通钢筋/kg87515桩基 C30/m34524渊桩长 2250 m冤桩基 C30/m32262渊桩长 1125 m冤桩基普通钢筋/kg214458桩基普通钢筋/kg1072296 cmUHPC/m3292UHPC 内钢筋网/kg59972JQZ渊域冤17.5/套SX院2袁DX院4袁GD院2JQZ渊域冤17.5/套SX院1袁DX院2袁GD院1JQZ渊域冤9.0/套SX院4袁DX院4JQZ渊域冤9.0/套SX院2袁DX院2160 型伸缩装置渊模数冤54 m160 型伸缩装置渊模数冤27 m建安费2839 万元3166 万元造价指标1.01.115下部结构渊基础冤墩柱 C40/m3400墩柱 C40/m3200附属结构10 cmSMA 沥青砼/m34594 cmSMA 沥青砼/m3184桥隧工程54福建交通科技圆园23 年第 5 期投稿须知叶福建交通科技曳渊CN 35-1099/U袁ISSN 1674-8581冤袁月刊袁创办于 1981 年袁是福建省内唯一公开发行的交通运输行业综合性科技期刊遥 2014 年被新闻出版广电总局认定为 A 类学术期刊袁已被中国学术期刊渊光盘版冤渊中国知网冤尧中文科技期刊数据库渊全文版冤渊维普资讯冤尧中国学术期刊综合评价数据库尧超星期刊域出版等国内权威数据库全文收录遥本刊投稿范围包括道路工程尧桥隧工程尧港口工程尧交通工程尧船舶运输尧绿色交通尧新基建尧运输经济与管理等遥 内容以实用科学尧实用技术为主袁兼顾理论研究尧科学试验与标准规范袁技术水平领先尧有创新性尧推广价值较高的文章优先刊登遥本刊在同一年度内袁每期刊登篇数和发行页数保持相对稳定袁年底来稿集中尧量大袁出刊时滞较长袁将按照收到稿件的先后顺序安排审稿袁按照录用时间依序刊登袁无任何收费加急通道袁建议作者合理安排投稿时间遥 如果作者在 3 个月内没有收到任何消息袁可自行改投他刊遥投稿邮箱院袁请备注联系电话遥所有来稿文责自负遥叶福建交通科技曳编辑部力混凝土现浇梁桥进行定量的经济性分析袁见表2遥5结语本研究通过对轻型组合桥面板钢箱梁的受力计算以及其与预应力混凝土现浇梁的经济性比较袁初步对钢箱梁在高架桥标准段中的应用进行可行性分析袁主要结论如下院渊1冤钢箱梁的造价仍高于混凝土现浇梁袁但已非常接近袁后续可对钢箱梁的设计进行进一步的优化曰渊2冤对于地质条件较差袁下部结构工程量占比较大的工程袁钢箱梁的优势可进一步显现曰渊3冤钢箱梁后续维护费用相对较高袁但钢箱梁的残余价值高袁达到使用寿命后袁钢梁几乎能被全部回收利用袁具有一定的战略价值曰渊4冤钢箱梁标准段采用 60 m 的跨径布置袁桥下视线通透袁整体景观效果良好袁桥下地面道路的交通组织也更为便捷遥参考文献1冯希训袁刘旭锴袁戴少雄袁等.钢箱梁正交异性桥面板构造优化J.低温建筑技术袁2014袁197渊11冤院70-72.2邵旭东袁曲宛桐袁曹君辉袁等.带大 U 肋的轻型组合桥面板基本力学性能J.中国公路学报袁2018袁31渊8冤院94-103.3中华人民共和国交通运输部.公路钢结构桥梁设计规范院JTG D64-2015S.北京院人民交通出版社袁2015.4中华人民共和国交通运输部.公路钢混组合桥梁设计与施工规范院JTG/TD64-01-2015S.北京院人民交通出版社袁2015.5中华人民共和国交通运输部.公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件院JT/T 722-2008S.北京院人民交通出版社袁2008.55