杜小龍,劉占浦

（1.贛州市公路發(fā)展中心安遠(yuǎn)分中心,江西 安遠(yuǎn) 342100; 2.贛州市公路發(fā)展中心信豐分中心,江西 信豐 341600）

0 引言

工字鋼—混凝土組合梁橋兼具鋼材和混凝土材料的性能優(yōu)勢，在我國公路橋梁中的應(yīng)用也日益廣泛。對于工字鋼—混凝土組合梁橋歐洲國家、美國、日本均有較為完善的規(guī)范指南，而國內(nèi)大多參照《鋼—混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917—2013）、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）、《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64—01—2015）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2017）等展開組合梁橋設(shè)計。因不同國家在組合梁橋施工環(huán)境、參數(shù)建議及規(guī)定方面存在差異，故相關(guān)參數(shù)的適應(yīng)性無法保證。

基于此，該文依托具體公路橋梁工程，應(yīng)用有限元分析軟件對雙工字鋼—混凝土組合梁橋施工過程展開模擬，并對腹板高厚比、翼緣板寬厚比、腹板豎向加勁肋、橫梁結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對組合梁受力性能的影響展開量化分析，以探究此類橋型結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的取值范圍，為施工過程及質(zhì)量控制提供借鑒參考。

1 工程概況

某高速公路車行天橋為工字鋼—混凝土組合梁橋，設(shè)計寬度8.0 m，橫橋面雙向橫坡為1.5%；主梁采用工字鋼—混凝土預(yù)應(yīng)力組合梁形式，并在主梁間增設(shè)2道端橫梁和4道中橫梁。鋼梁腹板設(shè)計厚度為14 mm，腹板豎向加勁肋長200 mm、寬14 mm；底板寬度和厚度在800～1 100 mm 和 25～34 mm 之間變化；頂板寬 600 mm，厚25 mm。以50 cm高的H形鋼梁為鋼梁間中橫梁。該公路橋梁鋼混組合梁總重量為170.258 t。

2 施工過程模擬分析

2.1 有限元模型

應(yīng)用ANSYS軟件構(gòu)建該鋼混組合梁橋三維有限元模型，鋼主梁、混凝土分別通過Shell43和Solid45單元模擬[1]。鋼材容重 78 500 kg/m3，線膨脹系數(shù) 1.0×105，彈性模量 2.1×105MPa；混凝土容重 26 000 kg/m3，線膨脹系數(shù) 1.0×105，彈性模量 4.01×105MPa。主梁單端設(shè)置固定約束，另一端進(jìn)行縱向和豎向位移約束。全橋模型見圖1。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對施工穩(wěn)定性的影響

2.2.1 腹板高厚比

基于以上有限元模型，在主梁截面剛度既定的情況下依次按照80、90、110、125、150進(jìn)行腹板寬厚比取值，并計算相應(yīng)的組合梁結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)，據(jù)此判定梁橋失穩(wěn)位置。結(jié)果見表1。根據(jù)表中所列結(jié)果，該鋼混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)隨腹板高厚比的增大而遞減，當(dāng)腹板高厚比在90以下時彈性穩(wěn)定系數(shù)變化劇烈；非組合階段，腹板高厚比超出110時，腹板更容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞；腹板高厚比在110以下時，失穩(wěn)破壞主要出現(xiàn)在翼緣板處。組合階段，無論腹板寬厚比取值如何，因受到鋼梁翼緣板和橋面板連接作用，失穩(wěn)破壞均出現(xiàn)在腹板處[2]。

表1 鋼混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

綜合以上分析，應(yīng)將鋼筋混凝土組合梁腹板高厚比控制在110～125以內(nèi)，以便在保證腹板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，防止受壓翼緣板失穩(wěn)。

2.2.2 翼緣板寬厚比

基于所構(gòu)建的有限元模型，在腹板和上翼緣板、下翼緣板面積相同，主梁截面剛度不變的情況下，翼緣板寬厚比依次按照8、10、12、14、16、18取值，并計算相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)?？紤]到在橋面板支撐作用下，主梁翼緣板發(fā)生失穩(wěn)的可能性很小，故對鋼混組合梁橋非組合節(jié)段彈性穩(wěn)定系數(shù)展開計算和比較，具體見圖2。根據(jù)圖中所示結(jié)果，鋼混組合梁橋非組合節(jié)段彈性穩(wěn)定系數(shù)隨翼緣板寬厚比的增大而呈降低趨勢；當(dāng)翼緣板寬厚比在8～10之間取值時，彈性穩(wěn)定系數(shù)取值在3.23～3.30之間，即寬厚比小，翼緣板厚，腹板處發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大；而當(dāng)翼緣板寬厚比超出12，失穩(wěn)則主要出現(xiàn)在翼緣板處。故該組合梁受壓翼緣板寬厚比應(yīng)控制在12以內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖2 非組合節(jié)段彈性穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢

2.2.3 腹板豎向加勁肋厚度及間距

對于鋼筋混凝土組合梁而言，加勁肋屬于非主要構(gòu)件，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范并無直接規(guī)定。該文分別設(shè)定8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、20 mm 的加勁肋厚度進(jìn)行組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)計算，結(jié)果見表2。根據(jù)結(jié)果，該鋼筋混凝土組合梁橋在非組合階段和組合階段分別表現(xiàn)為跨中翼緣板屈曲、近支點(diǎn)腹板屈曲的失穩(wěn)模式；且隨加勁肋厚度的增大，兩個階段彈性穩(wěn)定系數(shù)均呈增大趨勢，但增幅均不大，這一點(diǎn)可為橋梁設(shè)計所接受[3]。出于施工便利及焊接角度控制方面的考慮，為保證加勁肋厚度和腹板、翼緣板之間的匹配性，應(yīng)將加勁肋厚度控制在 12～16 mm 之間。

表2 不同加勁肋厚度下組合梁彈性穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中對鋼混組合梁橋加勁肋設(shè)置情況的規(guī)定，主要以腹板縱橫比為控制參數(shù)，腹板縱橫比是豎向加勁肋間距和上下翼緣板間距比。為分析組合梁橋穩(wěn)定性受豎向加勁肋間距的影響，在假定其余參數(shù)不變的情況下，計算不同加勁肋間距所對應(yīng)的組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見表3。由計算結(jié)果看出，隨加勁肋間距的增大，組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)減??；當(dāng)加勁肋間距增大至1.0 m以上后，彈性穩(wěn)定系數(shù)取值降幅明顯減緩。可見，腹板豎向加勁肋的設(shè)置對結(jié)構(gòu)極限承載力存在較大影響，加勁肋設(shè)置越密集，極限承載力增幅越大；而設(shè)置稀疏時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍有一定保證。

表3 不同加勁肋間距下組合梁彈性穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

2.2.4 橫梁間距及豎向位置

在其余參數(shù)取值既定時，分別計算行車荷載作用下橫梁間距取 2.5 m、5.0 m、8.75 m、17.5 m 時的邊跨跨中彈性穩(wěn)定系數(shù)、下翼緣板橫向位移及相對位移、最大應(yīng)力等值，結(jié)果見表4。根據(jù)取值結(jié)果，鋼混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)隨橫梁間距的增大而遞減；下翼緣板橫向位移最大值和相對值均增大，但整體增幅較??；鋼梁下翼緣板跨中及支點(diǎn)拉應(yīng)力最大值分別增大和減小，但幅度均未超出5.0 MPa。橫梁設(shè)置過于密集會增大施工成本，而過于稀疏又會影響整體屈曲，出于經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度的考慮，應(yīng)將該雙工字鋼—混凝土組合梁橫梁間距控制在 8～10 m。

表4 不同橫梁間距下邊跨跨中彈性穩(wěn)定系數(shù)

3 施工控制要點(diǎn)

3.1 主要材料

該雙工字鋼—混凝土組合梁橋主要使用抗?jié)B等級為P8以上的C50補(bǔ)償收縮防水鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土；主材料為Q345E鋼的結(jié)構(gòu)鋼板，其力學(xué)性能和化學(xué)成分均滿足《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 714—2015）的相關(guān)要求；其余結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量、尺寸、外形等均符合《鋼帶和熱軋鋼板的外形、重量、尺寸及允許偏差》（GB/T 709—2019）的規(guī)定。

3.2 鋼梁制作

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及該鋼混組合梁橋設(shè)計說明書進(jìn)行梁段劃分安裝，具體見圖3，鋼梁制作過程中必須加強(qiáng)各跨實際分片尺寸和質(zhì)量控制，并在出廠前結(jié)合試裝結(jié)果編號。

圖3 梁段劃分（單位：mm）

鋼梁制作過程中，材料和零件均通過數(shù)控切割精確下料，機(jī)械矯平部件邊角；腹板開制坡口并折彎，通過專用平胎架對接翼緣板和腹板。組裝前在翼板上畫出腹板位置線，借助頂緊裝置固定后再通過電焊焊接組立翼緣板和腹板。根據(jù)相關(guān)規(guī)范組立T形和翼緣板H形，焊接H形腹板和翼緣板，焊后24 h展開UT探傷。檢驗合格后加焊剪力釘和加勁板，完成桿件報驗。

3.3 鋼梁安裝

3.3.1 吊裝機(jī)械選用及單跨鋼梁拼裝

在鋼梁安裝前必須確定吊裝次序，并選擇適宜的吊裝場地搭建胎具，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)卡控應(yīng)安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行，完成拼裝后由技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)測。

相應(yīng)工區(qū)工字鋼梁構(gòu)件最大重量達(dá)50.5 t，吊裝高度9.6 m，根據(jù)表5所列輪胎式起重機(jī)起重性能進(jìn)行吊機(jī)選型，200 t輪胎式起重機(jī)主臂長19.8 m，有效工作半徑14 m，對應(yīng)的起吊性能為71.7 t，超出該工字鋼梁最大構(gòu)件重量，符合吊裝施工要求。

表5 200 t輪胎式起重機(jī)工作性能

在拼裝單跨鋼梁時，先通過50 t吊車吊裝單側(cè)主梁，將方木墊設(shè)于主梁下方，使用扭力扳手將螺栓擰緊；通過50 t吊車對稱吊裝另一側(cè)主梁。使用50 t吊車嚴(yán)格按照出廠編號吊裝中間橫梁，并緊固高強(qiáng)螺栓；安裝好支座后，再通過200 t輪胎式起重機(jī)整體吊裝，并保證平面和高程位置的準(zhǔn)確性。

3.3.2 梁段組對安裝

安裝梁段前必須根據(jù)支座高程平面控制網(wǎng)復(fù)測支座位置、高程、水平度，對于支撐面頂板位置偏差超出15.0 mm、頂面標(biāo)高偏差超出3.0 mm及頂面水平度超出L/1 000的情況，必須對相應(yīng)支座實施設(shè)計變更、糾偏處治等設(shè)計保護(hù)措施。

工字鋼梁與端橫梁和中橫梁栓接后，必須按照先中跨、后邊跨的次序整體吊裝至橋墩上。為確保提升吊裝定位的精確度，吊裝全程使用全站儀定位放樣，并依據(jù)所采集到的高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。吊裝期間對于鋼梁兩端測量定位中發(fā)現(xiàn)的誤差應(yīng)及時糾正。

4 結(jié)論

綜上所述，雙工字鋼—混凝土組合梁底板使用大厚度板材時接頭部位會因受力不均而容易出現(xiàn)層狀斷裂，為保證結(jié)構(gòu)整體受力的合理性與均勻性，應(yīng)采用較薄鋼板或適當(dāng)加寬底板。由于箱形橫梁連接箱梁的做法在安裝和受力方面均比型鋼差，故應(yīng)使用型鋼格子架代替箱形橫梁。腹板高厚比、翼緣板寬厚比、腹板豎向加勁肋設(shè)置等參數(shù)均對雙工字鋼—混凝土組合梁橋整體受力性能有影響，結(jié)合該文分析結(jié)論，應(yīng)將腹板高厚比控制在100～120之間，將翼緣板寬厚比控制在12以內(nèi)，以保證腹板和翼緣板穩(wěn)定性；出于焊接施工便利性及材料成本方面的綜合考慮，腹板豎向加勁肋厚度應(yīng)在12～16 mm之間取值；加勁肋加密布置時可顯著提升腹板結(jié)構(gòu)承載力，也會增大施工成本，權(quán)衡后應(yīng)取2.5 m。