大跨度鋼箱梁更換為鋼-混組合梁的原因及可行性分析

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(wú)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(guò)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(guò)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-混組合梁從2050年代起組合梁在交通、冶金、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)(18

m，梁距1.8

m)；沈陽(yáng)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；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(lái)在北京、上海等城市的立交橋建設(shè)中，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(yáng)橋(主跨為代表的一批鋼一混鋼-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(guò)在混凝土頂板內(nèi)加設(shè)預(yù)應(yīng)力來(lái)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??；d）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1.65MPa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×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?9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5.8.2.1基本組合彎矩包絡(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?77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：18.7mm5.10.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?87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?91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)研究院（4）、石家莊市二環(huán)快速路提升工程上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（5）、沿海公路秦皇島至樂(lè)亭段高速公路河北省交通勘察設(shè)計(jì)研究院7綜合評(píng)價(jià)鋼-混組合梁橋是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)