鄂東大橋混合梁鋼_混凝土結(jié)合部研究與設(shè)計(jì)

1、第27卷 第12期2010年12月公 路 交 通 科 技Journal of H i gh w ay and T ranspo rtati on R esearch and D eve lop m entV o l 27 N o 12Dec . 2010文章編號(hào):1002-0268(2010 12-0078-08鄂東大橋混合梁鋼-混凝土結(jié)合部研究與設(shè)計(jì)劉明虎, 徐國(guó)平, 劉 峰(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100088摘要:為了解決混合梁斜拉橋鋼-混凝土結(jié)合部結(jié)構(gòu)構(gòu)造不合理產(chǎn)生的混凝土開(kāi)裂、鋼板與混凝土剝離、結(jié)構(gòu)性能差、耐久性不足等問(wèn)題, 改善鋼-混凝土結(jié)合部的結(jié)構(gòu)性能, 提高其耐久性

2、, 確保大橋整體設(shè)計(jì)使用壽命, 針對(duì)世界第二混合梁斜拉橋 主跨926m 的鄂東長(zhǎng)江公路大橋, 以理論分析、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)為手段, 研究了混合梁斜拉橋主梁鋼-混凝土結(jié)合部的合理位置確定、結(jié)構(gòu)形式選擇以及細(xì)部構(gòu)造等。結(jié)合部位置應(yīng)從受力合理、施工方便和造價(jià)經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面綜合確定。部分?jǐn)嗝孢B接承壓傳剪式 鋼格室+開(kāi)孔板連接件 的結(jié)構(gòu)構(gòu)造傳力平順、剛度過(guò)渡平穩(wěn)、構(gòu)造合理, 是混合梁結(jié)合部的合理結(jié)構(gòu)形式。關(guān)鍵詞:橋梁工程; 混合梁斜拉橋; 試驗(yàn); 鋼-混凝土結(jié)合部; 合理位置及結(jié)構(gòu)中圖分類(lèi)號(hào):U 448 21+6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy and Design of Stee-l concrete Jo

3、int Part of H ybrid G irder of Edong B ridgeLIU M i n ghu , XU Guop i n g , L IU Feng(CCCC H i ghway P l ann i ng and D esi gn Consu ltan ts Co . , L td . , Beiji ng 100088, Ch i naAbstr ac:t For solv i n g t h e proble m s caused by unreasonab le str ucture of stee-l concrete j o i n t part of hybr

4、i dg ir der cab le -stayed bri d ge , i n cluding concrete crack i n g , ex foliation bet w een steel and concrete , poo r structure perfor m ance and durability defic i e ncy , and for i m prov i n g the perfo r m ance and durability o f stee-l concrete j o int par, t ensuri n g the bri d ge desi g

5、 ned serv ice life , the rational positi o n o f stee-l concrete joint par, t the structure for m and the structure details of Edong Yang tze R i v erH i g hw ay B ri d ge , the wo rl d second longest hybrid g irder cable -stayed bridge w hich has 926m m a i n span, w ere stud ied by m eans of t h e

6、oretica l analysis , nu m er ical co m putation and m odel experi m ents . The rati o na l positi o n of stee-l concrete j o i n t part shou ld be deter m i n ed co m prehensively i n aspects o f streng t h ra ti o na lity , constrcution accessi b ility and eng i n eering cost opti m izati o n . The

7、 rational str ucture for m of stee-l concrete j o int part is partia l section connecti n g at stee l and concrete i n terfaces w ith pressure -resistant shear -transferred steel g ri d w ith perforated str i p connectors . Th is stee-l concrete jo i n t part has the advantages o f s m oo th force t

8、rans m ission ,stiffness transition w it h outdiscon ti n u ity and deta il structure rationality . Key wor ds :bri d ge eng i n eering ; hybri d g irder cable -stayed bridge ; exper i m en; t stee-l concrete j o i n t par; t rati o na l positi o n and str ucture 0 前言鄂東大橋位于湖北省黃石市與鄂州市交界區(qū)域,收稿日期:2010-0

9、2-09作者簡(jiǎn)介:劉明虎(1971-, 男, 湖北潛江人, 教授級(jí)高級(jí)工程師, 從事大跨橋梁設(shè)計(jì)及研究 (li um i nghu vi p si n a co m 是上海 成都和大慶 廣州高速公路跨越長(zhǎng)江的共用通道。按6車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)行車(chē)速度100k m /h, 橋面寬33 0m, 汽車(chē)荷載為公路- 級(jí); 通航凈高24 0m, 一跨跨過(guò)有效通航水域。主橋采用布跨為3 67 5+72 5+926+72 5+3 67 5=1476m 的9跨雙塔混合梁斜拉橋。主梁中跨采用鋼箱梁, 邊跨采用混凝土箱梁, 均采用分離式雙箱斷面(圖1、圖2, 梁高3 8m, 全寬38 0m 。整體受力影響很大,

10、合理的結(jié)合部位置能顯著改善整體結(jié)構(gòu)性能, 需綜合考慮跨徑布置、輔助墩設(shè)置、約束條件、斜拉索疲勞性能等因素的影響; 此外,為防止結(jié)合部混凝土開(kāi)裂, 其位置還應(yīng)選在主梁彎矩、剪力及應(yīng)力幅較小的位置。從結(jié)構(gòu)受力方面研究合理邊中跨比, 可以從理想成橋內(nèi)力狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行。文獻(xiàn)9根據(jù)斜拉橋主梁和索塔理想成橋狀態(tài)的要求, 對(duì)雙塔3跨混合梁斜拉橋的合理跨徑進(jìn)行了分析, 其采用的理想成橋狀態(tài)是:主梁恒載彎矩接近剛性支承連續(xù)梁, 索塔恒載彎矩接近于零。顯見(jiàn), 斜拉橋的主梁和索塔要達(dá)到這一理想成橋狀態(tài), 索塔兩側(cè)的主梁需處于一定的重量平衡狀態(tài)。根據(jù)理想成橋狀態(tài)的要求, 邊跨主梁最小總長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足:邊跨梁重平衡中跨

11、梁重, 即成橋狀態(tài)邊跨不出現(xiàn)負(fù)反力, 中跨滿(mǎn)布活載時(shí), 邊跨出現(xiàn)負(fù)反力; 邊跨主梁最大總長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足:邊跨梁重平衡中跨滿(mǎn)布活載時(shí)總重量, 這樣, 邊跨任何時(shí)候均不出現(xiàn)負(fù)反力。通過(guò)分析, 得到了與鋼混梁重之比、邊跨內(nèi)鋼混梁長(zhǎng)之比有關(guān)的混合梁斜拉橋合理邊中跨比例。對(duì)鄂東大橋, 對(duì)于初步確定的邊跨跨度, 邊跨必須全部采用混凝土梁即結(jié)合位置要伸入中跨才能滿(mǎn)足理想成橋狀態(tài)要求。但該文只考慮了鋼梁伸入邊跨的情形, 未考慮混凝土梁伸入中跨的情況, 且是根據(jù)雙塔3跨無(wú)輔助墩斜拉橋推導(dǎo)的, 如果在邊跨內(nèi)設(shè)置輔助墩, 則情況將會(huì)有較大不同?？梢赃M(jìn)一步推導(dǎo)伸入中跨和布置有輔助墩的情況, 以指導(dǎo)各種情形的設(shè)計(jì)。此外,

12、通過(guò)分析不同結(jié)合位置成橋恒載作用下主梁特別是邊跨混凝土梁的彎矩、運(yùn)營(yíng)階段汽車(chē)作用下主梁彎矩的大小及分布, 可以判斷不同結(jié)合位置的相對(duì)優(yōu)劣。鄂東大橋在方案研究階段, 對(duì)橋跨布置為(3 65+85+926+85+3 65 m 的方案研究了結(jié)合部設(shè)置在近塔輔助墩距離索塔80m 處、在中跨距離索塔12m 處和在中跨距離索塔92m 位置3個(gè)方案, 比較主梁在恒、活載作用下的內(nèi)力(混凝土梁未計(jì)預(yù)應(yīng)力 。在恒載作用下, 主梁彎矩(kN m 見(jiàn)圖3。可見(jiàn):在該橋跨布置下, 方案1恒載作用下主梁特別是混凝土梁的最大正、負(fù)彎矩均最小, 方案2最大, 方案3居中。在活載作用下, 不同方案的邊跨混凝土梁的彎矩相差較小

13、, 中跨鋼箱梁彎矩變化也不大。就中跨彎矩而言, 方案1、方案2、方案3的最大彎矩之比為:1 1 01 1 02。混合梁通過(guò)對(duì)兩種材料的合理利用, 在受力性能、跨越能力、經(jīng)濟(jì)性能等方面得到了很大改善,1在橋梁建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。目前已應(yīng)用2-8于斜拉橋、梁式橋、懸索橋及拱橋等結(jié)構(gòu)中。鋼-混凝土結(jié)合部是材料特性和結(jié)構(gòu)特性突變處, 是混合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和重要構(gòu)造, 其設(shè)計(jì)目標(biāo)是使鋼和混凝土結(jié)合牢固、可靠、耐久, 施工方便, 因此, 其設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:(1 應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、橋位環(huán)境、工程造價(jià)、施工、景觀等因素綜合確定結(jié)合部的位置及結(jié)構(gòu)形式;(2 應(yīng)連接可靠,能較順暢地傳遞截面各項(xiàng)內(nèi)力及變形

14、; (3 結(jié)合區(qū)域的剛度過(guò)渡應(yīng)均勻、平順; (4 構(gòu)造應(yīng)確保具有良好的抗開(kāi)裂性、抗疲勞性和耐久性; (5 應(yīng)避免應(yīng)力集中; (6 應(yīng)充分考慮方便施工和養(yǎng)護(hù)。鋼-混凝土結(jié)合部設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)包括:合理位置的確定; 構(gòu)造設(shè)計(jì)。(2 結(jié)構(gòu)方案的選擇;(1 其(3 細(xì)部1 鋼-混凝土結(jié)合部位置研究與確定結(jié)合部位置與全橋跨徑布置(合理邊中跨比 密不可分, 兩者幾乎是同時(shí)確定的。而混合梁斜拉橋跨徑布置首先必須是因地制宜的。鋼-混凝土結(jié)合位置一般應(yīng)從結(jié)構(gòu)受力性能、施工和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面來(lái)考慮。1 1 結(jié)構(gòu)受力結(jié)合部位置決定了重量及剛度差別很大的鋼梁與混凝土梁的長(zhǎng)度比例, 其對(duì)全橋結(jié)構(gòu)特別是主梁 圖3 成橋狀態(tài)主梁

15、彎矩比較F ig 3 Co m par ison of bend i n g mo m ents of m ain gird er under th e conditi on of co m ple ti on對(duì)結(jié)合部局部, 表1為各方案在活載作用下結(jié)合部位置鋼梁應(yīng)力及應(yīng)力幅。還可進(jìn)一步輸出結(jié)合位置主梁相對(duì)撓度及轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較, 分析不同位置的變形優(yōu)劣。結(jié)果表明:在索塔只承受軸力的情況下, 由于混凝土梁和鋼梁的重量、剛度相差很大, 改變結(jié)合部位置, 即改變主梁沿梁長(zhǎng)方向的重量、剛度分布, 對(duì)主梁恒載彎矩分布影響顯著; 而對(duì)主梁的軸力分布, 結(jié)合部位置變化影響很小。恒載作用下, 方案1最優(yōu)。結(jié)合部

16、位置對(duì)主梁活載彎矩和軸力包絡(luò)分布影響不大, 且數(shù)值較小。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代密索體系斜拉橋的豎向剛度基本均來(lái)自于其纜索體系, 在豎向荷載作用下, 其基本受力特性是斜拉索受拉、塔梁受壓為主, 塔梁自身的抗彎剛度作用很小。然而, 對(duì)于主梁不同的結(jié)合部位置, 結(jié)合部自身截面各內(nèi)力相差較大。從結(jié)合處鋼梁應(yīng)力及應(yīng)力幅看, 方案1較優(yōu)。從局部看, 在邊跨距離索塔約65m 位置, 主梁在活載作用下正負(fù)彎矩變化較小, 相應(yīng)的該處主梁應(yīng)力幅也較小, 比較適合設(shè)置結(jié)合部。表1 活載作用下鋼混結(jié)合位置鋼梁應(yīng)力(單位:MPa T ab 1 S tress of stee l gird er of stee-l con c

17、rete jointpart under live load (un it :M Pa位置M ax上緣M i n 應(yīng)力幅M ax下緣M i n 應(yīng)力幅方案112 3-24 636 98 7-18 427 1方案27 4-3 811 26 9-45 752 6方案36 6-20 226 815 2-27 843設(shè)條件及可實(shí)施性; 伸入中跨, 則應(yīng)考慮伸入的混凝土梁段應(yīng)仍可沿用邊跨的施工架設(shè)方法。對(duì)鄂東橋, 根據(jù)水文條件, 若結(jié)合面設(shè)在邊跨,則南岸邊跨鋼箱梁難以吊裝; 設(shè)在中跨, 若位置合適, 則鋼箱梁均方便吊裝。但若伸入過(guò)多, 則北岸若仍采用邊跨支架法施工, 則面臨在深水區(qū)搭設(shè)支架問(wèn)題, 工程量

18、大、施工經(jīng)濟(jì)性差、安全風(fēng)險(xiǎn)突出, 則結(jié)合位置宜設(shè)于利用承臺(tái)搭設(shè)膺架的最遠(yuǎn)范圍內(nèi), 約在20m 以?xún)?nèi)。1 3 經(jīng)濟(jì)性分析混凝土梁伸入中跨, 中跨鋼梁長(zhǎng)度可相應(yīng)減少, 有利于降低造價(jià); 但伸入過(guò)長(zhǎng)的混凝土梁若采用深水支架或轉(zhuǎn)換工藝進(jìn)行掛籃懸臂澆注施工, 則施工費(fèi)用相應(yīng)增加。對(duì)鄂東橋, 雖然方案3比方案2用鋼量少了, 但施工費(fèi)用相應(yīng)提高了, 總建安費(fèi)反而增加0 18億元, 且工期增長(zhǎng)5個(gè)月。因此, 從經(jīng)濟(jì)性考慮的最優(yōu)位置為利用承臺(tái)搭設(shè)膺架施工箱梁的最遠(yuǎn)位置。1 4 合理位置的確定鄂東大橋邊中跨之比為0 297, 較小。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析首先確定較合理的方案, 上述方案2是合適的, 并根據(jù)分析進(jìn)一步優(yōu)化

19、了邊跨布置。最后結(jié)合施工、經(jīng)濟(jì)性方面的綜合考慮, 確定結(jié)合部位于伸入中跨距索塔12 5m 處。2 鋼-混凝土結(jié)合部結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)2 1 結(jié)合部結(jié)構(gòu)形式研究與選擇2 1 1 結(jié)合部傳力的基本原理結(jié)合部承擔(dān)并傳遞軸力、彎矩和剪力(及扭矩 。對(duì)于承剪, 一般通過(guò)設(shè)置垂直于剪力方向的抗剪連接件來(lái)承擔(dān)。而承擔(dān)并傳遞軸力(彎矩轉(zhuǎn)換為軸力矩, 是混合結(jié)構(gòu)最突出的特征。截面?zhèn)鬟f壓力最直接的方式是承壓, 也可以將壓力轉(zhuǎn)換為剪力在混凝土內(nèi)傳遞, 當(dāng)然也可以是兩種形式的組合。一般情況下, 工程上以單一傳剪方式傳遞軸力的形式較少應(yīng)用, 因此, 根據(jù)傳力機(jī)理的不同將結(jié)合面?zhèn)鬟f壓力分為完全承壓和承壓傳剪兩種方式。對(duì)于有空

20、腔的箱形斷面, 根據(jù)是否是外綜合分析:對(duì)于上述橋跨布置, 方案1邊跨成橋主梁彎矩最小, 且距離輔助墩15m 左右處活載作用正負(fù)彎矩變化較小, 應(yīng)力幅也較小。若采用方案2, 則應(yīng)優(yōu)化邊跨橋跨布置, 使靠近索塔處的邊跨跨徑不宜過(guò)大。方案3綜合居中。對(duì)主梁恒載彎矩分布, 單采用彎矩極值并不能全面反映主梁的受力狀態(tài), 還可采用整個(gè)主梁的彎曲應(yīng)變能作為判別指標(biāo)進(jìn)行分析。1 2 施工分析混凝土梁伸入邊跨, 應(yīng)考慮邊跨鋼梁的吊裝架輪廓線(xiàn)內(nèi)全部面積結(jié)合還是僅對(duì)應(yīng)板件的部分面積結(jié)合又可分為全截面連接和部分截面連接。2 1 2 結(jié)合部連接形式與構(gòu)造文獻(xiàn)10從典型構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)結(jié)合部連接形式進(jìn)行了劃分, 但未抓住其傳力

21、的本質(zhì)。根據(jù)上述傳力基本原理, 對(duì)于箱形斷面的混合梁, 結(jié)合部典型連接形式可分為:全截面連接完全承壓式(圖4a :完全依靠承壓鋼板以承壓方式傳遞軸力, 在承壓鋼板的鋼梁側(cè)設(shè)置箱格結(jié)構(gòu)的加勁, 使承壓鋼板全斷面承壓。豎向剪力由連接于承壓鋼板的豎向抗剪連接件傳遞。全截面連接承壓傳剪式(圖4b:依靠承壓鋼板以承壓的方式和水平抗剪連接件以水平剪力的方式共同傳遞軸力。在鋼梁側(cè)整個(gè)箱梁斷面范圍外輪廓內(nèi)填充混凝土, 承壓鋼板厚度較小。豎向剪力由連接于承壓鋼板的豎向抗剪連接件傳遞。部分截面連接完全承壓式(圖4c:完全或?yàn)橹饕揽繉?duì)應(yīng)混凝土梁的頂板、底板、腹板斷面范圍的承壓板傳遞軸力。豎向剪力由連接于承壓鋼板的豎

22、向抗剪連接件傳遞。部分截面連接承壓傳剪式(圖4d:在鋼梁側(cè)對(duì)應(yīng)混凝土梁的頂板、底板、腹板斷面范圍的箱格內(nèi)填充混凝土, 依靠該范圍內(nèi)承壓鋼板以承壓的方式和水平抗剪連接件以水平剪力的方式共同傳遞軸力。豎向剪力由混凝土斷面和連接于承壓鋼板的豎向抗剪連接件傳遞。根據(jù)承壓板位置的不同又可分為前、后面承壓板式和后面承壓板式。2 1 3 分析與選擇結(jié)合部形式的優(yōu)劣可按以下幾方面進(jìn)行評(píng)定:結(jié)構(gòu)的合理性(全截面接合 部分截面接合; 力學(xué)的合理性(剛性突變 剛性漸變; 應(yīng)力傳遞(集中應(yīng)力 分散應(yīng)力; 制造及施工的方便性(復(fù)雜構(gòu)造 簡(jiǎn)單構(gòu)造 。研究表明:在混凝土箱梁構(gòu)造基礎(chǔ)上增設(shè)全截面的厚橫隔板對(duì)混凝土梁段的受力并

23、沒(méi)有體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì), 反而不利于結(jié)合面的受力, 箱體內(nèi)部拉應(yīng)力區(qū)域加大; 適當(dāng)減小截面尺寸, 有利于箱梁全截面受力。且全截面鋼箱梁構(gòu)造十分復(fù)雜, 制造困難, 可見(jiàn)部分截面連接優(yōu)于全截面連接。對(duì)于完全承壓式, 盡管可以做到截面剛度較好過(guò)渡, 但結(jié)合面是直接相接、互不咬合, 導(dǎo)致傳力突然, 缺乏在一定范圍內(nèi)的勻順過(guò)渡。而承壓傳剪式則:(1 鋼箱梁頂、底、腹板等通過(guò)一定范圍的 剛度過(guò)渡后延長(zhǎng)適當(dāng)長(zhǎng)度至混凝土梁對(duì)應(yīng)的頂、底、圖4 混合梁的鋼-混凝土連接形式Fig 4 S tee-l con crete joint style of hybrid gird er腹板內(nèi), 通過(guò)抗剪連接件與混凝土主梁體牢固結(jié)合

24、, 形成軸力的逐步擴(kuò)散傳遞; (2 通過(guò)端承壓板緊貼在混凝土對(duì)應(yīng)頂、底、腹板的端面上, 承擔(dān)部分軸力, 并通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力承擔(dān)部分彎矩, 做到承壓與傳剪的共同傳力; (3 在鋼箱梁頂、底、腹板的U 形加勁肋上加焊T ( 肋逐漸變高, 兩種梁體在剛度上的突變問(wèn)題經(jīng)由加勁肋逐漸變高形成剛度過(guò)渡而逐漸緩解; (4 梁中的剪力通過(guò)端面摩擦、承壓板上剪力釘及咬合范圍的鋼板共同傳遞。因此承壓傳剪式優(yōu)于完全承壓式。綜合而言, 全截面連接完全承壓式連接處應(yīng)力較小, 但不勻順, 且構(gòu)造復(fù)雜; 全截面連接承壓傳剪式承壓板的應(yīng)力分布更加均勻, 相互咬合范圍內(nèi)的應(yīng)力更順暢, 但構(gòu)造較復(fù)雜, 施工操作較困難; 部分截面連

25、接完全承壓式應(yīng)力傳遞直接, 但需要較厚的承壓鋼板, 截面的剛度變化比較劇烈; 部分截面連接承壓傳剪式咬合連接牢靠, 剛度過(guò)渡均勻, 應(yīng)力擴(kuò)散好, 構(gòu)造相對(duì)也較復(fù)雜, 但對(duì)于截面尺寸較大的箱梁, 因?yàn)榭臻g較大, 鋼梁制作和混凝土澆注均不存在問(wèn)題, 完全可保證施工質(zhì)量。經(jīng)上述研究, 鄂東橋采用了部分截面連接承壓傳剪式(圖5, 以期解決國(guó)內(nèi)類(lèi)似橋梁目前普遍存在的結(jié)合部開(kāi)裂問(wèn)題。2 2 結(jié)合部構(gòu)造研究與設(shè)計(jì)2 2 1 鄂東大橋結(jié)合部總體構(gòu)造主梁鋼-混凝土結(jié)合部采用了 鋼格室+開(kāi)孔板連接件 的部分截面連接承壓傳剪的總體結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合范圍總長(zhǎng)8 5m :其中鋼與混凝土互相咬合段2m, 鋼箱梁過(guò)渡段3 5m

26、, 混凝土梁過(guò)渡段3m 。接合面鋼箱梁側(cè)過(guò)渡段采用帶變高度T 形加勁的U 肋進(jìn)行剛度過(guò)渡; 結(jié)合面混凝土梁側(cè)的過(guò)渡段采用變化頂、底、腹板的厚度進(jìn)行剛度過(guò)渡; 鋼與混凝土咬合段采用多格室構(gòu)造, 并在格室內(nèi)澆注混凝土, 通過(guò)后承壓板、剪力鍵、格室鋼板與混凝土的粘結(jié)力傳遞主梁內(nèi)力。鋼-混凝土結(jié)合部縱、橫斷面見(jiàn)圖5、圖6 。渡到混凝土的低應(yīng)力狀態(tài)。2 2 3 鋼格室構(gòu)造鋼格室是鋼-混凝土相互咬合的關(guān)鍵部位, 可采用圖7的構(gòu)造。鋼格室高度和寬度應(yīng)綜合考慮內(nèi)部混凝土應(yīng)力分散所需的必要面積、格室內(nèi)焊接空間、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉及錨固作業(yè)空間、澆注混凝土的方便性及構(gòu)件加工制作可行性等因素確定, 寬度還要滿(mǎn)足鋼結(jié)構(gòu)的

27、最大寬厚比B /t3E s /f y 的要求, 一般情況高度可采用600800mm , 寬度可采用8001200mm 。鋼格室長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定, 以需要的剪力鍵個(gè)數(shù)、剪力分配的合理性并綜合考慮施工因素而確定, 根據(jù)研究, 一般可取高度的23倍。圖7 鋼格室構(gòu)造F ig 7Stru cture of steel grid根據(jù)研究, 鄂東大橋鋼-混凝土結(jié)合部在頂、2 2 2 采用開(kāi)孔板抗剪連接件傳剪開(kāi)孔板連接件(又稱(chēng)PBL 鍵11底板及腹板上均設(shè)置鋼格室, 鋼格室順橋向長(zhǎng)2000mm 、高800mm 、寬1200mm 。是指在鋼板適鋼格室腹板上的抗剪連接件是傳遞主梁軸力的最主要構(gòu)件, 為此, 在

28、腹板上開(kāi)設(shè)圓孔并貫穿鋼筋形成開(kāi)孔板連接件, 以取代傳統(tǒng)的剪力釘, 這是國(guó)內(nèi)首次將開(kāi)孔板連接件應(yīng)用于混合梁斜拉橋的結(jié)合部, 連接件個(gè)數(shù)根據(jù)承載力計(jì)算確定。同時(shí)為使混凝土與鋼格室更緊密地結(jié)合, 保證施工和運(yùn)營(yíng)階段的連接可靠性, 在鋼格室與混凝土相貼的頂板、底板和承壓板均設(shè)置了剪力釘, 頂、底板上的剪力釘主要考慮其防鋼板剝離的作用, 承壓板上的剪力釘則起豎向抗剪作用。采用鋼格室構(gòu)造還可使孔洞中的混凝土處于三向受力狀態(tài), 提高了剪力鍵的強(qiáng)度。采用開(kāi)孔板連接件和剪力釘相結(jié)合的方式在工藝上當(dāng)位置開(kāi)設(shè)圓孔, 將混凝土澆入圓孔中形成混凝土榫, 以此承擔(dān)鋼與混凝土間的作用力的新型連接件。國(guó)內(nèi)外多次剪力鍵的推出試

29、驗(yàn)研究表明, 與傳統(tǒng)的抗剪焊接銷(xiāo)釘相比, 開(kāi)孔板連接件具有承載能力高、延性好、抗疲勞性能好、方便施工、同時(shí)可以起到對(duì)板件的加勁作用、造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此, 在鋼-混凝土結(jié)合部采用開(kāi)孔板連接件, 將較大幅度改善結(jié)合部的力學(xué)性能, 將鋼截面上的巨大軸力及彎矩荷載分配到混凝土中去, 使鋼截面應(yīng)力得到很好分散, 從鋼結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力狀態(tài)順利過(guò)11-12第 12期 劉明 虎, 等: 鄂東大橋 混合梁鋼 - 混凝土結(jié)合部研究與設(shè)計(jì) 83 避免了繁瑣的工序, 簡(jiǎn)化了構(gòu)造, 具有更 強(qiáng)的可操 作性與可靠性。 開(kāi)孔板厚度應(yīng)以抗剪連接件破壞時(shí), 孔中混凝 土不發(fā)生割裂破壞為準(zhǔn), 一般可取 16 25mm。孔中

30、 心距以抗剪連接件破壞時(shí), 孔間鋼板不發(fā) 生破壞為 準(zhǔn), 一般可取 220 250mm?？讖綉?yīng)確?；炷凉橇?能夠進(jìn)入孔洞, 一般可取 55 80mm。孔距鋼板邊緣 的凈距宜不小于孔中心距的一半。開(kāi)孔板 中鋼筋直 徑一般采用 20 25mm。鋼筋長(zhǎng)度宜大于其錨固長(zhǎng) 度, 也可沿孔洞方向通長(zhǎng)布置。承壓鋼板 厚度應(yīng)根 據(jù)受力計(jì)算確定, 承壓傳剪式連接的承壓 鋼板相對(duì) 較薄, 通常采用 22 36 mm。 根據(jù) 研 究, 鄂 東 大 橋 鋼 格 室 開(kāi) 孔 板 厚 度 取 25 mm, 孔間距取 225 mm, 孔徑 60 mm, 并穿 過(guò) 20 mm HRB335鋼筋。承壓板厚度取 25 mm。

31、為保證混 凝土澆 注時(shí)在 箱體內(nèi) 能夠自 由流動(dòng), 在鋼格 室頂板上 開(kāi)設(shè)澆注 孔, 隔板 上設(shè)置 連通孔; 為保證鋼格室角點(diǎn)混凝土密實(shí), 在上角點(diǎn) 及適當(dāng)位 置設(shè)置出氣孔, 在下角點(diǎn)預(yù)留壓漿孔; 為 確保連接 的可靠性, 鋼格室箱體內(nèi)側(cè)鋼板設(shè)穿孔鋼 筋及搭焊 鋼筋與混凝土梁內(nèi)鋼筋連成整體。 2 2 4 T 形加勁構(gòu)造 研究表明: 影響結(jié)合部整體剛度的敏 感因素是 鋼箱梁的剛度變化。為了保證鋼 - 混凝土 結(jié)合部傳 力平順、剛度過(guò)渡合理, 鋼箱梁加強(qiáng) 段可采用在 U 肋中間加設(shè) T 形或 形加勁肋的方式 (圖 8 、圖 9 。 T 形肋一般伸入 U 肋內(nèi)部, 形肋一般焊接在 U 肋 面板上。根

32、據(jù)研究, 高度變化坡度角 宜小于 15 。 T 形肋板厚一般采用 16 25 mm, 形肋板厚一般采 用 8 12mm。 形加勁肋高度在長(zhǎng)度范圍內(nèi)從 360 mm 至 800 mm 漸 變。根據(jù)局部應(yīng)力分 析, T 形加勁端部的 U 肋面板 存在應(yīng)力集中, 故進(jìn)一步對(duì) T 形加勁肋端部翼緣板 采取了變寬的措施來(lái)漸變剛度的措施。 2 2 5 預(yù)應(yīng)力布設(shè) 應(yīng)根據(jù)主梁結(jié)合部斷面受力情況確定是 否設(shè)置 預(yù)應(yīng)力, 以使在運(yùn)營(yíng)階段各工況下鋼 - 混凝 土結(jié)合 部均處于全截面受壓狀態(tài)。鄂東大橋設(shè)置了 預(yù)應(yīng)力 構(gòu)造, 鋼 - 混凝土結(jié)合部腹板鋼束采用連接器與混凝 土箱梁腹板鋼束相連, 錨固于結(jié) 合部鋼格室鋼箱

33、梁 側(cè)。頂?shù)装邃撌烊牖炷料淞簜?cè)一定長(zhǎng)度后錨固。 2 3 結(jié)合部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析 2 3 1 計(jì)算內(nèi)容和原則 結(jié)合部是邊界 條件、空間尺度、構(gòu)造組成、材 料等都非常復(fù)雜的主梁局部構(gòu)件。兩種材料的粘結(jié)、 界面接觸關(guān)系、剪力鍵剪切剛度及非線(xiàn)性行 為等都 決定其受力是十分復(fù)雜而難以精確計(jì)算的。通常首 先采取常規(guī)方法對(duì)截面 內(nèi)力在頂、底、腹板 的分配 進(jìn)行計(jì)算, 然后根據(jù)試驗(yàn)獲得的單個(gè)抗剪連 接件的 極限承載力公式初步計(jì)算確定連接件的個(gè)數(shù)和分布, 在此基礎(chǔ)上, 建立空間模型進(jìn)行有限元分析 13 。 一般情況 下, 應(yīng)進(jìn)行結(jié)合部的節(jié)段模型 和局部 模型的受力計(jì)算分析。空間模型節(jié)段計(jì)算用 以分析 結(jié)合部總體

34、在各種荷載組合作用下的傳力機(jī)理、應(yīng) 力分布及大小, 為局部靜力計(jì)算提取荷載及 邊界條 件。空間模型局部計(jì)算用以分析結(jié)合部各部 構(gòu)件的 承載分擔(dān)比例、應(yīng)力分布及大小, 以合理設(shè) 計(jì)承壓 板和連接件。 應(yīng)通過(guò)全橋總體計(jì)算得出最不利作用組合下軸力 最大、彎矩最大、剪力最大對(duì)應(yīng)的內(nèi)力組合, 分別進(jìn) 行結(jié)合部的節(jié)段模型和局部模型的受力計(jì)算分析。 2 3 2 鄂東大橋結(jié)合部計(jì)算 依照以下步驟進(jìn)行了精細(xì)化分析: ( 1 在全橋 總體模型靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上, 建立真實(shí)模擬鋼 - 混 凝土結(jié)合部構(gòu)造及受力特性的三維節(jié)段模型 進(jìn)行計(jì) 算。 ( 2 建立單個(gè)鋼格室三維局部模型進(jìn)行計(jì)算。 ( 3 在局部模型計(jì)算的基礎(chǔ)上

35、, 進(jìn)行單個(gè) PBL 剪力 鍵的極限承載力驗(yàn)算。 前兩項(xiàng)計(jì)算均采用 ANSYS軟件。為消除邊界條 件的影響, 節(jié)段模型 ( 圖 10a 范圍為鋼箱梁 側(cè)取 鋼箱梁加強(qiáng) 段以外 5個(gè) 橫隔板長(zhǎng)度的 鋼箱梁節(jié)段, 混凝土梁側(cè)取鋼格室外長(zhǎng)度為 6 m 的混 凝土 梁段。 梁段混凝 土采 用 SOL ID65 單元, 鋼 箱梁 及鋼 格室 鄂東大橋采用 T 形加勁肋, 長(zhǎng)度為 3 05 m。 T 采用 SH ELL 63單元, 普通鋼筋 采用彌 散鋼筋 進(jìn)行 84 公 路 交 通 科 技 第 27卷 模擬, 預(yù) 應(yīng)力采用集中力模擬, 模型共計(jì) 320 000 個(gè)單 元, 節(jié) 點(diǎn)逾 130 000 個(gè)

36、。一 個(gè)鋼 格 室 局部 模 型如圖 10b所示。 設(shè)計(jì)最不利工況下的荷 載效應(yīng)。試驗(yàn)表明: 本橋的 鋼 - 混凝土結(jié)合部具有較大的安全儲(chǔ)備, 應(yīng) 力和剛 度過(guò)渡較為平順; 測(cè)算結(jié)合部頂板格室后承 壓板軸 力分擔(dān)比例約為 45 , 底板格室后承壓板軸力分擔(dān) % 比例約為 50 , 其余大部分由鋼格室開(kāi)孔腹板承擔(dān), % 內(nèi)力分擔(dān)比例與計(jì)算分析基本一致; PBL 鍵和剪力釘 的布置合理, 荷載作用下鋼與混凝土結(jié)合面相對(duì)滑移量 很小, 兩種材料近乎完全結(jié)合共同承擔(dān)作用力。 圖 10 受力分析計(jì)算模型 F ig 10 Ca lcu lation m ode l for m echan ical ana

37、 lysis 節(jié)段模型分析表明, 最不利組合下混凝土主壓應(yīng)力 小于 21 2MPa 主拉應(yīng)力小于 2 77 MPa 鋼構(gòu)件 Von , , M ises應(yīng)力均小于容許值 231M Pa 滿(mǎn)足規(guī)范要求。 , 局部模型分析表明, 格室鋼板內(nèi)力的 傳遞是不 均勻的, 呈兩端大中間小的趨勢(shì), 其中以 承壓板傳 遞的軸力最多, 視承壓板的厚度不同, 傳 遞軸力占 總軸力的 33 38% 之間變化。 PBL 鍵所傳遞的力 % 也是不均勻的, 第一排傳遞的力最多, 之 后逐漸遞 減, 至最后兩排又有所增加。根據(jù) L eonhardt教授給 出的 PBL 鍵承載力計(jì)算公式, 不計(jì)鋼筋作用時(shí), 一 個(gè) PBL

38、鍵可承擔(dān)約 55 2 kN 的剪力; 考慮 鋼筋作用 時(shí), 一個(gè) PBL 鍵可承擔(dān)約 152 5 k 的剪力, 先擬定 N 一個(gè)鋼格室腹板的 PBL 鍵為 20個(gè)。分析結(jié)果表明, 混凝土主壓應(yīng)力均不超出 21 2 MP a 、主拉應(yīng)力不超 過(guò) 2 77MP a PBL 鍵鋼筋最大 V onM ises應(yīng)力為 30 8 ; M P a 鋼格室 外壁 最大 Von M ises應(yīng) 力為 162 MP a ; , 均滿(mǎn)足規(guī)范要求。通過(guò)優(yōu)化分析, 確定一 個(gè)鋼格室 腹板的 PBL 鍵為 18個(gè)。單個(gè)格室內(nèi)力分布為: 格室 腹 板 ( 含 PBL 鍵 承 擔(dān) 32 5 , 頂 底 板 承 擔(dān) % 15

39、6 , 后承壓板承擔(dān) 51 9 。 % % 3 鋼 -混凝土結(jié)合部試驗(yàn)研究與構(gòu)造優(yōu)化 鑒于工程實(shí) 踐尚少, 在有 限元分 析的 基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究和驗(yàn)證, 目前被認(rèn)為對(duì) 重大橋梁工程設(shè)計(jì)及其施工都是必不可少的重要環(huán)節(jié)。 針對(duì)鄂東大橋主跨跨度大, 主梁為分離雙箱斷面, 并且 鋼 - 混凝土結(jié)合部采用新型構(gòu)造等特點(diǎn), 在鋼 - 混凝土 結(jié)合部正式施工前, 進(jìn)行了以下兩種試驗(yàn)。 3 1 節(jié)段梁縮尺模型試驗(yàn) 選取主橋塔根部至中跨 1號(hào)索之間約 22 m 長(zhǎng)的 梁段, 制作了 1 2半 幅縮尺 模型試 件, 如 圖 11 所 示。采用幾何、物理及邊界條件相似進(jìn)行試件設(shè)計(jì), 各細(xì)節(jié)構(gòu)造模

40、擬實(shí)橋。逐級(jí)施加荷載直至 1 4 倍的 Fig 12 圖 12 足 尺澆注工藝試驗(yàn)切剖面 Section of Spec i en for fu ll scale casting process test m 圖 11 節(jié)段縮尺模型試驗(yàn)試件 Fig 11 Spec i en s for segm en tary reduced scale model test m 3 2 鋼格室足尺澆注工藝試驗(yàn) 選取鋼 - 混凝土結(jié)合部頂板 3個(gè)鋼格室 組成一 個(gè)試驗(yàn)單元, 進(jìn)行了 4組足尺澆注試驗(yàn)。 為了增強(qiáng) 鋼格室內(nèi)填充混凝土的抗裂性, 鋼格 室內(nèi)填混凝土分別采用大流態(tài)微膨脹聚丙烯 纖維混 凝土和高性能自

41、密實(shí)鋼纖維混凝土進(jìn)行澆注 對(duì)比試 驗(yàn)。試驗(yàn)表明: ( 1 增加纖維材料后混凝土的工作性能有所下 降, 但均能在保證強(qiáng)度的前提下, 滿(mǎn)足密實(shí) 填充鋼 格室的要求。 ( 2 格室鋼底板、承壓板、腹板與混凝 土連接 很好 ( 圖 12, 但頂板與混凝土之間存在較多氣泡, 連接較差, 設(shè)計(jì)進(jìn)一步對(duì)頂板排氣孔的數(shù)量 和位置 進(jìn)行了增加和優(yōu)化。盡管如此, 該問(wèn)題仍是 需進(jìn)一 第 12期 劉明 虎, 等: 鄂東大橋 混合梁鋼 - 混凝土結(jié)合部研究與設(shè)計(jì) 85 步研究解決的技術(shù)問(wèn)題。 4 結(jié)語(yǔ) 鋼 - 混凝土結(jié)合部的設(shè)計(jì)是混合梁斜拉橋的關(guān)鍵技 術(shù)之一, 鋼 - 混凝土結(jié)合部位置、類(lèi)型的選擇及細(xì)部構(gòu) 造的設(shè)計(jì)直

42、接影響到橋梁的安全性和耐久性。 ( 1 鋼 - 混凝土結(jié)合部的位置應(yīng)綜合受力合理、 施工方便和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等方面研究確定; 根 據(jù)橋位實(shí) 際情況, 合理確定混凝土梁和鋼梁的長(zhǎng)度比例。 ( 2 鋼 - 混凝土結(jié)合部形式的選擇應(yīng)根據(jù)傳力 平順、剛度過(guò)渡平穩(wěn)、構(gòu)造合理的 原則進(jìn)行, 全面 考察 結(jié)合段的連接 形式對(duì)各組成 構(gòu)件的內(nèi)力分配、 局部應(yīng)力、變形協(xié)調(diào)等方面的影響。 ( 3 設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行鋼 - 混凝土結(jié)合部節(jié)段模型 和局部模型的受力計(jì)算分析, 并在此基礎(chǔ) 上進(jìn)行單 個(gè)抗剪連接件的驗(yàn)算。 ( 4 在缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí), 宜開(kāi)展鋼 - 混凝土結(jié)合 部縮尺整體模型試驗(yàn)或足尺局部模型試驗(yàn)研究, 對(duì)需 要保證鋼

43、板與混凝土間接觸率的部位或構(gòu)造還宜開(kāi)展 混凝土澆注工藝試驗(yàn)研究, 以研究成果指導(dǎo)設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn): R eferences : 1 陳開(kāi)利, 余天慶, 習(xí)剛. 混合梁 斜拉橋 的發(fā)展 與展望 J. 橋梁建設(shè), 2005 ( 02: 1- 4. CHEN K a il,i YU T ianqing X I G an. , D eve lopm ent and 11 P rospec tive of H ybrid G irder Cab le -stayed Br idg e J . B ridge Construction, 2005 ( 02: 1- 4. 2 M ASASH I Y, TO

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