Word版可编辑-山区钢混组合结构桥梁设计及施工关键技术研究精心整理.docx

山区钢混组合结构桥梁设计及施工关键技术研究随着我省公路逐步向盆地边缘及山区延伸，山区特有的地形地质对桥梁结构的设计及施工提出了更高要求。四川多数地区山高谷深，地形起伏特别大，山势险峻，桥梁常需跨越河谷陡坡，运输条件极为恶劣，施工场地奇缺，给桥梁建设带来了诸多困难。同时我国西部的川滇广大地区，均为高烈度的地震区，地震灾害频繁，山区桥梁的抗震要求客观上要求桥梁结构向轻型化发展。再者山区公路受地形及线路指标的限制，高墩、小半径曲线桥梁所占比例较大，传统的预制桥梁结构在受力及施工中多有不便，对桥梁的施工技术提出了更高的要求。钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震影响, 减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省高空支模工序和模板，缩短施工周期，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构的抗火性和耐久性等。近年来钢-混凝土组合结构在我国的应用实践表明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，将成为结构体系的重要发展方向之一。(一)适用于山区的钢混组合结构桥梁设计研究对于大跨径桥梁，采用悬臂浇注箱梁无疑是一种优选桥型。在大跨径桥梁中，预应力混凝土箱形截面由于其抗弯和抗扭刚度大，结构稳定，因而得到了广泛的应用。但随着跨径的增大，梁的自重占整个荷载的比重也越来越高，施加的预应力大部分都是为抵抗自重所产生的内力，因此减轻梁的自重也显得越来越有实际意义。箱形截面的顶板、底板是根据抗弯要求设计的，优化其厚度的余地很小。对混凝土腹板来说， 腹板中要布置纵向预应力钢束、普通钢筋，再考虑到施工方面的影响，其厚度所占的重量可达整个截面重量的3 0 4 0 ，且减少的幅度也已很少了。对箱形结构来说，但由于钢与混凝土的变形量相差较大， 钢桁架对箱梁顶、底板混凝土沿桥轴向的变形产生较大的约束，从而造成预应力损失严重。对于中等跨径桥，常采用预制拼装多梁式T 梁或小箱梁。但对于弯曲程度较大的曲线桥来讲，由于超高、加宽及曲线内外侧较大悬弧差的影响，在受力和施工上都不尽如人意。目前仅在曲率半径大于等于250 m 的曲线桥上采用了T 梁直梁设计。对于小半径、低墩的曲线梁桥一般采用抗扭能力好的箱形结构，采用支架现浇或顶推施工，但对于小半径、高墩的曲线桥，由于受地形限制，采用箱形结构比较困难，则应尽可能采用轻型、易施工的结构形式。1、 I形组合钢板梁钢-混凝土组合梁桥是从欧洲开始发展起来的，它由多块钢构件在工地拼接而成，同时通过合理分段及拼接，吊装重量大大减轻。工地拼接减小了采用钢箱梁所需要的运输要求，吊装重量的减轻使其能够大为适应山区不便的起吊条件，同时混凝土桥面板得以在钢板梁焊接完成后进行无模板浇注，大大较小了陡坡地段支架架设的困难及风险。常见的钢-混凝土组合梁桥是通过使用连接件把钢板梁与混凝土桥面板加以组合, 抗弯刚度能够大幅度提高, 减小梁高, 增大跨径。钢板梁通常是用3块钢板焊接成截面为I形的钢梁, 沿着桥梁纵向设置, 作为主梁承担由桥面板传来的交通荷载。主梁I形钢具有很大的面内抗弯及抗剪强度, 但面外刚度比较小, 通常要将2根以上的I形钢并排设置, 并用横梁、水平及竖向横撑等辅助构件连接成一体, 共同承担竖、横向荷载。由于腹板比较薄、容易发生局部屈曲, 往往要在腹板的纵横向焊接加劲肋, 还要在支座处焊接端部加劲肋。图1为康定绕城项目上一座跨越陡坡路段的小半径连续钢板梁桥的断面布置形式：组合梁桥采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等结构构件与钢筋混凝土桥面板结合成整体,钢筋混凝土桥面板不仅直接承受车轮荷载起到桥面板的作用, 而且作为主梁的上翼板与钢梁形成组合截面, 参与主梁共同作用。图2为钢筋混凝土桥面板的形式。图1 小半径连续钢板梁桥的断面布置图2 钢板梁钢筋混凝土桥面板根据组合断面参与共同受力的主要荷载不同,组合钢板梁可以分为活载组合梁与恒载组合梁2 种形式。活载组合梁在钢梁架设与钢筋混凝土桥面板施工时, 可以不设置中间支架或临时墩, 施工时的钢梁自重、桥面施工荷载以及混凝土桥面板自重等一期恒载仅由钢梁承担, 钢筋混凝土桥面板不参与共同工作。混凝土达到设计强度后, 钢筋混凝土桥面板才作为主梁的上翼板与钢梁形成组合梁截面, 参与主梁共同工作。桥面铺装、栏杆、人行道、过桥管道等二期恒载和活载作用时, 混凝土板参与主梁共同作用。恒载组合梁在钢梁架设与钢筋混凝土桥面板施工时，设置中间支架或临时墩，施工时的钢梁自重、桥面施工荷载以及混凝土板自重由中间支架或临时墩承担，钢梁为无应力状态。混凝土达到设计强度后，撤去中间支架或临时墩，钢筋混凝土桥面板才作为主梁的上翼板与钢梁形成组合梁截面。因此，在一期恒载、二期恒载和活载作用下，混凝土板参与主梁共同作用, 均按组合截面计算。活载组合梁的混凝土徐变、收缩影响小, 施工时无需设置中间支架和临时墩, 对桥下通航或通车影响很小, 应用较为广泛。拟开展的研究工作：(1) 钢板梁桥合理截面形式的研究钢板梁桥作为最基本的桥梁结构形式，在国外取得了的许多研究成果、工程经验和甚至标准设计图可供我们参考和借鉴。但是，国外的道路结构和荷载与我国情况有所不同，国外的经验参数和标准设计图不能完全适合于我国的公路桥梁情况。根据我国道路结构和公路荷载特点，对简支钢板梁桥的横断面布置(主梁间距)、主梁截面形式、合理主梁高度、主梁刚度进行分析研究，为工程设计和我国钢桥规范的修订提供参考。(2) 钢板梁桥面板结构形式的研究组合钢板梁, 一般由钢筋混凝土桥面板、抗剪连接件和钢梁三部分组成。抗剪连接件是钢筋混凝土桥面板和钢梁之间的纽带, 承受两者之间的纵向剪力和掀起力, 目前设计中常采用栓钉连接件(图3，武侯立交的桥面板栓钉连接件)，近些年开孔板连接件(Perfobond Strip Shear Connectors)(图4，草金立交桥面板的PBL连接件)开始在组合结构桥梁中得到逐步应用。 图3 栓钉连接件(武侯立交) 图4 PBL连接件(草金立交)栓钉连接件是一种柔性剪力键，抗剪刚度相对较小，滑移量较大，疲劳特征较明显。PBL连接件是一种刚性剪力键，抗剪刚度相对较大，且具有施工方便，具有良好的耐疲劳性能，但目前关于PBL剪力键剪力传递特征的研究很少，由于其为刚性连接件，在加载端得PBL连接件承担了较多荷载，造成了较大的剪力分布不均匀，因此值得进一步进行研究。2、 波形钢腹板组合箱梁随着桥梁跨度的增加，减轻上部结构的自重便成为首要问题。预应力混凝土箱梁不仅需要腹板来承受剪力，而且需要在腹板中布置预应力钢筋并进行纵向预应力筋的转向，腹板面积高达总截面面积的 2530。波形钢腹板 PC 组合箱梁是一种新型的钢混凝土组合结构，这种结构以波形钢板代替混凝土作为箱梁的腹板，并采用了箱内体外预应力技术，实现了主梁的轻型化，进而减轻了下部结构的工程量，而且由于波形钢腹板具有褶皱效应，使得顶板、底板混凝土因徐变、干燥收缩产生的变形不受约束，从而提高了预应力的效率。有关资料表明，与同跨度的高强预应力混凝土桥相比，波形钢腹板预应力组合箱梁桥可节约成本约 30。波形钢腹板预应力组合箱梁桥将钢、混凝土结合起来，提高了结构的稳定性、强度及材料的使用效率，是一种值得推广的新型桥梁结构形式。波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁混凝土腹板做成的箱梁桥，简称为波形钢腹板PC 箱梁桥，其构造示意图如图5。其显著特点是用厚度为1020mm 左右的钢板取代了厚度为3080cm 的混凝土腹板，鉴于顶底板预应力束放置空间有限，而应用体外索来代替部分或全部体内索，则是波形钢腹板PC箱梁桥的第二个特点。图5 波形钢腹板PC箱梁波形钢腹板PC 箱梁桥源于法国，近年来在日本得到了广泛的应用，目前已建成的波形钢腹板PC 箱梁桥总数已超过130 座。我国对波形钢腹板箱梁桥的研究还处于初级阶段，先后有交通部交通科研设计院、西南交通大学、东南大学、重庆交通大学等单位对该组合箱梁桥的钢腹板屈曲强度、方案设计、桥面板有效宽度、剪力连接键等做过研究。到目前为止，国内只修建了6 座波形钢腹板PC 箱梁桥，分别是青海三道河桥（50m 跨单箱双室箱梁），江苏淮安的长征桥(18.5m+30.5m 十18.5m 的3 跨连续梁，人行桥)，河南信阳的泼河大桥(4 跨30 米先简支后连续梁小箱梁，公路桥)，重庆市永川的大堰河桥(25m 简支箱梁，公路桥)及山东东营的两座人行桥。正在施工的有山东鄄城黄河公路大桥（70m+11120m+70m 连续梁)及已完成施工图设计的深圳市南坪快速路二期工程的南山大桥（80m+130m+80m 连续梁）、正在设计中的有南京长江四桥引桥（50m+90m+50m 连续梁）。拟开展的研究工作：(1) 波形钢腹板箱梁的接合部研究波形钢腹板PC 箱梁桥的接合部主要有以下4处: 波形钢腹板之间的接合部、波形钢腹板与混凝土顶底板之间的接合部、波形钢腹板与横隔梁板之间的接合部以及波形钢腹板与内衬混凝土之间的接合部。由于受到工厂预制、运输以及施工等方面的制约, 波形钢板在纵桥向上需要被切割成块, 然后才运到现场进行拼装。目前采用的波形钢腹板之间的连接方式有焊接和高强螺栓连接两种。在波形钢腹板PC组合箱梁桥结构设计中，波形钢腹板与混凝土间一般采用抗剪连接件的形式连接。连接是设计的关键环节，它直接关系到整个组合梁的承载能力。结合部的设计必须考虑到钢材和混凝土材料两者之间发生的纵向水平剪力能否得到有效控制，并要有效地控制钢腹板和混凝土材料之间的水平剪切力，以确保桥梁运营时，2种不同材料之间不产生相对位移，因此需要合理地设计抗剪连接件。波形钢腹板与横隔梁板之间的连接也是较为重要的接合部位, 因为它要确保波形钢腹板所受到的剪力能有效地传递给下部结构。两者之间的连接方式与波形钢腹板跟混凝土翼缘板的连接形式基本一样, 只不过该接合部是用来传递竖向剪力, 因而其连接件是与波形钢腹板竖向边相接合的。(2)波形钢腹板箱梁桥体外索参数及锚固研究国内外相当数量的工程实践表明，体外预应力组合粱桥是经济、高效、耐久而又简便的新型桥梁，在大中跨度桥梁中，其综合经济效益比普通桥梁节约1020，具有很强的竞争能力。预应力组合梁中存在的预应力，引起组合梁的偏心受压，产生初始剪切滑移现象，对于连续组合梁初始滑移现象更为复杂，预应力组合连续梁正、负弯矩区交界面相对滑移相差较大。在考虑剪切滑移效应、负弯矩区混凝土开裂、局部与整体稳定等综合因素影响时，结构经历弹性、弹塑性、直至破坏全过程的受力性能的试验研究有待深入。对于体外预应力组合结构中预应力的控制应力的确定、预应力损失的计算以及预应力效应和设计理念，目前大都与普通预戍力混凝土的思想相同，体外预应力混凝土结构的分析模型都是通过试验统计结果来进行计算，从大量的数据回归如何过渡剑机理的分析?而且体外预应力组合结构、体外预应力钢结构与体外预应力混凝七结构并非完全一致的，有必要对这方面的问题进行深入研究。波形钢腹板的体外预应力混凝土箱梁桥基本的预应力配筋原则是:采用体内预应力及体外预应力的混合配筋形式,自重、施工荷载及二期恒载等永久荷载由体内预应力承受,车辆等可变荷载由体外预应力承受.这样,在将来更换体外预应力钢束时,中断交通后可保证施工安全。如果考虑到换索时部分保持交通,如让小车通行,体内预应力将还应承受部分车辆活载.配筋形式主要为:在箱梁受拉区的混凝土底板或顶板内配置体内有粘结的预应力筋,在两钢腹板内侧配置立面为折线形的体外预应力索.两端锚固于端横隔板上,中间转向点处设置转向块或转向横隔板。体外预应力是将预应力束布置在梁截面外部，通过端部锚固构造和转向块传递预加力的结构。其特点是体外束只在锚块和转向块处与结构相连，体外束完