大跨度钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因及可行性分析

1、大跨度钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因及可行性分析1钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因原桥梁大跨均设计为钢箱梁桥，钢箱梁的桥面铺装层厚度为7cm有轨电车轨道安装需求桥面铺装层厚度为 25cm且铺装层与钢箱梁之间无层间传力构件， 不能协调变形或造成面层脱落显现。钢桥面与铺装之间刚度悬殊太大，二者变形 不能协调。又由于钢箱梁所在位置均为需求大跨度桥梁的困难地段，若采用大跨混凝土箱梁结构，会产生施工影响交通及下部结构尺寸庞大等情况。基于以上多种原因，通过多方面考虑，拟定采用钢 -混组合梁的方式，混凝 土板提高梁体刚度，并通过剪力键与钢结构连接，同时为轨道预埋构件提供了预 埋空间，轨道、混凝土板及钢结构三者

2、受力变形协调，能够满足刚度、受力、较 大跨越能力等多方面要求。2现阶段钢-混组合梁发展及理论落实情况钢-混组合梁梁在美、日、欧洲已经得到了广泛的应用，美国最早制定了设 计规范，随后德国、英国和印度也制定了设计规范。国内钢-混组合梁梁在工程中的应用从20世i己50年代起组合梁在交通、冶金、 电力及煤矿等系统都有所应用o 1957年建成的武汉长江大桥，其上层公路桥就已采 用了组合梁结构（跨度18 m，梁距1.8 m）;沈阳设计院早在1963年就把组合梁结 构用于煤矿井塔结构。从1985年开始，组合楼盖在高层钢结构中得到了广泛的 应用；进入90年代，组合梁大量用于城市立交桥的主体结构与高层建筑的楼盖

3、体 系中。1993年由北京市政设计研究院设计的北京国贸桥的三个主跨采用了连续 组合梁结构，是该结构在国内城市立交桥中首次应用。 近年来在北京、上海等城 市的立交桥建设中，由于钢一混凝土组合连续梁桥跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施工速度快等优点，得到了广泛的应用，建成了以北京航天桥（主跨73 m）和朝阳桥（主跨64m为代表的一批钢一混凝土连续组合梁桥。钢-混组合梁桥采用了钢梁作为受力主结构，又利用钢梁作为现浇混凝土层的支撑模板构造，不仅简化施工工序，降低了施工难度，同时缩短了施工工期。钢-混组合梁在我国的起步较晚，主要原因在于混凝土和钢结 构材料受力的不同性，钢-混组合梁设计理论的不完善

4、。但随着大量实验研究和广泛应用实践，逐渐地丰富了该类梁的设计和施工经验，完善了相关的理论，极大的促进了该类梁桥的推广。钢-混组合梁连续梁桥其整体受力性能的优越性、 工程造价的经济性以及能充分发挥钢材和混凝土两种材料各自的优势的合理性 和便于施工的突出特点而得到广泛的应用。 随着钢-混凝土组合桥梁设计规范（GB50917-2013的发行，钢-混组合梁设计理论得到了完善。有了完整的理论基础指导，使得此类梁体的应用更加方便、快捷、安全。由于组合梁具有抗疲劳 性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强梁的刚度的优点，已被广泛应 用于城市立交桥及高速公路的跨线桥。3钢-混组合梁特点简介组合梁桥采用剪力

5、连接件将钢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。组合梁桥上缘受压、下缘受 拉，最符合组合梁材料分布的合理原则，即梁上翼缘应是适宜受压的混凝土板， 下缘是利于受拉的钢梁，并通过在混凝土顶板内加设预应力来抵抗连续梁负弯矩， 能够满足连续梁结构受力需求。（1）与钢梁相比，钢-混组合梁具有以下特点：a）减少了钢材的用量，节约了造价；b）增大了梁的刚度，有利于整体稳定性；c ）采用钢筋混凝土桥面板，有利于沥青面层的结合，提高桥面铺装的耐久 性。（2）与混凝土梁相比，钢-混组合梁梁具有以下特

6、点：a）结构自重轻，减少了下部基础的工程量；b）已安装钢梁可作为模板使用，节省了模板工程量；c）施工工期短，且对桥下交通的影响小；d）降低了梁高，有利于桥下净空利用率。4施工方案及造价综合对比施工方法工序对比表结构形式钢-混组合梁钢箱梁施工方法钢结构预制拼装，混凝土板现浇预制拼装施工工序1采用桩施工工艺，并施工临时桥墩基础。 同时工厂制造钢箱梁节段，工厂预制工期按 1.5个月控制。采用桩施工工艺，并施工临时桥墩基础。同时工 厂制造钢箱梁节段，工厂预制工期按1.5个月控制。2采用支架现浇桥墩，并施工临时桥墩，桥 墩施工期按0.5个月控制。采用支架现浇桥墩，并施工临时桥墩，桥墩施 工期按0.5个月

7、控制。3运输并吊装钢箱梁节段就位，现场进行焊 接施工，并安装支座，拆除临时支撑。施工期 按1个月控制。运输并吊装钢箱梁节段就位，现场进行焊接施 工，并安装支座，拆除临时支撑，用垫块在临时支 墩墩顶顶紧梁底。施工期按 1个月控制。4桥面铺装、附属构造安装，全桥竣工通车。施 工期按0.5个月控制。钢箱梁作为桥面板施工的承重平台。在预留孔以 外的钢梁上翼缘设置橡胶垫。分段浇筑桥面板混凝 土，在剪力钉处预留孔洞， 混凝土达到100%设计强 度后，张拉钢绞线施加预应力；预应力孔道内水泥浆达到90%设计强度后，浇筑下一段桥面板混凝土。 施工期按1个月控制。5用无收缩砂浆填充剪力钉群的预留孔，使桥面板与 钢

8、梁共同受力。预留孔填充完毕20天后，开始拆除 临时支撑。施工期按1个月控制。6桥面铺装、附属构造安装，全桥竣工通车。施工期按0.5个月控制。合计工期3.5个月5.5个月结构综合对比表结构形式钢-混组合梁钢箱梁单价（万元/m2）1.11.5施工工艺钢结构预制拼装，混凝土板现浇预制拼装施工难易程度1、施工技术成熟，风险小；2、施工期间临时墩占地较少， 基本能够保 证被跨越路正常交通1、施工技术成熟，风险小；2、施工期间临时墩占地较少，基本能够 保证被跨越路正常交通对交通影响对交通影响较小，社会车辆基本可以正 常形式，存在少量的安全隐患，持续时间 较短。对交通影响较小，社会车辆基本可以 正常形式，存

9、在少量的安全隐患，持续 时间较短。被跨路口受影响时间约2.5个月约1.5个月对下部结构尺寸影响维持原尺寸能够满足安全要求维持原尺寸能够满足安全要求后期维护费用需要一定维护费用需要一定维护费用通过以上对比，钢-混组合梁造价约为钢箱梁的2/3，施工工期及施工周期较钢箱梁长，且钢-混组合梁能够提供较大的刚度，且为轨道的预埋提供空间； 能够充分满足此工程各项需求。5钢-混组合梁对桥墩影响的理论分析5.1桥梁下部计算模型的选择本工程共计100多联连续梁、简支梁或结构简支桥面连续的箱梁，桥梁规模 庞大且结构复杂，其中第五、十五、三十四、三十九联原设计为钢箱梁， 现由于有轨电车对轨道安装及梁体截面刚度的需求

10、， 拟考虑将原钢箱梁结构更换 为钢-混组合梁，上部结构反力相应增加，对原下部桥墩进行结构安全简算。通过对桥墩的结构特点及桥梁跨度进行分析，选择部分有代表性的桥墩对其进行结 构安全分析抗震分析桥梁选用的基本原则：1、桥墩同样跨度或悬臂长度情况下，取桥梁相邻跨度之和较大者作为代表。2、桥梁相邻跨度之和相差不多情况下，取桥墩跨度较大、悬臂较长者作为代表。分别选择主线第5联ZX14墩、主线桥第11联ZX3132®、主线第34联ZX101墩进行结构安全分析，如下表所示。结构安全分析桥墩一览表位置孔跨布置（m）计算桥墩选出理由第5联28.5+45+30ZX14悬臂最大，基本墩型第11联39+55

11、+39ZX3132梁体跨度大，悬臂大第34联30+50+35ZX101桥墩跨度大5.2计算荷载的选取恒载选取：钢-混组合梁钢结构梁高1.82.3m,混凝土板厚30cm上部铺装厚度约30cm 根据统计结果，钢-混组合梁每平米重约19KN（钢箱梁每平米重约12KN。其中 钢结构部分4KN/平米，现浇层部分8KN平米，栏杆铺装部分7KN/平米。汽车荷载加载方式：沿盖梁纵向以车道荷载的方式进行加载， 按照公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）图4.3.1-3进行布置车道荷载。荷载大小为相邻最大跨径一个车道的 计算反力。5.3. 计算标准设计荷载：城-A级;(2)计算温度：整体降温20C，整体

12、升温20C，收缩徐变等效降温40度。5.4. 计算荷载参数(1)混凝土重力密度：26 KN/m3(2) 结构安全等级：I级；(3) 冲击系数u按0.4计入；(4) 预应力管道摩擦系数取0.17 ；(5) 管道每延米摩擦影响系数取0.0015。5.5. 计算标准材料名称及强度取值表1.2材料项目参数C50混凝土抗压标准强度fck32.4MPa抗拉标准强度ftk2.65MPa抗压设计强度fed22.4MPa抗拉设计强度ftd1.83MPa抗压弹性模量Ee34500MPa计算材料容重P326kN/m线膨胀系数«0.00001C40混凝土抗压标准强度fek26.8MPa抗拉标准强度ftk2.

13、40MPa抗压设计强度fed18.4MPa抗拉设计强度ftd1.65MPa抗压弹性模量E e32500MPa计算材料容重P326kN/m线膨胀系数*0.00001*s15.2低松弛 钢铰线抗拉标准强度fpk1860MPa抗压设计强度fpd'390MPa弹性模量E p51.95 X10 MPa管道摩擦系数卩0.17管道偏差系数k0.0015钢丝松弛系数匚0.3单端锚具回缩值心L6mm续表1.2抗拉标准强度fsk400MPa抗拉设计强度fsd360MPa抗压设计强度fsd'360MPa普通钢筋HRB4005.6作用类别、作用效应组合1永久作用：结构重力、预应力、上部结构反力和混凝土

14、的收缩及徐变作用;2 可变作用：汽车荷载、温度作用。3. 作用效应组合 (1)承载能力极限状态组合设计值Sud=1.2X永久作用+1.4 X汽车荷载+0.8 X1.4温度作用(2)正常使用极限状态作用短期效应组合：永久作用+0.7 X汽车荷载+0.8 X温度作用;作用长期效应组合：永久作用+0.4 X汽车+0.8 X温度作用。5.7.计算结果数值单位及方向约定弯矩：KN*m “一”代表弯矩方向；应力：Mpa “一”代表应力为拉应力；挠度：mm内力：KN 代表轴力为压力。5.8. ZX14盖梁计算5.8.1模型描述5.8.1.1单元数量：梁单元59个5.8. 1.2节点数量：57 个ZX14桥墩

15、模型三维图5.8.2持久状况承载能力极限状态结果5.821基本组合弯矩包络图g-Irlllr'r -n 二一二 .DDDa-i-ioao-LS：»e+M41205*4-004 -4J4.«i6+001 匚2”20卄 «E.-2OE7&AIKI4- -7d343et-IMI4 -3JD64B6e+&04 -aB95E-4：e+O04cb>曰F-1A；< 3 47 r«n ,； aS=-r 2*126 b kHKm Bffib W£E72014最大负弯矩：89954KNm5.8.2.2长短期组合下应力包络图1.5

16、3112QQ5O.Q-jgODe-i-OOO-7 llcH-OCOMil_PI-S.oiiBeacD-4 .432£5c-J-0 0-5.5333：eOCO-6.l5J35iei-g0-7.734S4eaC0-1.21073 c-OClCBs-lk RCIETIV SE-MAJC t 1MIh 1 47六论WSFZM K； rVnn-r-Z 二尽：DO7/ZC14最大压应力：12.1mpa,最大拉应力：0.0005mpa5.8.2.3基本组合包络变形图rtFFHFUFrX-D1R= 0»OGCEi-000 卜8匚1NCD=12-DI10*001NCD£=3700

17、MBt= 3.191001NCCiC=丄d 二PflsgCSCBaiL F.C ENIV_5TF.MAX : 47MIN - 37* *： .= TZX14 2SN ee三祀；口BUG口丄斗最大竖向变形：28.1mm5.9. ZX31盖梁计算5.9.1 模型描述5.9.1.1 单元数量：梁单元177个5.9. 1.2 节点数量：190 个二J一二二二二T 一二二二二二二ZX31桥墩模型三维图5.9.2持久状况承载能力极限状态结果最大负弯矩：69505.8KNm5.9.2.2长短期组合下应力包络图M 1.542ES*-004J .OO£；1Ca«QO4 IB 弗 S0LCQ4

18、 它 7RE5LQ 2,亏石3】孕吗-J1.402S4ar-匚斗 E-5.Z5ie9BC04-6.1D1Z3S-CO 斗-6.9=0£Si-CO4CEn lt PC EHV SIPMAsrrssMJH x 0N冷移宴怎士 1个 kMm,?霁 03TDW2CH斗養PEKi C.COJrj|ka.ooowiaaa l .3-5 L- bgC21了 RQ4COI3 -B-EOZSe-MCOC-4 .E£2Ka-rCIC-5.E55+ZelXIC 晶卫M 舲。亠cot -.ysoifeeixjc1O.JHLDe'OOC 9 7 ZB 70 a* MCpSsxsBall； F

19、:C EH V_SE-MAX i 1 MM i 43龙叱话巨二1号 工 士 M/mrm- 2Efe 9.1'370145.921基本组合弯矩包络图最大压应力：10.7mpa,最大压应力：0.9mpa5.9.2.3基本组合包络变形图X-UIR= O.OOOE + CKiO1YDIR= O.OODE-I-OCIOIJOOE= 1E-DIRt.B7QEWlIJODE= 74OOMB.- 2S40E*001 rjOOE= 3306-SOOE*(HlPcszCScbbII： rc eriv strMAX i 斗21MIM : 74H=：号呈辰土 1亏丰亡：mm三箜：0& 07j2014A

20、5.10. ZX32 盖梁计算5.10.1 模型描述5.10.1.1 单元数量：梁单元187个5.10. 1.2 节点数量：201 个ZX32桥墩模型三维图5.10.2持久状况承载能力极限状态结果5.1021基本组合弯矩包络图, _,心,_诃!呱寸匚彳11| TlIII门II 11；二- -R ill Illi II 1 r hr i i f-i i nlTT -斗hf)I最大负弯矩：5559 6KNmSt<-Y 皿価7亡斗DQ 0>.9DODQv*DCD 3-e7651«+0C3 -5 Egimh UDM-1 536We+0C4-2.11tE=4=-«-0O4

21、 -2 £ S«L*a&4.3 81«r4-CO44W30c+0C4 -4弓U亏7 k 004S39t3e+0C4laBCTt.%CD»la 吒曰JV.Er-1A- : 4 J?MM 1 JE-r怛營洪血、5.10.2.2长短期组合下应力包络图CAI ! STIXE2GFuiCSCEelk RCEFJVjEE-r -3.4+4 £9- DD1kJ "曲乐7皿LJ-233090IV- -3.7777= 000-4,TZZ14&*000'-5.65&57c-fr OD D.-.blliJ0o*000一 ?.

22、55543=* DBB|-9U44Z9hga 1,030?*- O&XMA：< ;: 1MTO t »Mr 口迪二吳» asi. n/mmrz=曲；吕07 zai斗i/crvm¥i 匚ixZ-*-CX-DIR=0.000£+000 rJODE= 1DKR= OjOOOE-OOO rJODE= 1Z-DIR2-662E*O01NOOEs 49COMBs 2.769E*001MOOE=49寒£ =S.932E+001PostCSCBalh RC EMV_STRMAK j 424MIN : 49一uSt： mmEM： 007/2014最

23、大压应力：10.4mpa,最大压应力：0.9mpa5.10.2.3基本组合包络变形图最大竖向变形：26.6mm5.11. ZX101盖梁计算5.11.1 模型描述5.11.1.1 单元数量：梁单元191个5.11. 1.2 节点数量：181 个ZX101桥墩模型三维图5.11.2持久状况承载能力极限状态结果5.11.2.1基本组合弯矩包络图S'-®® - fo.oqooae-*-cga -1.02403e+C'C4 -201£E9«+C：C4. -3X-OS74c+C04-Seil8*CC4 -7 g74iD4<*+GC4-更勻无注乜十匚W PMtCSCG-alll PC EMVTP.MAA 2 J 1MIN 1 齐K：耳眾二亡皿:L 主出kN*Eflt |3«/07/2314最大负弯矩：9959KNm5.11.2.2长短期组合下应力包络图M- 0 J00CO«*30O卜-20198«+OOO -S3&397e*J00 .7£M?7«+300-B ,045M<* 300-1,07290*301501 j弗龍m