大跨度桥梁结构设计原理（中小跨径桥梁结构形式研究）

屈丰来辽宁省交通规划设计院有限责任公司

摘 要：以辽宁境内跨径为16m的简支梁桥为例，提出了热轧组合H型钢、钢板梁、热轧H型钢三种不同结构形式的钢-混组合梁桥，通过结构验算及经济指标综合对比分析，确定了热轧H型钢组合梁最为合理的桥梁结构形式，可为中小跨径钢-混组合梁桥的选型提供参考。

关键词：中小跨径桥梁;桥梁结构;钢-混组合;造价对比;

基金：辽宁交通科技项目(201513);

0 引言

预制装配化钢结构桥梁是以预制构件为主，经装配、连接而成的钢结构桥梁。随着辽宁省工业化水平的提高，装配式组合结构体系逐步得到重视，开展装配式组合梁桥的应用，可完善新型组合结构体系，对提高辽宁省桥梁工业化水平具有重要的实用价值[1]。主要特点:预制装配化钢结构桥梁的构件利用工厂化制作和预制装配技术，保证构件质量，提高桥梁建设速度，减小施工过程对交通的干扰和环境的不利影响，减小交通封堵带来的经济损失[2,3]。

目前中小跨径桥梁(16m、20m跨径)常用结构形式为空心板，空心板具有结构形式简单、建筑高度低、用材经济等优点，成为以前国内公路桥梁20m以下跨径桥梁的首选桥型。但受施工、自然侵蚀及运营环境等因素的影响，建成后的空心板梁桥，随着服役时间的延长，逐渐出现材料劣化、裂缝、铰缝损伤等病害，尤其铰缝是易损部位，在东北地区冬季常使用除冰盐，从而大大加剧铰缝的破坏进程，因此降低了空心板梁桥铰缝结构耐用性，这些病害的不断累积和发展，严重降低桥梁的承载性能并危及行车安全[4,5]。

针对空心板桥的缺点，研究钢混组合梁替代空心板，钢混组合梁具有耐久性好、预制方便、易于标准化生产和施工、便于运输、吊装、综合造价较优等特点。

1 结构形式1.1 热轧组合H型钢

采用Q345D热轧带突起翼缘板与Q345DNH钢板腹板焊接而成的H型钢(简称热轧组合H型钢)，热轧组合H型钢优点如下:

(1)顶、底板厚度和宽度及腹板厚度和高度可根据受力情况进行调整。

(2)由于顶底板与腹板连接部位存在凸起，减弱了顶、底板残余变形和残余应力。

(3)由于顶底板轧制而成，降低了由切割导致的浪费。

(4)对旧桥改造工程，梁高与原设计保持一致，从而不需调整路线纵断。

缺点如下:

(1)凸起部位的尺寸没有相关规范及依据。

(2)生产热轧带突起翼缘板的厂家很少。

1.2 钢板梁

钢板梁是通过Q345D钢板焊接而成，钢板梁同样具有顶、底板厚度和宽度及腹板厚度和高度可根据受力状况进行调整等优点，同时缺点也很突出，列举如下:

(1)顶底板和腹板通过双面角焊缝焊接，在顶底板存在较大的热影响区域，使钢板梁存在较大的残余变形及残余应力，焊后需经过复杂的校正工艺消除残余变形，这些将导致钢梁产生附加应力，校正增加加工费用。

(2)角焊缝焊接影响结构抗疲劳性能。

(3)由于板材的尺寸限制，纵桥向需要全截面对接焊，大大降低了抗疲劳性能。

(4)顶底板由较大标准尺寸钢板切割而成，大大增加了由切割导致边角料的浪费，同时切割处理增加制造费用。

1.3 热轧H型钢

热轧H型钢由于全截面无焊接从而抗疲劳性较好，但存在较多缺点如下:

(1)热轧H型钢国标型号固定，局部材料在受力方面不能充分利用，导致单位平米用钢量较高。

(2)通过调研生产梁高大于708mm的热轧H型钢厂家极少，订货极其困难。

(3)同等跨径的桥梁，满足设计要求的前提下，热轧H型钢的梁数较多，并且建筑高度较高。

2 结构尺寸

16m跨径的简支桥梁，荷载等级为公路-Ⅰ级，经初步计算钢梁尺寸如下:

2.1 组合H型钢方案

组合H型钢方案采用Q345D热轧组合H型钢，顶板厚18mm，底板厚28mm，宽均为400mm，凸起高度均为45mm，腹板厚10mm，高为494mm，梁高为630(简写为630×400×10×28(18))，断面见图1。

图1 组合H型钢横断面 下载原图

2.2 钢板梁方案

钢板梁方案采用Q345D钢板梁钢，型号为630×400×10×28 (18)，梁高584mm，顶底板宽度为400mm，顶板厚度为18mm，底板厚度为28mm，腹板厚度为10mm，断面见图2。

2.3 热轧H型钢方案

图2 钢板梁横断面 下载原图

热轧H型钢方案采用Q345D热轧H型钢708×302×15×28，其中梁高为708mm，顶底板宽度均为302mm，厚度均为28mm，腹板厚度为15mm，断面见图3。

图3 热轧H型钢横断面 下载原图

3 依托工程

以沈康四期K16 669.5处张家堡中桥作为依托工程，桥梁全长为55.4m，跨径布置为3×16mm，交角为125°。桥面净宽为11.45m，两侧各设0.5m钢护栏。桥面净宽11.45m;总宽度12.45m;荷载等级公路Ⅰ级;结构形式采用简支钢-混组合梁。端横隔梁采用混凝土横梁，见图4，中横梁采用槽钢40a，与主梁通过螺栓连接，见图5。

3.1 结构计算

钢混凝土梁由多片钢梁及桥面板组成，根据不同钢梁结构形式，计算了横向6片钢梁的情况，梁间距均为2.25m，采用220m厚的钢筋混凝土桥面板，其中桥面板与钢梁采用施工阶段联合截面进行计算，中间无临时支撑。主要荷载组合为:

(1)恒载 设计车道偏载 混凝土收缩徐变 整体升温 温度梯度。

(2)恒载 设计车道偏载 混凝土收缩徐变 整体降温 温度梯度。

图4 端横隔梁断面 下载原图

图5 中横隔梁断面 下载原图

模型见图6。

图6 钢混组合梁计算有限元模型 下载原图

在上述荷载组合情况下，分别对3种不同结构形式在最不利荷载组合作用下，上下翼缘板的应力进行计算，计算结果见表1。

表1 组合梁应力计算表 下载原图

由表1可知:在偏载作用下，组合梁的上下翼缘应力均小于270 MPa，活载挠度小于L/500(32mm)，均满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)要求限制，通过计算以上三种方案均满足跨径为16m简支桥梁的设计要求。

通过以上结果可以看出三种方案下翼缘与上翼缘应力比值依次为:1.29,1.28,1.31。说明热轧H型钢的上翼缘板的富余度较大，顶板设计厚度偏于保守。

3.2 经济指标分析

本项目主要从用钢量及造价角度对热轧H型钢、钢板梁及热轧组合H型钢方案进行对比，见表2。

表2 钢梁方案造价对比表 下载原图

注:钢板梁和热轧组合H型钢未考虑加劲肋的用钢量及加工费用。

根据上述对比，钢梁每平米价格由低到高分别为钢板梁、热轧组合H型钢和热轧H型钢。热轧H型钢每平米造价比钢板梁及热轧组合H型钢分别高21%及18%。但钢板梁和热轧组合H型钢如果考虑加劲肋的用钢量及加工费用，与热轧H型钢费用基本相当。通过综合考虑对钢结构桥梁采用热轧H型钢，可有效地避免疲劳开裂等病害。

4 结论

以辽宁境内已建成的中小跨径钢-混组合桥为研究对象，分析了跨径为16m的钢结构桥梁，通过受力分析、造价及使用性能的综合比较，建议选取热轧H型钢组合梁较为合理。这将为中小跨径钢-混组合桥梁的结构选型提供有意义的借鉴。

参考文献

[1] 石雪飞，许琪．辽宁省中小跨径钢混组合结构桥梁全寿命周期成本分析[J]．北方交通，2019(2):5-8.

[2] 刘心亮，吴宪锴．桥梁优选养护规划方案研究[J]．北方交通，2020(7):1-4.

[3] 姜晴．高速公路养护序列规划研究[D]．西安:长安大学，2013.

[4] 张国梁．预防性养护最佳时机的确定方法研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

[5] 刘永健，高诣民，周绪红，等．中小跨径钢-混凝土组合梁桥技术经济性分析[J]．中国公路学报，2017(3):1-13.

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