縱橫梁體系結(jié)合橋面大跨度鋼桁梁橋橫梁面外彎曲的改善措施

,

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250031)

縱橫梁體系結(jié)合橋面大跨度鋼桁梁橋橫梁面外彎曲的改善措施

劉文,徐召

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250031)

濟(jì)南長(zhǎng)清黃河公路大橋主橋?yàn)?02 m+4×168 m+102 m的連續(xù)鋼桁梁橋，大橋橋面系采用縱橫梁體系結(jié)合橋面，混凝土橋面板與主桁下弦、縱梁、橫梁全部結(jié)合。對(duì)于這種橋面體系，橫梁的面外彎曲是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為此提出了一種可以最大限度地消減恒載作用下橫梁面外彎矩的設(shè)計(jì)方法——調(diào)整縱梁制作長(zhǎng)度，可有效解決橫梁的面外受力難題。

連續(xù)鋼桁梁橋; 縱橫梁體系; 結(jié)合橋面; 橫梁面外彎曲; 無(wú)應(yīng)力狀態(tài)

1 工程概況

濟(jì)南長(zhǎng)清黃河公路大橋項(xiàng)目起自濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)市政道路中川街西端，終于德州市齊河縣胡官屯鎮(zhèn)孔官莊西。項(xiàng)目起點(diǎn)向東可連接G220，進(jìn)而與濟(jì)南市東西向主干線經(jīng)十西路連接，項(xiàng)目終點(diǎn)通過(guò)規(guī)劃的濟(jì)南-聊城S105一級(jí)公路齊河至聊城段連接聊城。黃河大橋在長(zhǎng)清區(qū)三龍莊西側(cè)上跨南水北調(diào)濟(jì)平干渠，向西跨越黃河灘地和主河槽，于黃河左岸大堤K88+750處上跨大堤，全長(zhǎng)6014 m。

主橋采用102 m+4×168 m+102 m=876 m變高連續(xù)鋼桁梁，整幅布置，橫橋向布置2片桁架，主桁中心距為27 m；主桁高度采用圓曲線變化，主墩處桁高23 m，邊墩及跨中桁高10 m，節(jié)間分別長(zhǎng)12、14.0、16和19 m，全橋共58 個(gè)節(jié)間(見圖1)。橋門架為板式構(gòu)造，邊墩處橋門架高3.5 m，中墩處橋門架高5 m，橋門架底板為圓弧形(見圖2)。

圖1 濟(jì)南長(zhǎng)清黃河公路大橋主橋鋼桁梁總體布置圖(半橋)(單位： cm)

圖2 濟(jì)南長(zhǎng)清黃河公路大橋主橋橫斷面布置圖(主墩處)(單位:mm)

橋面系采用鋼-砼組合橋面系，混凝土橋面板與主桁下弦、縱梁、橫梁全部結(jié)合，橋面板厚23 cm，預(yù)制橋面板部分采用C50混凝土，現(xiàn)澆濕接縫部分采用C50微膨脹混凝土，其中與主桁下弦桿相連的縱向濕接縫采用C50 微膨脹鋼纖維混凝土。

2 橫梁面外彎曲的受力機(jī)理

采用縱橫梁體系結(jié)合橋面的橋梁在豎向荷載作用下，主桁下弦桿將產(chǎn)生軸向變形，帶動(dòng)橫梁端頭跟隨變形，而橫梁中部由于縱梁的約束，其變形量與下弦桿的變形量相比幾乎可以忽略，從而引起橫梁的面外彎曲(見圖3)。在下弦桿受拉伸長(zhǎng)區(qū)域，橫梁彎曲成“)(”形；在下弦桿受壓縮短區(qū)域，橫梁彎曲成“()”形。橫梁面外彎曲變形最大處位于下弦桿受拉區(qū)或受壓區(qū)端部，因此處弦桿累積變形最大，對(duì)于長(zhǎng)清黃河大橋這樣的連續(xù)鋼桁梁而言，則發(fā)生在下弦桿受拉和受壓轉(zhuǎn)換處，即桁梁的反彎點(diǎn)處(見圖4)。

圖4 半主橋橫梁面外彎矩分布(一期恒載作用下)

圖3 半主橋橫梁面外變形分布(一期恒載作用下)

由圖5可以看出，本橋由橫梁面外彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力最高可達(dá)224 MPa，如不采取措施，疊加橫梁面內(nèi)彎曲應(yīng)力后，橫梁應(yīng)力將遠(yuǎn)超其允許應(yīng)力。

圖5 半主橋橫梁面外應(yīng)力分布(一期恒載作用下)

3 橫梁面外彎曲的改善措施

鐵路鋼桁梁橋解決此問(wèn)題的辦法是在跨間設(shè)置可使縱梁縱向移動(dòng)的活動(dòng)支承(即伸縮縱梁,見圖6)，每隔一定距離解除縱梁對(duì)橫梁的約束?！惰F路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2-2005)第7.2.9條規(guī)定：“為減小橋面系與主桁弦桿共同作用的影響，跨度大于80 m的簡(jiǎn)支梁，宜在跨間設(shè)置可使縱梁縱向移動(dòng)的活動(dòng)支承，其間距不應(yīng)大于80 m。”

圖6 鐵路鋼桁梁伸縮縱梁構(gòu)造

但對(duì)于公路鋼桁梁橋而言，如設(shè)置多道伸縮縱梁，則需在橋面上設(shè)置多道伸縮縫，行車舒適性差且橋面板易于損壞。

國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)和研究人員提出了許多改進(jìn)方法，如把橫梁改成箱形截面、設(shè)置制動(dòng)撐、縱梁與橫梁先臨時(shí)連接再擰高強(qiáng)螺栓等，但都收效甚微。若把橫梁改成箱形截面，增大面外抗彎模量，但也同時(shí)增加了橫梁的面外抗彎剛度，則其面外彎矩也跟著增大， 而橫梁面外彎曲應(yīng)力下降不明顯。設(shè)置制動(dòng)撐后，橫梁的面外彎曲及由此導(dǎo)致應(yīng)力有效降低，但縱梁的應(yīng)力明顯增加，縱梁成為控制橋面系設(shè)計(jì)的主要因素。如架設(shè)混凝土橋面板時(shí)縱梁與橫梁先采用沖釘和普通螺栓臨時(shí)連接，配以長(zhǎng)圓孔(見圖7)，待橋面板架設(shè)完畢后再以高強(qiáng)螺栓替代沖釘和普通螺栓，確可釋放橫梁的面外彎矩，但由于沖釘和普通螺栓受剪變形，很難順利地敲出，同時(shí)架設(shè)鋼桁梁和橋面板工期較長(zhǎng)，一般不少于6個(gè)月，則高強(qiáng)螺栓摩擦面的保質(zhì)期已過(guò)，高強(qiáng)螺栓連接強(qiáng)度難以保證。

圖7 縱梁與橫梁螺栓連接采用長(zhǎng)圓孔

4 長(zhǎng)清黃河大橋設(shè)計(jì)中橫梁面外彎曲的解決辦法

對(duì)于鋼桁梁橋而言，根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)理論，鋼構(gòu)件的成橋內(nèi)力取決于各構(gòu)件的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，與施工過(guò)程無(wú)關(guān)；要想改變橫梁的成橋受力狀態(tài)，必然要改變某些構(gòu)件的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)前述分析，跟橫梁面外受彎聯(lián)系最為直接的是縱梁軸力，故而可以通過(guò)改變縱梁的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度來(lái)改善橫梁的面外受力。

如圖8所示，對(duì)于某一節(jié)間的縱橫梁而言，假設(shè)通過(guò)改變縱梁的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度使得橫梁面外彎矩為零，則橫梁在水平面內(nèi)保持平直狀態(tài)，同時(shí)縱梁軸力必然為零，可以推知此時(shí)縱梁無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與下弦桿的有應(yīng)力長(zhǎng)度相等，從而可知縱梁無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的改變量等于成橋時(shí)相應(yīng)節(jié)間的下弦桿軸向變形量。對(duì)于下弦桿受拉的區(qū)間，縱梁制作長(zhǎng)度相對(duì)于縱梁系統(tǒng)線長(zhǎng)度要加長(zhǎng)；對(duì)于下弦桿受壓的區(qū)間，縱梁制作長(zhǎng)度相對(duì)于縱梁系統(tǒng)線長(zhǎng)度要減小。如此，通過(guò)改變縱梁的制作長(zhǎng)度，即可實(shí)現(xiàn)橫梁面外彎矩的釋放。

圖8 單個(gè)節(jié)間縱橫梁變形示意圖

改變縱梁制作長(zhǎng)度后，由于縱梁長(zhǎng)度與橫梁間距不匹配，安裝縱梁時(shí)需采用強(qiáng)迫對(duì)孔的方法，使得縱梁預(yù)頂或預(yù)拉橫梁，隨著橋面板的鋪設(shè)，這種預(yù)頂或預(yù)拉效應(yīng)將與恒載效應(yīng)逐漸抵消，成橋時(shí)縱梁成為純彎構(gòu)件，橫梁僅受面內(nèi)彎矩。

從圖9、10可以看出，鋼梁架設(shè)完畢后，綜合考慮縱梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，橫梁仍存在較大的面外彎矩，其方向與恒載作用下產(chǎn)生的面外彎矩相反，橫梁面外應(yīng)力最大為114 MPa；橋面板鋪設(shè)完成后恒載作用下橫梁面外彎曲應(yīng)力減少至15 MPa，橫梁基本以豎直面內(nèi)彎曲為主。

圖9 混凝土橋面板鋪設(shè)前橫梁面外應(yīng)力分布(單位： MPa)

圖10 混凝土橋面板鋪設(shè)后橫梁面外應(yīng)力分布(單位： MPa)

5 結(jié)語(yǔ)

濟(jì)南長(zhǎng)清黃河公路大橋主橋設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)整縱梁制作長(zhǎng)度，有效解決了橫梁的面外受力難題，也使得主橋鋼桁梁經(jīng)濟(jì)性顯著改善。

[1] 山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.濟(jì)南長(zhǎng)清黃河公路大橋工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)[Z]. 2014.

[2] 蘭陽(yáng),王志平.大跨多線鋼桁梁主桁與橋面系共同作用分析與解決方案研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2012,27(2).

[3] 張曄芝,張敏.高速鐵路縱橫梁體系結(jié)合橋面橫梁面外彎曲問(wèn)題的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2010,32(1).

[4] 韓衍群，葉梅新，羅如登.整體橋面鋼桁梁橋橋面荷載傳遞途徑的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2008,30(1).

1008-844X(2017)03-0118-03

U 448.21+1

A

2017-05-27

劉 文(1982-)，女，工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)。