大跨度钢箱梁更换为钢混组合梁的原因及可行性分析.docx

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大跨度钢箱梁更换为钢混组合梁的原因及可行性分析

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世纪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。

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。

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）

1.1

1.5

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、十一、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，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ZX31~32墩、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+30

ZX14

悬臂最大，基本墩型

第11联

39+55+39

ZX31~32

梁体跨度大，悬臂大

第34联

30+50+35

ZX101

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1.8~2.3m,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》（JTGD60-2004）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。

钢-混组合梁断面示意图

5.3.计算标准

（1）设计荷载：

城-A级；

（2）计算温度：

整体降温20℃，整体升温20℃，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：

26KN/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

32.4MPa

抗拉标准强度

2.65MPa

抗压设计强度

22.4MPa

抗拉设计强度

1.83MPa

抗压弹性模量

34500MPa

计算材料容重

26kN/m3

线膨胀系数

0.00001

C40混凝土

抗压标准强度

26.8MPa

抗拉标准强度

2.40MPa

抗压设计强度

18.4MPa

抗拉设计强度

1.65MPa

抗压弹性模量

32500MPa

计算材料容重

26kN/m3

线膨胀系数

0.00001

低松弛

钢铰线

抗拉标准强度

1860MPa

抗压设计强度

390MPa

弹性模量

1.95×105MPa

管道摩擦系数

0.17

管道偏差系数

0.0015

钢丝松弛系数

0.3

单端锚具回缩值

6mm

续表1.2

普通钢筋

HRB400

抗拉标准强度

400MPa

抗拉设计强度

360MPa

抗压设计强度

360MPa

5.6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=1.2×永久作用+1.4×汽车荷载+0.8×1.4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×汽车荷载+0.8×温度作用；

作用长期效应组合：

永久作用+0.4×汽车+0.8×温度作用。

5.7.计算结果数值单位及方向约定

弯矩：

KN*m；“—”代表弯矩方向；

应力：

Mpa；“—”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桥墩模型三维图

5.8.2持久状况承载能力极限状态结果

5.8.2.1基本组合弯矩包络图

最大负弯矩：

89954KNm

5.8.2.2长短期组合下应力包络图

最大压应力：

12.1mpa,最大拉应力：

0.0005mpa

5.8.2.3基本组合包络变形图

最大竖向变形：

28.1mm

5.9.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

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

5.9.2.1基本组合弯矩包络图

最大负弯矩：

69505.8KNm

5.9.2.2长短期组合下应力包络图

最大压应力：

10.7mpa,最大压应力：

0.9mpa

5.9.2.3基本组合包络变形图

最大竖向变形：

18.7mm

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

5.10.2.1基本组合弯矩包络图

最大负弯矩：

5559.6KNm

5.10.2.2长短期组合下应力包络图

最大压应力：

10.4mpa,最大压应力：

0.9mpa

5.10.2.3基本组合包络变形图

最大竖向变形：

26.6mm

5.11.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

最大负弯矩：

9959KNm

5.11.2.2长短期组合下应力包络图

最大压应力：

14.75mpa

5.11.2.3基本组合包络变形图

最大竖向变形：

38.4mm

6国内外实例及外观表现

目前，钢-混组合梁在国内使用较为广泛，其外观表现形式多样化，腹板侧面表现与钢箱梁基本相同。

底板可采用漏空、封闭等多种形式。

实例项目照片

钢-混组合梁国内使用实例：

（1）、承秦出海路市区至石门寨段复线工程K1+488京秦高速分离立交桥路桥集团桥梁技术有限公司。

（2）、京杭运河常州市区段改线工程—312国道西大桥江苏省交通规划设计院

（3）、深圳市南坪快速路梅观立交南昌有色冶金设计研究院

（4）、石家庄市二环快速路提升工程上海市政工程设计研究总院

（5）、沿海公路秦皇岛至乐亭段高速公路河北省交通勘察设计研究院

7综合评价

钢-混组合梁桥是在钢筋混凝土结构和钢结构的基础上发展起来的结构。

组合桥充分发挥了钢材和混凝土的力学特性，并具有很好的施工性能。

能够满足本项目中对桥梁跨度、刚度、较轻恒载及施工快捷方便等方面的需求。

且造价较钢箱梁减少约30%，节省工程造价。

随着本工程中的组合梁使用，不断增加设计、施工及使用者对钢-混凝土组合结构优越性的认识，提高该类梁的运用技术，组合桥将会在我市桥梁建设事业中发挥越来越重要的作用。