组合结构桥梁研究与展望
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折形腹板
纵百度文库分布
底板钢板
图 3 腹板与顶底板结合部构造/mm
6 焊钉拉拔力比较 拉拔力/KN 4 有底部翼缘板焊钉 无底部翼缘板焊钉
纵桥向剪力/KN
25 纵桥向焊钉剪力比较 15 5 -5 0 -15 20 40 60 80 100 120 对称荷载 偏心荷载
2
0 0 16 32 48 64 纵桥向坐标/m 80 96 11 2
1/2跨中 1715 50 415 1200
机动车道 沥青铺装9cm 防水层1mm
1/2支点 1715 50
栏杆
1770 395 50 1275 50
50
栏杆
1200
机动车道 沥青铺装9cm 防水层1mm
415
50
栏杆 紧急停车带
紧急停车带 栏杆
1715
a) 近期规划跨内横截面
b) 近期规划支点横截面 图 1 组合箱梁桥横断面/cm
图 6 混合结构拱座构造
图 7 拱座计算模型
5 斜拉桥中的组合结构应用研究
5.1 大跨径斜拉桥混合梁结合部
混合梁是钢梁与混凝土梁在梁体纵向通过连接件、 承压板、 预应力筋等结合在一起而形成的结构。 通过对钢材和混凝土两种材料合理利用,混合梁的受力性能、跨越能力、经济性能等方面都得到很大 改善,在桥梁建设中得到越来越多的重视。目前已应用于斜拉桥、连续梁桥、刚构桥、自锚式悬索桥 及拱桥等多种桥面系结构中。正在建设的鄂东长江大桥及荆岳长江大桥均采用混合梁,图 8、图 9 为
组合结构桥梁研究与展望
刘玉擎,赵 晨,罗 杰
(同济大学桥梁工程系,上海 200092)
摘要:钢与混凝土组合结构能够充分发挥两种材料性能的各自优势,方便施工,增加结构美观,体现结构整体受力 的经济性,目前组合结构已广泛应用于组合梁式桥、组合拱桥、组合斜拉桥和组合悬索桥等多种桥型及各种组合 构件形式之中。本文论述了近几年所开展的组合结构桥梁以及连接件的应用研究成果,展望了今后的发展方向。 关键词:桥梁工程 组合结构 应用研究
2 连接件设计计算方法的研究
2.1 焊钉连接件
焊钉连接件因其经济性和施工便捷性,成为钢混组合结构中最为广泛应用的连接件之一。焊钉的 承载力性能除受其高度、直径、抗拉强度的影响,还受外界混凝土的影响,如混凝土特性及受力状态、 钢筋构造细节等,但是各国规范对这些参数的规定不尽相同。焊钉的应用形式不仅仅局限在像组合梁 中的焊钉头部朝上正立,还有头部倒立、侧立等各种类型。 作者对焊钉连接件的长度、直径以及抗拉强度等影响因素进行了系统的试验研究,试验结果表明 焊钉承载能力随着焊钉直径、抗拉强度的增大而增加。混凝土的浇筑形式对焊钉连接件抗剪极限承载 力影响较小,但对焊钉的抗剪刚度影响较大。当焊钉长度达到一定值后,焊钉连接件抗剪极限承载力 和抗拉拔极限承载力趋于稳定。
-25 纵桥向坐标/m
图 4 底部翼缘板焊钉拉拔力比较
图 5 底部翼缘板纵桥向焊钉剪力比较
4 拱桥中的混合结构拱座受力性能研究
钢拱桥结构中,拱座是上部钢结构与下部混凝土承台和基础的连接节点,又是主桥上部结构安装 的起点,关系到整个结构的安全和可靠性。如图 6 所示为宁波明州大桥的混合结构拱座的构造。钢与 混凝土组合拱座分为上部的钢拱座和下部的混凝土拱座,拱座结合部多个部位存在钢板与混凝土的连 接问题,各处钢板与混凝土结合部附近的影响因素较多、受力机理相当复杂。作者对实桥拱肋与混凝 土拱座结合部建立有限元模型, 进行空间受力计算。 分析了各荷载工况下的空间应力状态及传力机理, 比较不同拱肋分仓形式、焊钉连接件不同布置及拱肋过渡段填充混凝土与否对结构传力的影响,如图 [9] 7 所示 。 作者截取结合部具有代表性的拱肋及拱座节段,进行了 1:2 缩尺模型加载试验。取计算所得最不 利截面内力面内弯矩最大工况下,轴力及面内弯矩计算的截面连接缘应力作为填充段混凝土顶面加载 荷载,分为预应力张拉和外部轴力荷载两个步骤进行,加载至 1.7 倍设计荷载。测试拱肋过渡段填充 混凝土的竖向应力分布、过渡段拱壁钢面板竖向应力分布以及过渡段中纵隔板竖向应力分布。
2.2 开孔板连接件
开孔板连接件较目前常用的焊钉连接件相比,具有承载能力高,不受疲劳荷载影响,在加工时不 需要特殊的焊接设备,仅为板件与板件之间的普通焊接,同时还可以起到加劲肋的作用。开孔板已在 梁式桥的组合桥面板、组合桥墩,拱桥的混合拱肋结合部,斜拉桥的混合梁结合段、混合塔结合段, 悬索桥的主缆锚固区等多种结构中得到广泛的使用,随着研究的不断深入,开孔板在各种桥梁结构构 件中将具有更好的应用前景。 为此,对开孔板连接件的各种影响因素设计了 29 组共计 81 个推出试验,进行了静力加载试验研 究。试验结果表明,开孔板孔径、混凝土抗压强度、贯通钢筋直径及屈服强度对开孔板连接件抗剪性 能具有很大的影响;同时,开孔板连接件抗剪承载力性能还受到板高、板厚、板间距的影响。结合国 [2][3][4][5] ,通过开孔板连接件的 55 个无贯通钢筋推出试验数据和 113 个有贯通钢筋推出 内外试验数据 试验数据,提出了开孔板连接件的抗剪极限承载力计算式:
1 前 言
随着道路等级的不断提高和建设规模的扩大,桥梁呈现出跨径不断增大、桥型不断丰富、结构不 断轻型化的发展趋势,同时对桥梁建设的经济性也越来越重视。在这种背景和需求条件下,组合结构 具有显著的技术经济效益和社会效益,适合我国基本建设的国情,将成为桥梁结构体系的重要发展方 向之一。但随着桥梁跨径的不断增大,桥梁结构构件所受荷载也随之增大,这对组合结构桥梁的结构 [1] 构件形式以及连接件性能都提出了新的要求 。 钢与混凝土组合结构通过合理的设计可以充分发挥两种材料性能的各自优势。组合结构桥梁较混 凝土桥梁具有自重轻,跨越能力大的优点,还可以减少混凝土结构施工中的支模工序。与钢结构桥梁 相比,可以增加结构刚度、减少用钢量、并较少受到疲劳荷载影响等优点。组合结构中的钢与混凝土 目前主要通过焊钉和开孔板连接件加以接合,焊钉连接件的延性好,力学性能不具方向性;而开孔板 [2][3] 。 连接件具有承载能力高,刚度大,不受疲劳荷载影响等特点 本文介绍了近几年所开展的组合结构桥梁基本构件及其结合部的试验研究概况,论述了焊钉连接 件与开孔板连接件的基础设计方法,并探讨了组合结构在大跨径连续梁桥、拱桥以及斜拉桥等中的应 用研究成果,展望了今后的发展方向。
c) 远期规划跨内横截面
该桥在中支点负弯矩区采用了双层组合结构,即在下翼缘采用刚度较大的开孔板连接件将混凝土 板与钢梁结合,形成整体截面共同受力。在负弯矩区范围内下翼缘加设混凝土板参与受压后,能够发 挥混凝土承压能力强的特点,减少现场焊接量,降低焊接难度,减少钢板厚度以及降低可能带来较大 的残余应力和变形等。施工时采用负弯矩区桥面板滞后结合与支点按序升降的方法,整孔组合梁架设 到临时支座后,钢梁在中支点处连结并现浇负弯矩区间的底板上混凝土,对各支点实施逐点顶升,然 [6] 后浇注负弯矩区预制桥面板接缝的混凝土,完全形成组合截面后,再回落到设计位置 。 组合箱梁的混凝土桥面板跨度以及外侧悬臂比较大,由悬臂端偏载产生的钢箱梁翼缘板上焊钉的 拉拔力较为突出。出现拉拔力的原因主要是腹板横向加劲肋与箱梁底板横向加劲肋以及横撑形成刚构 体,从而约束了钢翼缘板随混凝土桥面板的回转变形。为研究翼缘板焊钉的拉拔力作用问题,选取翼
图 10 闵浦大桥复合桁架节点构造/mm
图 11 复合桁架节点模型加载试验
5.3 新型组合索塔锚固结构
大跨度斜拉桥索塔锚固区受到强大的斜拉索集中力作用,钢锚箱与混凝土塔壁组合索塔锚固形式 充分发挥这两种材料性能的优点,利用钢锚箱承担大部分水平向拉力,混凝土塔壁承担大部分竖向压 力,满足索塔的受力要求,较合理的传递斜拉索力。世界前十位跨径的斜拉桥,其中有 7 座在索塔锚 [13] 固区中使用了组合结构。现有的组合索塔锚固形式主要有外露式和内置式两种形式,如图 12 所示 。 两种锚固形式钢锚箱自身应力水平相差不大,由于钢锚箱的变形,引起索塔混凝土塔壁的前壁外 侧及内侧有一定的拉应力。外露式锚固,为保证钢锚箱侧壁与混凝土塔壁的抗剪效果,须在塔壁施加 预应力;而内嵌式锚固可设置普通钢筋控制裂缝。采用外露式方案的斜拉桥有法国诺曼底大桥、希腊 Rion-Antirion 大桥。采用内嵌式方案的斜拉桥有香港昂船洲大桥、苏通长江大桥、鄂东长江大桥、 仁川大桥、上海长江大桥、济南黄河大桥等。
[10][11]
图 8 鄂东长江大桥混合梁结合部/mm
图 9 荆岳长江大桥混合梁结合部/m
5.2 闵浦大桥复合桁架节点
上海闵浦大桥为主跨跨径 708m的双层桥面斜拉桥,边跨加劲梁由外包混凝土的型钢弦杆主梁、钢 竖腹杆、钢斜腹杆、钢斜撑、预应力混凝土横梁与混凝土桥面板组成,构成了桁腹式组合梁体系,边 [12] 跨复合桁架节点构造如图 10 所示 。 采用复合桁架代替混凝土腹板,可以有效地避免由于顶底板的温度差及其腹板的干燥收缩引起的 应力,解决混凝土箱梁腹板出现裂缝的问题,改善结构的承载力性能及其耐久性。同时,复合桁架节 点的设计充分考虑了桥梁的服务功能、与环境相协调的景观美学、结构创新三者的结合,对于下层桥 面在行车时具有更好的视野。 复合桁架节点构造复杂,连接件处于不同的受力状态,作者对闵浦大桥整桥空间桁架梁以及局部 节点进行了有限元分析,设计了边跨复合桁架节点的 1:2.5 缩尺模型试验,如图 11 所示。通过节点 模型试验,验证连接件布置以及节点设计的合理性,对桁架节点的传力机理进行了分析研究。
Vu 1.4d 2 f ck 1.2d s f y
其中,V u 为抗剪极限承载力(kN) ;d为孔径(mm) ;f ck 为混凝土抗压强度(MPa) ;d s 、f y 分别为贯通钢 筋直径(mm) 、屈服强度(MPa) 。
2
3 连续梁桥中的组合结构应用研究
2.1 大跨径组合板腹梁桥
缘板长 1.35m 的范围,设计局部加载模型试件,如图 2 所示。试验结果表明:焊钉错开加劲肋布置相 比在加劲肋的正上方布置剥离量较小,因此在焊钉密布时应尽量避开加劲肋位置。
(a)正面 图 2 组合梁结合部局部模型加载试验
(b)侧面
2.2 新型组合折腹梁桥
近年来对用折形钢板代替混凝土腹板的组合箱梁,进行了剪切、弯曲、扭转以及疲劳等力学性能 的研究,并且将其应用于实桥。桥跨形式包括简支梁、连续梁、刚构桥和斜拉桥等,截面形式多为箱 [7][8] 。 形,也有三角形,施工方法包括悬臂施工、顶推和满堂支架施工 泰州长江大桥接线工程中的姚大路桥为四跨折腹式组合箱梁,跨径布置为(25+30+30+25)m,横 桥向斜交角为 70°。在边支点处及中支点分别设置厚 200cm 的横隔梁,跨中箱内设置厚度为 96cm 转 向块;预应力采用体内外预应力混合配束,体外索采用集中方式配置,钢索锚固在端横隔梁上,以较 大间距设置少量的转向块或者通过横隔板达到转向的目的。 底板连接采用一种新的结合构造,即钢翼缘板置于混凝土底板下部,在腹板下部和翼缘板上同时 布置焊钉连接件与混凝土底板相连,如图 3 所示。这一构造增加了连接件的布置空间,焊钉为侧立和 正立布置,与倒立焊钉相比,可保证混凝土的浇注密实性,提高焊钉的抗剪承载力。计算分析表明, 由于底部焊钉位于底板混凝土下部,承受拉拔力较小。且荷载偏心与否对于焊钉受力影响较小,说明 新型连接构造的使用可减小偏心荷载的影响,较好的改善了结合部位的受力性能,如图 4~图 5 所示。
其主梁结合段构造形式 。 作者分别设计制作了结合段节段梁试验模型与局部格室试验模型。节段模型中采用边箱梁 1:2 缩 尺模型,在各工况下施加 1.0 倍设计荷载,并考虑正负弯矩作用反复加载。主要测试结合部受力状态 及承载力性能、 开孔板连接件的应力分布以及钢混结合面的相对滑移。 局部模型试验自 1.0 倍加至 1.7 倍设计荷载,测试钢板及混凝土内部应力、钢与混凝土间的相对滑移。 并在有限元计算中研究了钢与混凝土之间的相对滑移以及连接件的传力作用,并进行非线性计算 模拟徐变作用的影响。分别建立结合部试验模型与局部格室试验模型的有限元模型,对各构件受力及 钢与混凝土相对滑移进行模拟计算,并将模型计算结果与试验所得进行了分析比较,详细分析了结合 部刚度过渡平稳性、可靠性以及混凝土收缩、徐变对应力的影响。
上海长江大桥主桥两侧为钢与混凝土组合连续箱梁结构体系, 单联跨度布置为 85m+5×105m+90m。 单幅箱梁桥面板宽度 17.15m,采用通长 5m 的等高梁,方便加工制造与施工吊装,组合梁截面如图 1 所示。活载按双向六车道公路与两线轨道交通标准设计,设计时考虑 6 线汽车及远期规划 2 线列车荷 载作用。