基于高性能等厚钢的窄钢箱组合梁桥技术研究

2021-03-05汪志甜杨大海

工程与建设 2021年6期

汪志甜，杨大海

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088)

1 工程概况

1.1 高性能钢的综合性能

高性能钢是一种综合优化了材料力学性能,便于加工制造,可用于低温和腐蚀环境,同时具备较高性价比的桥梁结构用钢。它不仅保持了较高的强度,而且在材料的抗腐蚀和耐候性能,可焊性和抗脆断性能等方面都比传统的钢材有明显的提高和改善。高性能钢以优化的、均衡的各种性质在桥梁结构中展现最佳性能，同时保持经济的成本。图1表明Q500qE钢在高屈服强度和抗拉强度的同时，还具有良好的塑性。

图1 345qD钢与不同屈服强度Q500qE钢标准试件拉伸应力-应变曲线

高强钢的应用不仅减小了钢板的厚度进而减轻结构自重，同时也减小了焊缝的尺寸从而减少焊接工作量、提高焊缝质量。因此，在一定程度上缩短了施工工期，同时延长了桥梁的使用寿命[2]。高性能钢桥充分发挥了高性能钢的优越性,给社会带来显著的效益。

1.2 高性能钢国内外应用情况

近十多年来,高性能钢在桥梁工程中的应用越来越广, 取得了良好的效果。

(1)美国。美国是较早适应高性能钢国家之一，自20世纪90年代以来,由美国钢铁学会、美国联邦公路管理署、美国海军和米塔尔美国公司联合立项研究高性能钢,先后开发了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列钢种。应用实践表明,与传统的桥梁用钢相比,使用HPS系列高性能钢可以达到桥梁制造成本降低约18%、重量减轻约28%的效果。高性能钢的应用在美国呈现逐年增加的态势,在美国的42个州已有数百座桥梁采用了高性能钢[3]。

(2)日本。日本相继开发了BHS500及BHS700系列高性能桥梁用钢, 实践证明，对于悬索桥和斜拉桥,减少桥梁结构的自重能显著减少，屈服强度为700 MPa的高性能桥梁用钢对于这类桥梁的减重非常有效。考虑到梁式桥占桥梁类型的大多数,500 MPa已成为日本高性能桥梁用钢最基本的强度值。日本东京湾海岸高速公路使用了16 000 t BHS高性能钢,使桥梁减重3%并可使建设总成本减少12%。

(3)欧洲。在欧洲, 但大跨度桥梁(跨度超过150 m)采用钢结构已成为主导,例如,连接哥本哈根(丹麦)与马而默(瑞典)的厄勒海峡大桥,是一座总长16 km的斜拉桥,其钢结构的总重为80 000 t,所用钢种为S355M、S420M、S460ML,其中S460ML总重超过了25 000 t[4]。

(4)中国。我国钢桥的比例仍很低。截至2015年底，全国公路桥梁75.7万座中，钢结构桥梁不足1%；而美国钢结构桥梁占35%，日本钢结构桥梁占41%。

在重要通道的特大型桥梁中，高性能钢可在几类关键构件中得到充分应用，这不仅关系到工程费用的节省与否，甚至关系到工程的成败。

表1 我国高性能钢桥应用情况

2 基于高性能等厚钢的窄钢箱组合梁桥设计方案

G42S上海至武汉高速公路无为至岳西段(岳武东延段)永安河特大桥全长1.14 km，上部结构采用55 m跨径简支窄钢箱组合梁和35 m跨径钢板组合梁，其中55 m跨径简支窄钢箱组合梁共计6座。

(1)标准横断面。如图2所示,桥梁宽度为12.74 m，横向布置为0.49 m护栏+11.75 m行车道+0.5 m护栏，横向布置2个箱梁，钢箱梁宽2 m，钢箱梁中心线高2.75 m，中心距6.75 m，预制桥面板厚22～40 cm。

图2 桥宽12.74 m窄钢箱横断面图(单位：mm)

(2)钢箱梁。全桥54.9 m钢箱梁分成5个制作段(11.5+10+11.9+10+11.5) m即(Ⅲ+Ⅱ+Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)。其中Ⅰ梁段主要采用Q500qD钢，Ⅱ梁段主要采用Q460qD钢，Ⅲ梁段主要采用Q345qD钢；顶板采用22 mm等厚板，底板采用26 mm等厚板，腹板厚12～14 mm；混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。钢箱梁内设置25b号工字钢横撑，纵向间距，如图3所示。腹板设置横向加劲肋，加劲肋宽度200 mm，厚度14 mm，纵向间距，如图3所示。 Ⅲ梁段腹板设置一道纵向加劲肋，Ⅰ、Ⅱ梁段腹板设置两道纵向加劲肋。主梁之间采用横梁加强横向联系，端支点设置端横梁，钢主梁与横梁之间采用焊接连接,如图4所示。

图3 钢箱梁一般构造立面图(单位：mm)

图4 端支点横梁和一般横梁布置图(单位：mm)

《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)要求焊接接头的低温冲击功不应低于母材标准，但《桥梁用结构钢》(GB/T 714-2015)已将Q345qD、Q460qD及Q500qD钢材冲击功提高至120 J，而当前技术条件下焊接接头低温冲击功无法满足《公路钢结构桥梁设计规范》。本桥结构受力特点，综合考虑焊缝强度、疲劳等问题，同时借鉴国内外高强钢桥设计经验，对钢板焊接接头力学性能提出以下要求：

表2 钢板焊接接头的力学性能

3 结构安全性

采用MIDAS CIVIL2017有限元软件建立有限元模型，如图5所示，利用“梁格法”并采用三维梁单元分别模拟桥面板、钢箱梁，二者连接关系通过刚性连接，这种模拟方式较“施工阶段联合截面”对于模拟桥面板收缩徐变对结构的作用更加精确，同时能够提高建模效率。

图5 全桥有限元模型

参照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，计算中考虑结构自重、二期恒载、汽车活载、温度作用以及支座沉降。主要计算结论见表3。

表3 主要验算结果

计算结果表明，该结构安全合理，钢梁Ⅰ梁段最大应力364.3 MPa，材料利用率95%，结构安全经济。

4 施工便利性

基于高强等厚钢的55 m跨径简支窄钢箱组合梁顶、底板采用等厚钢板，较常规钢桥梁，焊接更为方便，焊接质量更有保障。该结构采用高强钢结构自重轻(钢箱梁全桥重168t)，运输吊装便利。根据现场不同情况可采用汽车整孔吊装或架桥机架设施工，桥面板后浇湿接缝采用C55抗裂超早强无收缩混凝土，能够确保桥面板和钢梁快速结合，缩短架梁工期。综上分析，该类结构较常规钢桥、钢混组合桥梁施工更为便利、快速。