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【技术】大规格H型钢组合梁未来可期彩霸王论坛

更新时间:2019-10-17

  钢混组合梁能充分发挥钢和混凝土各自优点,结构自重轻、桥墩基础规模小、架设方便、绿色环保,在国外应用较多,但在我国公路桥梁建设中的占比不到1%。2016年,交通运输部研究决定推进公路钢结构桥梁建设。然而,钢混组合梁的钢梁采用钢板焊接,工程造价高。

  大规格H型钢组合梁,采用大规格热轧H型钢代替传统的焊接钢板梁,通过研究发现,该方案可显著降低工程造价,有利于钢混组合梁的推广,提高桥梁建设工业化水平。

  截至2018年底,我国公路总里程已达484.6万公里,公路桥梁85万座。据统计,钢结构、钢混组合结构桥梁长度占比仅为1%,常用跨度桥梁基本为混凝土梁桥。

  钢混组合梁,钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体并共同受力,能够充分发挥钢及混凝土各自的优点,结构自重轻,桥墩基础规模小,架设方便。与钢梁相比,节省用钢量且解决了钢桥面铺装使用年限短的问题;与混凝土梁相比,自重轻且施工速度快。彩霸王论坛745888彩图

  钢混组合梁组合形式多样,钢梁截面包括工字梁、箱梁、桁梁等。钢混组合梁在我国公路大跨度拱桥、斜拉桥、悬索桥中均有应用。2015年开工建设的河北怀来官厅水库特大桥,主桥采用720m单跨悬索桥,加劲梁采用免涂装耐候钢-混凝土组合梁。

  钢结构全寿命周期性能优异,可循环利用,绿色环保。2016年,为推进公路桥梁建设转型升级,充分发挥钢结构桥梁性能优势,交通运输部研究决定推进公路钢结构桥梁建设,并出台《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》,推广钢混组合梁是行业发展的内在需求。由于目前钢混组合梁的钢梁采用钢板焊接,工程造价高,30~40m的常用跨度钢混组合梁,在我国公路、城市桥梁建设中的应用极少。

  大规格热轧H型钢组合梁,采用热轧H型钢代替传统的焊接钢板梁,显著降低工程造价,符合可持续发展的理念。大规格热轧H型钢组合梁技术可提高桥梁建设工业化水平,是符合节能环保产业政策的新技术。

  热轧H型钢广泛应用于建筑结构、海工结构、桥梁施工临时结构,工厂分割,现场拼装。与焊接钢板梁相比,减少加工工序,节省人工和时间,力学性能好。通过研究发现,采用大规格热轧H型钢代替传统的焊接工形梁,仅在纵梁支承加劲肋、横梁连接位置有少量焊缝,降低工程造价。研究内容包括合理结构形式研究、结构承载能力研究、大规格热轧H型钢应用技术研究、快速施工架设工艺研究等。

  钢混组合梁采用大规格热轧H型钢,工程造价低;热轧H型钢,晶体组织均匀,疲劳性能提高;桥墩基础规模小,装配化施工,绿色、环保、节能;是落实交通运输部《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》的需要;是贯彻我国十三五“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的需要。

  热轧H型钢相关的国家标准包括《热轧型钢》(GB/T 706-2016)、《热轧H型钢和部分T型钢》(GB/T 11263-2017)。热轧H型钢现有规格最大腹板高度1118mm、最大翼缘宽500mm、最大翼缘厚度115mm,均为对称截面。热轧H型钢用于公路常用跨度钢混组合梁,型钢断面需进行优化,需轧制大规格H型钢。

  连续结构可减少伸缩缝设置、减小跨中正弯矩,但负弯矩区混凝土板受拉易开裂;简支结构则充分利用钢结构受拉、混凝土结构受压的特性。因此,可采用结构简支、桥面连续构造,提高行车的舒适性。大规格H型钢组合梁,采用密纵梁体系,H型钢纵梁的横向布置间距2.5~3.5m;在支点位置设置端横梁,按间距6~8m设置中横梁,均采用H型钢。抗剪连接件采用剪力钉,采用预制混凝土桥面板,在纵梁、横梁上翼缘设置湿接缝,混凝土板厚22~25cm。

  根据受力特点,大规格H型钢采用上翼缘窄薄、下翼缘宽厚的经济断面。H型钢采用无肋构造,通过适当加大腹板厚度满足局部稳定性要求,仅在梁端设置支承加劲肋。上翼缘宽度需满足布置剪力钉的构造宽度要求,根据计算确定下翼缘的宽度、厚度。大规格H型钢采用万能轧机轧制。

  选取双向四车道高速公路简支组合梁进行计算,单幅桥面宽度12.25m,跨度包括30m、35m、40m,钢梁材质采用Q345q、Q420q、Q500q,混凝土桥面板采用C50。根据强度、刚度计算,确定满足受力需要、经济合理的截面高度。《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015),活载挠度限值为L/500;《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013),活载挠度限值为L/600;《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)未包含Q500钢材,强度设计值按材料分项系数1.25计算。主要计算结果如图6-9。

  根据计算,常用跨度大规格H型钢组合梁强度控制设计,活载挠度均小于L/600。大规格H型钢截面高度800~1600mm,采用高强钢材可降低梁高。腹板设置竖肋,可减少腹板厚度,用钢量节省10%左右,但增加了焊接工作量。热轧H型钢采用无肋构造,与焊接钢板梁相比,用钢量有所增加,但增加腹板厚度提高了结构耐久性,减少了焊接成本,应综合分析比较。

  对30m跨度的混凝土小箱梁、大规格H形钢组合梁两种结构进行工程费用估算,按地震设防烈度为8度、基础为钻孔灌注桩考虑,大规格H型钢组合梁可降低造价5%左右。

  公路常用跨度钢混组合梁的发展趋势:减少横联、腹板加劲肋设置,简化结构构造;采用高强钢材,节省用钢量;推广高性能耐候桥梁钢,减少后期维护;研究应用大规格热轧H型钢组合梁,降低工程造价。

  据统计,2017年我国公路桥梁增加2.7万座、3100公里;2018年我国公路桥梁增加1.9万座、3430公里。以此估算,如果50%的新建公路桥梁采用大规格H型钢组合梁,每年的用钢量大约在500万吨左右。

  未来,期待国内大型钢厂、设备厂家与设计企业开展合作,进一步开展大规格H型钢组合梁的关键技术研究,包括H型钢合理截面、轧制设备及参数、材料设计、力学性能等,必将有利于推动我国公路、城市桥梁钢混组合梁桥的建设发展。

  《桥梁》杂志于2004年创刊,以促进科技发展,传承桥梁文化为办刊宗旨。以关注中外桥梁史上值得借鉴的案例、共享中外桥梁史上前沿的创新成果、结识中外桥梁史上久负盛名的大师、浏览中外桥梁史上蕴涵的悠久文化为办刊特色。杂志面向国内外发行,提供国内外桥梁界最新的学术动态及实践成果,以独特的视角报道桥梁工程设计、施工、科研、监理、管理、文化等内容,全方位反映桥梁科学技术创新,展示桥梁美学文化。设有关注、专题、亮见、资讯、技术、人物、文化、会客厅等栏目,集科技与文化为一体,具有可读性、实用性及收藏价值。


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