大跨连续组合箱梁桥的概念设计

文章编号:1003-4722(2008)01-0041-03

大跨连续组合箱梁桥的概念设计

邵长宇

(上海市政工程设计研究总院,上海200092)

摘　要:简要说明大跨连续组合箱梁桥概念设计的意义,明确概念设计阶段应该考虑的主要

技术问题。从总体布置、负弯矩区设计方法、结构关键构造、施工方法及其与设计的结合等方面,对该桥型概念设计所应把握的规律与要点进行分析论述。对负弯矩区桥面板设计原则、钢梁局部屈曲理论与构造的发展、设计与施工的相互依存性等关键问题的技术动态进行阐述,并指出其对大跨连续组合箱梁桥的技术与经济竞争力十分重要。

关键词:连续梁;箱形梁;组合梁;概念设计中图分类号:U448.216;448.215

文献标识码:A

ConceptualDesignofLongSpanContinuousCompositeBoxGirderBridgeSHAOChang2yu

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Shanghai200092,China)

Abstract:Inthispaper,thesignificanceofconceptualdesignoflongspancontinuouscom2positeboxgirderbridgeisbrieflyillustratedandtheprincipaltechnicalissuesthatshouldbecon2sideredattheconceptualdesignstageareclarified.Inaspectoftheoverallarrangement,negativemomentareadesignmethod,criticalstructuralformation,constructionmethodandthecombina2tionoftheconstructionmethodwiththedesignconsiderations,thelawsandessentialsthatshouldbewellunderstoodintheconceptualdesignofthetypeofthebridgeareanalyzedandex2pounded.Thetechnicaltrendsofthekeyissuesonthedesignprincipleofdeckslabsatthenega2tivemomentarea,developmentoflocalbucklingtheoryandstructuralformationofsteelgirderandinterdependencebetweenthedesignandconstructionaredescribed,andfinallythevitalim2portanceoftheafore2mentionedtothetechnicalandeconomiccompetitionofthelongspancontin2uouscompositeboxgirderbridgeispointedoutaswell.

Keywords:continuousgirder;boxgirder;compositegirder;conceptualdesign

1　前　言

概念设计堪称桥梁设计之魂。大跨度连续组合箱梁桥,结构形式与施工方法多样,结合具体的建设条件,每一座桥梁都有其创新发挥的空间,尽管如此,仍然有其内在规律和体系特征,把握这些规律和特征是做好概念设计的前提。重视概念设计,对工

程方案的合理性、创新性,既是重要的也是必要的。本文根据大跨连续组合箱梁桥的技术特点,对概念设计主要应该解决的总体布置、负弯矩区设计、结构关键构造、施工方法及其与设计的结合等方面的问题进行论述与探讨。

收稿日期:2007-11-06

作者简介:邵长宇(1963-),男,教授级高工,1984年毕业于同济大学桥梁工程专业,工学学士,2007年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业,工学博士。

422　总体布置2.1　跨径布置

3　负弯矩区设计方法3.1　性能特点

桥梁建设　　2008年第1期

在确定桥梁跨径时要结合实际情况,要考虑满足跨越要求、施工难度以及工程风险等,要兼顾上下部结构的技术经济合理性。连续组合箱梁桥所能适应的跨数与一联长度的变化范围较大,一联之中的跨径搭配关系较为自由;其施工常用钢梁先顶推到位再施工桥面板的方法,相邻孔跨不需要考虑类似预应力梁那种对称匹配关系,其边中跨比例也更具灵活性,但常用范围为0.6～0.8。2.2　梁高

简支组合结构桥梁,最能发挥钢与混凝土各自

的力学性能。但是,对于连续组合结构桥梁,中间墩附近受负弯矩作用,上缘混凝土受拉、下缘钢结构受压。一方面,受拉区混凝土开裂将影响结构的耐久性与使用性能;另一方面,下缘钢结构往往需要使用厚钢板,将导致现场焊接困难、残余应力等系列问题出现。连续梁负弯矩区上缘混凝土受拉配置预应力束筋时,由于收缩徐变的影响,预应力将损失大部分。不配预应力时,负弯矩区桥面板一旦开裂截面的承载性能将遵循非线性关系,要正确评估桥面板开裂影响,有许多问题需要研究。3.2　桥面板设计原则桥面板混凝土受拉问题,早期多采用配置预应力束筋的方法解决,但是,一部分预应力将加到钢梁上并产生不利影响,一部分甚至仅小部分施加到桥面板中,研究表明,随着跨度增加钢梁在结构中的比重愈来愈高,给桥面板施加预应力的效果越来越小[5]。此外,预应力还因混凝土收缩徐变而损失。因此,随着研究的深入,由原来的不允许出现拉应力或限制拉应力不允许开裂,发展完善了允许开裂、限制裂缝宽度的设计方法。这是组合结构桥梁的一项重要转变,它简化了构造、方便了施工,并以经济上更大的竞争优势促进了组合结构桥梁的发展。当然,允许桥面板开裂必然对普通钢筋的配置提出更高要求,不仅要有足够的配筋率,还需要以适当的钢筋直径以及钢筋布置与连接方式,实现对桥面板裂缝宽度及其分布的有效控制。因此,负弯矩区桥面板的设计原则应该考虑多方面因素作出选择。3.3　负弯矩区设计方法

不允许桥面板开裂几乎不可避免地要配置预应力,但显然并不尽如人意。正因为如此,百米级及以上跨度的连续组合箱梁桥,大部分不配纵向预应力。另一方面,为了有效地向桥面板施加预应力,发展了一些新方法,连接件采用群钉间隔布置就是其中一种,桥面板对应群钉设有预留槽,施加预应力后再浇注槽内混凝土实现结合[1]。允许混凝土桥面板开裂重要的是必须控制裂缝宽度[6]。因此,负弯矩区设计往往需要多种方法的综合应用。常用到桥面板分步间断施工法、支点升降法以及采用双层组合结构[7]等技术措施,以改善负弯矩区性能。此外,提高桥面防水层性能、提升混凝土品质也是有效方法。

梁高关系到结构的力学性能、施工性能等重要

环节。由于施工方法与过程的多样性,组合结构桥的高跨比波动范围较大。比如,施工时有无临时墩或吊索塔架,都将对梁高产生影响。根据对有关资料的统计,公路桥梁的高跨比,等高梁的范围为1/16～1/25,变高梁的范围为支点1/15～1/23、跨中1/32～1/47。施工时若无临时墩等措施,则高跨比较大;有辅助措施时,则高跨比减小。总之,连续组合箱梁梁高的选取,除了考虑成桥力学性能外,必须充分考虑施工方法的影响。2.3　截面形式

组合箱梁具有抗扭能力强、整体性好、适合曲线线路以及更能适应大跨与特殊要求等特点。早期常采用多箱截面,随着向大跨发展,逐步发展完善了单箱单室截面形式,并成为常用形式之一。为适应更大的桥面宽度,发展了大悬臂截面形式,成为宽桥新的选择。

组合箱梁桥的钢梁截面,通常可以分成槽形截面以及闭合截面[1]。槽形截面结构简洁、受力明确,是常用的形式。闭合截面钢梁抗扭性能好,但需保证混凝土板完全无渗透。从实际应用看,除非遇到特殊情况,一般很少采用。

单箱单室截面所能适应的桥面宽度可达20m左右[2]。对于更宽的桥面,一是分幅建设,二是增加箱室,三是增加两侧挑臂长度。在20～30m桥宽条件下,整幅桥面因上下部结构及其施工因素合二为一,可能较分幅建设更具竞争力。因此,大悬臂并用钢结构对悬臂进行加劲的截面形式[3,4],以其技术和经济上的合理性,成为近年来新的发展方向。各种截面形式的构造与受力体系不同,对应的下部结构也不同,因此,应在结构性能优越、施工方案合理、综合造价经济、美观耐久的条件下适当选择。

大跨连续组合箱梁桥的概念设计　　邵长宇43

负弯矩区的设计将是连续组合结构桥梁最为关键的技术问题,不仅关系到结构的性能,而且关系到结构经济性与耐久性等重要方面。因此,在概念设计阶段,应该针对不同设计原则与方法,综合受力与性能需求、施工方法与工程造价等因素充分比较。4　关键构造设计4.1　钢梁构造

力状况变化很大,尤其在负弯矩区受力更为复杂,必

须考虑连接件的类型、布置范围和间距等对组合结构的力学性能的影响,只考虑连接件承载能力的设计概念是不合适的[8]。

组合结构桥梁,特别是桥面较宽的单箱单室截面,还必须充分考虑连接件拉拔力的影响,考虑不同区段纵横向剪力变化及其与拉拔力的组合作用。尤其在对应腹板加劲肋与横隔板处附近的连接件有可能产生较高的拉拔力。因此,在概念设计阶段就需要从截面形式、桥面板与钢梁加劲构造等方面予以重视。

5　施工方法及其与设计的结合5.1　施工方法

钢梁构造包括连续的钢截面以及加劲构件。值

得注意的是,由于组合截面的中性轴接近上翼缘混凝土板,正弯矩区腹板的绝大部分区域处于受拉状态,这为减少甚至取消腹板加劲肋创造了条件。另外,当负弯矩区采用双层组合、下翼缘附加混凝土板后,将减小截面受压区高度与压应力水平,可以降低该区域腹板与底板抵抗局部屈曲的加劲需求。此外,板的屈曲荷载与边界约束条件关系甚大,规范中针对纯钢结构的、基于4边简支或3边简支1边自由板的约束条件的简化算法,对于组合结构桥梁过于保守。随着分析理论与方法的进步以及大量的研究成果与实践提供的经验,可以增大翼缘和腹板这些主体结构的断面,以便取消或减少水平加劲肋,减少垂直加劲肋及联结加劲杆件的数量,实现简化结构、降低材料消耗,使结构更加耐久。4.2　混凝土桥面板

桥面板的作用是多方面的。它首先是钢梁的合作者,其次是将荷载传递给结合梁。桥面板易受气温变化和盐类侵蚀的影响,提高其耐久性一直是追求的目标之一。根据施工方法、结构形式以及结合方式等,桥面板可分成现浇桥面板、预制桥面板和组合桥面板3种主要类型。目前应用最广泛的是现浇桥面板与预制桥面板,2种桥面板的施工方法以及收缩徐变效应差异较大,需要根据具体建设条件比选确定。从发挥现浇与预制2种桥面板各自优势出发,将两者组合使用,已经成为一些工程的选择[2,4]。桥面板的设计关系到结构受力、施工条件、工程造价等方面,应在同等可靠性、耐久性基础上,以技术经济合理性为目标,结合建设条件综合比较确定。4.3　钢与混凝土的连接

随着组合结构桥梁结构形式的不断发展,对连接性能提出了更高要求。不仅要求承担剪力,还要求能够承担拉拔力;不仅要求连接性能满足承载能力要求,而且要求能够满足组合结构整体性能要求。在连续组合结构桥梁中,从支点截面到跨中截面,受

组合结构桥梁施工普遍采用先架设钢梁、再施工桥面板的方法。这一方法可减小施工难度、方便施工,桥面板施工可借助贯通的钢梁。一般情况下,顶推施工不设临时墩,以充分发挥钢梁高强轻质的特点,当跨度较大时多采用吊索支架辅助施工。

混凝土桥面板主要采用现浇和预制2种施工方法。现浇施工多采用滑模法,较大跨桥梁通常采用间断法浇注,顺序为先跨中后支点,以此改善结构受力状态[9]。预制桥面板通常沿纵向、横向分块;整块预制常为预应力桥面板。桥面板的安装方法不同,成桥阶段结构受力状态也不同,对吊装设备要求不同。

钢梁先架设到位再施工桥面板是最为常用的施工方法。但有一些情况下,采用组合结构进行顶推或吊装架设,经济上更具有优势。5.2　设计与施工的结合组合结构桥梁在形成整体结构的过程中,施工方法与过程不同,最终的结构受力状态也不同。对于大跨度连续组合箱梁桥,为达到技术与经济等方面的优化目标,需要设计与施工相互结合,通过一些施工措施改善结构受力状况、促进力的合理分配,从而实现改善结构性能、降低材料消耗的目的。正因为如此,近年来出现设计与施工相互依存并密切配合的发展动态。桥面板间断施工法、钢梁预弯法、支点升降法以及压重法等的发展与应用,正是体现了设计与施工相互配合的设计理念,各种方法可以单独使用,也可以组合使用;设计者必须在结合工程具体条件的基础上,通过深入细致的比较作出经济合理的选择。

(下转第61页)

四渡河大桥钢桁梁节点板局部应力分析　　陈毅明,谭永高,吴游宇61

大值约为198MPa,边节点板VonMises应力最大

值约为145MPa,除各板倒角处应力值偏大外,其他部位应力均较小,一般不超过100MPa。钢桁梁节点板处的局部应力满足《公路桥涵钢结构及木结构

(JTJ025-86)及(GB设计规范》《钢结构设计规范》

50017-2003)的相关要求。分析结果表明该桥钢桁梁节点板结构受力是合理的。

图9　边节点板处整体应力分布云图

参　考　文　献:

[1]　赵廷衡,林荫岳.京九线孙口黄河大桥整体节点钢桁

顶板的倒角处,约为198MPa;边节点板VonMises应力最大值出现在主桁弦杆竖板与主桁腹板竖板的

倒角处,约为145MPa。其他部位VonMises应力均较小,一般不超过100MPa。4　结　论

梁[J].铁道工程学报,1996,(3):53-61.

[2]　王定文,刘爱荣,赖泉水.三角形箱形截面无节点板全

焊钢桁架人行天桥[J].桥梁建设,2002,(4):38-42.

[3]　史永彬,贾连光,许　峰,等.轻钢框架节点在反复荷

载作用下的有限元模拟分析[J].沈阳建筑大学学报

(自然科学版),2005,(3):211-214.[4]　赵金城,许洪明,上海科技馆单层网壳结构节点受力分通过对四渡河大桥钢桁梁节点板处的局部应力分析,可以看出,节点板处受力较复杂,各种不利荷载工况下,普通节点板处VonMises应力最大值约为232MPa,中央扣处中节点板VonMises应力最析[J].工业建筑,2001,31(10):7-9.

[5]　郭　勇,孙炳楠,郭　健,等.节点板连接K型钢管节

点的应力集中[J].建筑结构,2004,(6):23-27.

(上接第43页)

ofthe3rdInternationalMeeting,Madrid:2001.97-

6　结　语

109.

[3]　MiguelMartinPardina.AsNogaisandNaviaBridges

[A].CompositeBridges[C].Proceedingsofthe3rdInternationalMeeting,Madrid:2001.555-561.[4]　GeroAMarzahn,MarkusHamme,WolfgangPrehn,

etal.AState2of2the2ArtComposite[J].Structural

组合结构以其整体受力的经济性,发挥2种材料各自优势的合理性以及便于施工的突出优点而得到广泛应用。组合结构桥梁的发展及其竞争力的形成,离不开计算方法与设计理论的发展进步,对于大跨度连续组合箱梁桥,结构形式的变化拓展了适应能力,负弯矩区设计方法的发展成为跨度突破与实现经济耐久的重要支撑之一,钢梁及其加劲系统的简洁化促进了材料合理分布并降低了用量,设计与施工紧密结合促进了经济竞争能力的提升与结构性能的改善。尽管当前我国组合结构桥梁应用远不及欧美日等国普遍,相信组合结构桥梁在中国一定会得到应有的重视与发展,这正是本文的目的所在。

EngineeringInternational,2007,(1):35-39.

[5]　Jean2MarcDucret,Jean2PaulLebet.BehaviourofCom2

positeBridgesDuringConstruction[J].StructuralEn2gineeringInternational,1999,(3):212-218.

[6]　MiguelGomezNavarro,Jean2PaulLebet.Concrete

CrackinginCompositeBridge:Tests,ModelsandDe2signProposals[J].StructuralEngineeringInternation2al,2001,(3):184-190.

[7]　ReinerSaul.BridgeswithDoubleCompositeAction

[J].StructuralEngineeringInternational,1996,(1):32-36.

[8]　白　玲,史永吉.复合结构桥梁的特性[J].中国铁道

参　考　文　献:

[1]　刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,

2005.

[2]　GerhardHanswille.CompositeBridgesRecentlyBuilt

inGermany[A].CompositeBridges[C].Proceedings

科学,2003,(1):80-87.

[9]　谢红兵.斯本莱恩和威尔考-哈斯劳钢组合梁无纵向

预应力桥面板的设计与施工[J].国外桥梁,1999,

(1):29-32.