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[转发] 关于中小跨径钢混组合结构桥梁的一些思考和总结

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fsxdyb 发表于 2017-5-16 07:51:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
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结构体系: 梁桥 » 其它
桥梁部位: 上部结构 » 梁 » 主梁
材料: 组合

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2016年7月,交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》,鼓励在方案比选的前提下,因地制宜,择优选择钢结构桥梁。在此背景下,我院在最近的两个项目(G65改扩建和苏化线)中,积极推进并使用钢结构桥梁。这两个项目实施的过程,主要是跟安徽省院合作,在中小跨径桥梁中大量使用钢混组合结构桥梁,在项目设计以及自己的学习的过程中,对钢混组合结构桥梁有了一些自己初步的了解和认识,在此不揣浅陋,基于所了解的一些资料和自己的学习思考,主要针对钢板组合梁从几个方面总结一下自己对中小跨径钢混组合结构桥梁的认识并提出一些个人见解。1 z/ Y0 k( r, a2 Y! Y4 q
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钢混组合结构的起源及国内外现状
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5 C# D6 s1 k; j) I3 t* ]. `/ h! Y" w用混凝土作桥面板与钢梁结合的现代组合结构桥梁,早在1935~1936年就出现在瑞典的道路桥梁中。二十世纪30年代是欧美各国桥梁技术和设计理论的一个重要发展时期,其中焊接技术的发明为组合结构的发展创造了更有利的条件,即在钢筋混凝土板与钢梁之间的连接可以采用焊接代替最初的铆接方式。20世纪60年代是欧美各国和日本桥梁建设的黄金时期,组合结构桥梁以其整体受力的经济性,发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工的优点而得到广泛的应用,建造了大量的各种形式的组合结构桥梁。
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日本在1950年开始建设公路和铁路组合梁桥,并于1959年制定了关于公路桥的组合梁设计施工规范。欧美等发达国家在深入研究的基础上,基础理论得到长足的发展,建立了一些新的设计方法,结合工程实践开发了新的施工方法。特别是20世纪80年代以来,组合结构桥梁在西方发达国家获得了高速发展,组合结构桥梁占有重要地位。% _) v4 h* `# z8 n  s
" T# c  z# O6 t6 ]" b; d但是组合结构桥梁的发展也并非一帆风顺,20世纪60年代以前建设的组合结构桥梁,许多因混凝土产生严重裂纹和剪力键的疲劳破坏,大大降低了其承载能力和耐久性,因此在20世纪60年代末至80年代初,组合结构桥梁的建设受到较大的影响,以法国为例,当时组合结构桥梁建设仅占2.5%。, c  C. K' f6 A
* k! p' B7 s- N0 n7 o不得不承认,我国的组合结构桥梁技术,还是以引进为主。20世纪90年代我国组合结构桥梁才开始发展,工程实例也只是大多零散出现在城市高架中,大规模应用尚未出现。大跨度桥梁以南浦大桥、杨浦大桥率先开始在国内使用钢混组合结构桥面系。铁路桥以芜湖长江大桥为代表率先采用组合钢桁梁,在秦沈铁路客运专线上,试验性的采用了组合结构简支梁与连续梁。由于国内组合结构桥梁应用较少,我国在组合结构桥梁的研究及应用方面相对滞后,组合结构桥梁设计指南或者规范也尚不完善,设计人员设计组合结构桥梁基本只能参考国外规范或者是其他行业规范,所以设计和推广这种结构存在很大困难。而且由于基础理论和研究的滞后和缺乏相应的指南或者规范,即使采用组合结构桥梁,往往经济指标偏高,不能充分体现组合结构的技术经济优势。总之,我国在组合结构桥梁的应用方面远不及欧美日等发达国家普遍。
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在组合结构桥梁中,钢板组合梁桥由于构造简单、制作与施工方便,得到大量广泛应用,钢板组合梁桥从欧洲开始发展起来,目前仍然是美国、欧洲及日本组合结构桥梁的主力桥型。所以在国内发展钢结构桥梁的大趋势下,钢板梁也极有可能是交通部出台文件后在中小跨径中应用势头最好的桥型。国内对日本钢桥技术认可程度较高,所以国内对于钢板组合梁桥的引进还是以日本的传统小间距钢板梁桥为主流,根据我院2016年的调研结果和掌握的资料,以河北省院和甘肃省院为首拟推行的钢板组合梁通用图主要还是以日本和美国(日本与美国风格类似)的钢板组合梁为参照。但是近年来,以上海市政和安徽省院为代表,开始引进欧洲(主要是法国)的大间距钢板组合梁,法国钢板组合梁对传统的结构体系进行了大幅度简化,中小跨径桥梁以双主梁钢板组合梁为主流,基本上不设置横撑和腹板纵向加劲肋,被认为是一种极具经济性的桥梁形式之一。基于掌握的资料,笔者大胆揣测,国内钢板组合梁的推广使用目前仍然是对日美和法国的两种结构形式或者说两种流派的一种引进消化吸收再结合国内实际情况进行微创新的过程。
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" g3 V6 l$ b2 |/ c两种钢板组合梁的结构特点及适用范围, i. z% E0 m4 W2 a6 R1 F) i  \
8 V" D! F" `) \日本传统小间距钢板梁主要是指梁间距不超过4m(即桥面板跨度不超过4m)的钢板组合梁。其典型的横断面布置是主梁间距不超过4m(以前的日本规范为3m),以2.5m ~ 3.8m为宜,桥面板的悬臂长度在1.5m以内,采用这样的主梁间距桥面板可以采用钢筋混凝土桥面板,跨中板厚可以控制在26cm以内,悬臂根部板厚可以控制在36cm以内。通常一个车道设置一根主梁。传统小间距钢板梁主要适用的跨径为20~50m,在此跨径范围内且梁高有一定限制时,小间距钢板组合梁是一种较为经济的结构形式。而且能够适用于斜桥和弯桥,但是斜角角度一般控制在60度以上,以70度以上为宜,由于钢板梁的抗扭刚度较小,用于曲线时应按弯桥设计,考虑翼缘弯矩产生的次应力,并应加强平面纵向联系等措施,且日本一般认为弯桥的单跨中心角度超过5度时一般应避免采用钢板组合梁,超过15度时一般采用箱梁。$ G$ O+ C( q+ p& R- W' o$ ?# v
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随着技术的发展和进步,日本从20世纪80年代末也开始对钢板组合梁桥的承重体系进行研究,大幅减少横撑和腹板加劲肋的同时,开始采用大间距钢板组合梁,把2车道公路桥的主梁由原来的4根减少到2根,但是日本大间距钢板梁与法国的主要区别是桥面板的最大跨度限制以6m为标准,根据桥面板正负弯矩的平衡来确定主梁的间距,主要适用于双车道桥梁或宽度较小的三车道桥梁。大间距钢板组合梁桥采用钢混组合桥面板或者预应力混凝土桥面板,因此主梁的数量减少,横梁、横联等结构可以简化或者省略,较少的主梁数量也可以减少钢结构的加工、运输和安装成本,当跨径达到50~60m且梁高不受限制时采用大间距钢板梁比较经济,其典型的断面形式也是双主梁。! b5 |/ |0 l' _# ^" i8 Q; p
' [8 y6 Z! C7 H* t6 T法国从1980年代前后开始集中力量进行钢混组合结构的开发研究,建设了许多具有前瞻性的桥梁。其中,在钢板组合梁方面,对传统的结构进行了大幅度的简化,把双主梁的钢板组合梁当成中小跨径新建桥梁的主流。法国于1985年制定了双主梁组合钢板梁桥设计指南,1990年又加以改定(安徽省院双主梁钢板组合梁的很多构造、细节和结构尺寸就是根据法国的钢混组合结构设计指南Steel-Concrete_Composite_Bridges_Sustainable_Design_Guide拟定)。在法国的桥梁市场,组合结构最有竞争力的跨径范围为60 ~ 80m,甚至可达30~110m。
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& R$ P8 P2 X8 W, @( L. s法国的双主梁钢板组合结构桥梁的主要结构特点是大部分情况下取消纵向加劲肋和平面纵向联系,对横向连接系进行简化,增厚腹板以增大竖向加劲肋的间距。根据主梁间距,双主梁钢板组合梁采用的预应力桥面板一般设计为横向承重或纵向承重,对应主梁间的横梁分成大横梁和小横梁。主梁间距不大时,一般采用小横梁体系,桥面板仅与主梁纵向结合,两片钢主梁设置横梁相互连接,横梁与桥面板不连接,不支撑桥面板,小横梁的间距一般小于等于8m,小横梁的设置对施工具有重要作用。当桥面板宽度较宽,主梁间距较大或桥梁跨径较大时,为降低桥面板厚度一般采用大横梁的结构体系,大横梁与桥面板连接并支撑桥面板,与桥面板共同受力,大横梁纵向间距一般不做变化,间距一般为4m左右。
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钢混组合结构设计计算和构造的一些体会
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2 g8 v% k) T9 P0 ^  S0 F! k主梁纵向整体计算
钢混组合结构桥梁采用剪力连接件将钢主梁和混凝土桥面板结合成组合截面共同工作,充分利用混凝土受压和钢材受拉的性能。从钢混组合结构设计原理来讲,钢混组合桥梁纵向整体计算是假定混凝土和钢梁结合后断面整体性良好,受力后依然符合平截面假定,将混凝土换算成等效的钢截面,因为钢材材料均质且各向同性的特点,从某种意义上讲,钢混组合结构桥梁纵向整体计算比混凝土桥梁更加简单直观。但是从计算原理的假定前提来看,组合结构桥梁受力的关键所在是钢梁和混凝土板的连接部位的抗剪连接,抗剪连接处受力复杂又是容易产生疲劳破坏的地方,特别是在组合梁负弯矩区工作的混凝土桥面板,因为要承受拉应力,所以如何通过计算和构造合理安全的设置抗剪连接件保证纵向整体计算符合平截面假定让混凝土板和钢梁整体性能良好是关键点。其次,钢混组合结构桥梁的还要考虑混凝土材料的收缩和徐变效应,和混凝土板与钢梁导热性能不同所产生的温差应力,在2015年《公路钢结构桥梁设计规范》和《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》颁布以前,国内公路钢桥设计规范滞后,设计人员设计过程中无据可依,大多数是参考国外规范,2015版钢桥规范颁布后,对收缩徐变的效应计算参考了Euro4和日本规范,采用有效弹性模量法进行计算。在安徽省院学习的过程中,大部分人依然按照混凝土桥梁的做法考虑收缩徐变效应,个人认为不妥。7 ]- `3 {9 U+ C; `; W, O6 s
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桥面板
对于负弯矩区桥面板纵向设计计算,由于施加预应力效果的不理想,现在常用的设计方法是允许开裂并限制裂缝宽度的设计方法,但是《公路钢结构桥梁设计规范》11.3.3条和《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》7.5条均只给出计算方法和相应的规定,并未明确给出桥面板纵向设计的原则和方法。安徽省院主要是参照德国DIN规范(与Euro4规范一致),根据裂缝宽度限值采用限制钢筋应力和最大钢筋直径的方法进行设计。
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对于钢混组合结构桥面板横向设计计算,由于钢混组合结构的混凝土桥面板与混凝土桥的钢筋混凝土桥面板在受力性能和工作性能上都存在一定的差异,不能简单套用混凝土桥面板的设计计算方法,钢混组合桥梁的混凝土桥面板必须考虑纵梁刚度的影响(吴冲-《现代钢桥》)。对于具体项目的设计而言,为了设计的方便和直观,一般会采用一些近似的简化算法,根据所查阅的资料,对于桥面板的横向简化计算,美国ASSHTO和日本规范有关于混凝土桥面板计算法方法的规定,就是采用经验公式的计算方法,但是如前所述,日本规范的大间距钢板梁仅限于梁间距6m,故对于目前安徽省院所采用的较大间距的双主梁钢板组合梁来说,并不适用,所以目前对这种大间距双主梁钢板组合梁桥面板横向计算依然只能通过通用有限元软件直接采用弹性支撑的连续板进行设计计算,工作量较大,对设计人员的理论水平要求也较高。
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材料与构造
钢桥的发展离不开材料的进步和构造的改进。从我国第一批自主设计建造的钢桥——京张铁路121座钢桥到第一座现代钢桥——钱塘江大桥到万里长江第一桥——武汉长江大桥,当时的钢材全部依赖进口,直至南京长江大桥我国才采用国产的16Mn(Q345)钢,结束了钢桥材料依赖进口的局面。从南京长江大桥之后,九江长江大桥首次采用国产15MnVNq60级高韧性钢(Q420),芜湖长江大桥采用高韧性14MnNbq(Q345、Q370)钢,随着钢材性能(强度、韧性、可焊性)的不断提高,我们桥梁设计所采用的板厚才能不断加厚,跨度才能不断突破,结构形式才能不断创新,所以钢结构的发展离不开材料的不断进步。这些资料给我的启发是,设计钢混组合结构桥梁,必须要了解材料以及焊接工艺等方面的知识,虽然材料和焊接作为一门完整的学科,我们不可能去完全的掌握它,但是跟桥梁设计相关的一些必备的知识还是需要的。如果不甚了解,就会在设计的过程中轻则浪费,重则造成安全隐患。比如设计的中有些中小跨径桥梁气温不太低的地方明明可以用Q345D却非得要用Q345E,明明可以用Q345E却偏偏要用Q345qE,造成经济指标的浪费和建造过程中材料采购的困难;对焊缝的不了解有可能导致设计中随意加大焊缝或者采用不合适的焊缝形式,对结构造成不可逆转的缺陷,留下安全隐患。
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% {$ N, Z2 E; T7 u! p如前所述,日本和法国的钢板组合梁的发展过程也是伴随着构造不断简化的过程,钢结构桥梁不同于混凝土桥梁的一个很重要的特点因为钢结构构件尺寸较小,稳定和疲劳问题更加突出,对应的就是构造和细节措施特别多,有些构造细节是随着理论的发展能够计算出来的,有些构造细节是计算不清楚根据实践和经验拟定出来的。虽然目前中小跨径的钢混组合结构桥梁的很多构造细节已经有成熟的经验,规范上也有相应的规定,但是我们在设计的过程中我觉得仍需要知其然更需要知其所以然,这样才能知道哪些部位能够简化结构,哪些部位需要尺寸富裕。一个印象深刻的例子就是,安徽省院钢板梁的某些板件的尺寸和构造的设置是不符合《公路钢结构桥梁设计规范》关于稳定的要求的,后来通过交流和咨询规范主编人员,发现规范规定的尺寸和构造要求只是适用于一般纯钢板梁,钢混组合梁截面由于中性轴的上移,钢梁受压区的缩短,确实没有必要为了稳定要求设置尺寸和构造的限制。
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从个人的角度看,我觉得钢结构设计材料、构造和细节跟计算同等重要,甚至更重要,不能只重计算而忽略构造细节。
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. C% }; e0 e, l规范
因为公路钢桥规范的滞后,在《公路钢结构桥梁设计规范》颁布以前,很多人都是参照国内铁路规范和86版的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》并结合国外规范进行设计,其中铁路规范和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》有一个共同的特点就是都是采用的容许应力法,而2015版《公路钢结构桥梁设计规范》是采用以概率论为基础的极限状态设计方法。在安徽省院学习的过程中,我发现大部分人还是习惯于用容许应力法进行设计,虽然基于规范的延续和习惯,这两套规范在承载能力极限状态下的安全度是差不多的,但是从本质上讲,这两种方法是有根本性的区别的,个人认为以后在设计的过程中还是应该采用概率论为基础的极限状态设计方法。
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说到规范,特别是还跟法国的钢混组合结构有关,就不得不提到欧洲的规范,前面提到安徽省院采用的法国的设计指南和德国的DIN,随着欧洲规范2010年正式实施,之前平行适用的各国规范已经逐步被欧洲规范(Eurocodes)所取代。对于钢混组合结构桥梁,基于笔者所了解的资料,欧洲规范中的Euro4是世界上第一部系统而全面的钢混组合桥梁结构规范。欧洲规范适用范围广,包括建筑结构、土木工程结构和特殊结构,对桥梁而言,欧规不仅适用于公路桥和铁路桥(包括高铁桥梁),也适用于人行桥和自行车桥,不仅适用于不同设计寿命要求的临时结构和永久性结构设计,还适用于既有结构的加固改造。 从所涉及的各种对象、材料、结构来看,欧规体系庞大、内容丰富,不仅凝聚了欧盟各成员国近几十年的工程设计精华,也在一定程度上吸纳了国际土木工程的科技成果,是一套代表当今世界先进水平的结构设计标准。从国际桥梁的投标中,日本和美国的桥梁设计公司的业绩远逊于德国、法国、英国、丹麦等欧洲国家,一个很重要的原因是他们都共同采用的欧洲规范,设计出来的桥梁材料指标都比较低,经济指标较好。所以安徽省院所引进的法国的双主梁钢板组合梁经济指标较好,跟欧洲规范所采用的先进理论和成果是分不开的。我们在设计钢混组合梁的过程中,为了更好的了解结构的性能,达到比较好的经济指标,欧洲规范是一个非常值得学习和借鉴的参考资料,当然由于语言的限制,学习起来有难度。8 I2 G, S- w$ y# _  f; g( O
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个人的一些不成熟的见解
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3 p- D7 N) Z3 a! e% J$ tG65改扩建和苏化线两个项目,因为跟安徽院的合作,对于钢混组合结构桥梁设计,我们从基础为零,到现在已经有了一定的概念和了解,但是不敢说完全的掌握和了解,存在的问题和需要学习的短板依然很多。当然这有很多客观的原因,交通部发布的文件说因地制宜,择优选择钢结构桥梁,具体项目实施却不管三七二十一,基本全做钢桥,导致工作量巨大,设计周期又太短,在加上设计人员本身对钢桥技术以前了解甚少,最后只能以限定时间完成项目设计为目的,照着葫芦画了个瓢,有可能有些人连葫芦长啥样还没完全搞清楚。本来安徽省院的钢混组合梁是以良好的经济性作为竞争优势,但是经济性是以技术保障为前提的,在如此仓促的设计节奏下,经济性已经大打折扣,我认为长期来看,也许根本不利于钢结构桥梁的持续发展。
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/ G; F* B2 E; O9 r+ y7 w; A最后,以积极推进并实践法国钢混组合结构桥梁的邵长宇大师在杭州钢结构桥梁技术交流会的讲座中的一句话作为结语。, l+ s' p3 U6 H. s4 P
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对于新技术的推广应用,工程经济性和实践检验十分重要。不关心工程经济性难以得到推广应用。不经过实践检验推广应用存在出现系统性问题的风险。
( r$ e" }+ M% N9 Z
+ c! H. q. S4 G# K7 u+ J- i0 |3 h0 s参考资料:
$ a  Z" u" L# r1 @% z! Z" S, k  _
邵长宇.《梁式组合结构桥梁》[M].中国建筑工业出版社
8 I& y+ f  f" T+ p+ l; N6 {- f8 v0 u  A) x: [; k, \
吴冲.《现代钢桥》(上册)[M].人民交通出版社
  a/ M- W; B: u$ g& K0 \# J
6 t6 j) n6 E/ W/ o《芜湖长江大桥钢梁制造技术》[M].科学出版社
  t) H& I: y7 c, ^% Q4 O
1 I+ x9 i6 z) Z刘玉擎.《组合结构桥梁》[M].人民交通出版社6 ~1 i) S3 [! q5 ~
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2017年同豪土木培训中心 钢混组合梁专题培训讲义
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——转自网友“塞外小飞驴”
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精彩评论8

nkdjgxyzy 发表于 2017-5-16 09:48:59 | 显示全部楼层
文章很好,如何发展中小跨径组合结构桥梁,确实需要好好思考和总结

cjcc 发表于 2017-5-16 21:11:08 | 显示全部楼层
原文在简书中,作者塞外小飞驴。
  N* R$ I) p% K0 X# L7 u- F0 a建议网友转载时应注明出处。+ R& ^* s8 F4 \# u4 _7 Q! g3 v
http://www.jianshu.com/p/eb86105ddb0c

钟小瑜 发表于 2017-5-18 14:59:41 | 显示全部楼层
MARK一记先,说的很好,很有感悟

webyl 发表于 2017-5-20 13:06:12 | 显示全部楼层
总结的比较到位,也相对客观

liangdw 发表于 2017-5-24 09:51:54 | 显示全部楼层
感谢楼主辛苦的总结,受益匪浅。

redflag 发表于 2018-1-28 14:33:03 | 显示全部楼层
总结得很不错,但是钢板梁只是国外组合梁应用的一部分,还有诸如槽形梁、箱梁等,适用条件都有所不同。目前我们在做窄幅箱形组合梁的应用。

点评

这也是一个应用分支,很不错  发表于 2018-1-31 09:57
wtop 发表于 2019-10-20 21:26:23 | 显示全部楼层
        + S/ ?, L4 j: O
总结得很不错,学习了,感谢感谢。

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