钢结构桥梁设计及思考、设计经验总结

钢结构桥梁设计及思考、设计经验总结钢结构桥梁优势：钢结构拥有轻型化、抗震性能好;工业化和装配化程度高、可循环利用等优点;随着大跨桥梁的大规模应用，大量采用钢结构是我国交通基础设施未来发展的必然趋势.钢结构桥梁劣势：钢结构造价偏高;耐腐蚀性能不足等；桥梁造价应综合考虑建设成本、安全耐久、管理养护等各种因素，钢结构桥梁自重较轻，节约了下部结构造价，同时施工速度较快，工期较短。钢结构耐腐蚀性能不足的问题可采取涂装长效高性能防腐涂料、采用耐候钢等方法解决。全钢结构含钢箱梁、钢桁梁。钢混组合梁结构含：钢板组合梁桥、钢箱组合梁桥、波形钢腹板桥梁。>>>钢桁梁桥案例贵阳高速公路：鸭池河大桥---主跨800m钢桁梁斜拉桥(72+72+76+800+76+72+72)=1240m双塔双索面半漂浮体系的混合梁斜拉桥，边跨为预应力混凝土箱梁，中跨为钢桁梁结构，边中跨比为0.275。钢桁梁结构采用“N”型桁架，横向两片主桁，中心间距为27.0m，桁高7.0m，节间长度为8.0m。湖北宜昌至张家界高速公路：白洋长江公路大桥---主跨1000m钢桁梁悬索桥主桥采用单跨1000m双塔钢桁梁悬索桥。主桁架采用华伦式，中心距36m，桁高7.5m，小节间长度7.5m，两节间设一吊点，4节间作为一节段整体吊装，标准吊装节段长度30m，端吊装节段14.2m，跨中吊装节段10.58m。>>>钢混组合梁桥材料优势：充分利用钢材和混凝土的材料优势，混凝土提高了钢梁的稳定性。结构优势：减小结构高度、提高结构刚度、减小结构在活荷载下的挠度。施工便捷：工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快。环保节能：大幅减少水泥用量，减小对环境污染。缺点：存在抗扭刚度较弱、适用跨度不大的缺点。1、钢板组合梁桥云南某高速公路项目全长107Km，所在区域位于高烈度地震区，基本地震动峰值加速度.3~0.4g,多座桥梁采用30m~50m钢混组合梁通用图设计。Ø结构形式设计选择Ø组合小箱梁断面存在梁高矮，钢结构后期养护不便利问题；Ø工字梁组合断面施工过程中梁的侧倾及钢腹板的稳定问题较为突出；Ø设计优化组合箱梁和工字梁的优势，将工字钢梁两片组合为一榀一起预制吊装，形成工字梁组合断面。Ø架设方案施工：采用桥面吊机将两片钢梁和桥面板组成一榀后，整体预制吊装架设。Ø负弯矩区结构设计关键技术Ø抗拔不抗剪连接新技术对于负弯矩区段，应用清华大学聂建国院士的创新技术---抗拔不抗剪连接新技术，有效解决负弯矩区开裂的难题。2、波形钢腹板组合梁桥目前，湖北境内公司已完成波形钢腹板组合梁桥共计6座，主跨跨径范围为70m~110m，在甘肃、广东珠海分别完成各一座，主跨跨径分别为100m和160m，组合箱梁均为变截面，悬臂浇筑施工。Ø波形钢腹板组合梁桥设计关键技术1、根据抗剪强度与剪切屈曲稳定性合理选择波形钢腹板的厚度与形状。波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度小，故设计时认为波形钢腹板不承受轴向力：即近似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板，而剪力则完全由钢腹板承担，且剪应力在腹板上作均匀分布。2、折形腹板间的连接临时栓接+焊接形式3、波形钢腹板与混凝土顶板的连接：波形钢板与混凝土顶板的连接采用埋入式连接，即在波形钢板的顶端焊接钢板，钢板上焊接穿孔板，使之与混凝土板结合在一起。4、波形钢腹板与混凝土底板的连接：目前我院设计采用了两种方式：一是常规的埋入式；另一种为托底式连接。波形钢腹板与混凝土底板的连接-埋入式波形钢腹板与混凝土顶板的连接波形钢腹板与混凝土底板连接-托底式u对部版预制T梁和小箱梁指标统计：云南、陕西等高速组合梁指标统计：一组高速钢板组合梁与T梁、小箱梁上部结构重量比较表：通过以上表对比可看出：30m跨组合梁总重相比T梁减轻36%，40m跨组合梁总重相比T梁减轻41%，50m跨组合梁总重相比T梁减轻43%。同时高速抗震结构内力分析对比：由上表可知，相比混凝土T梁，上构采用组合梁,E1、E2地震作用下桥墩内力大幅降低，降低比例为11.5%~26.8%。因此,在高烈度地区，上部结构采用组合梁形式更具优势。u高烈度地震区高速钢混组合梁经济性：从经济性上看，对于地震动峰值加速度0.4g的情况，由于上部组合梁支承反力的减小，地震作用下结构内力大幅减少，总体上组合梁造价低约8.2%左右，具有优势。u一般地区陕西高速钢混组合梁经济性：综合上、下部结构后，总体上40m、50m钢混组合梁较预制T梁造价分别增加了13.1%、18.9%。u70~160m波形钢腹板经济性分析：u与常规混凝土梁相比，波形钢腹板混凝土用量减少10%~25%，预应力用量减少15%左右，钢材用量增加40%左右，同时下部结构总量可减少20%左右;u在75~130m跨径范围内，波形钢腹板与连续刚构经济性相当;u在130~160m范围内，波形钢腹板造价高约13%;u另外考虑到波形钢腹板桥梁抗扭性能较弱，对跨径90～160m范围的曲线桥梁，建议仍采用预应力混凝土连续刚构桥。优先选用钢结桥梁的工程：Ø钢结构桥梁自重轻，尤其在特大跨径桥梁、高地震烈度区桥梁中优势明显、应该优先选用Ø弯坡斜等特殊形状的桥梁，受力条件复杂、适宜钢材各向同性的优势发挥，应优先采用u加强钢结构桥梁的构造设计：钢结构桥梁断面尺寸小，构造设计对桥梁结构的安全和耐久性影响显著。应针对钢结构桥梁的构造特点，重点做好细部构造设计。1.基本构造1)钢箱梁由顶板、底板、腹板、中隔板（含横肋）、支点隔板、及其相应的加劲肋组成，对于平曲线半径大的桥梁，顶板一般采用U型加劲肋，底板采用开口T肋或板肋，一般对于半径小的桥梁、因U肋加工难度较大，故一般顶底板采用开口加劲肋，钢箱梁梁高取跨径的1/20～1/30，简支梁一般取大值。2)顶板的作用是直接承受荷载（第二体系和第三体系），作为钢箱梁的上翼缘共同抵抗外力（纵向），作为支点横梁的上翼缘共同抵抗外力（横向），规范要求顶板厚大于14mm，结合参考图纸一般取16～20mm，在连续梁负弯矩区存在局部加厚，根据计算确定。3)底板作为钢箱梁的下翼缘共同抵抗外力（纵向），作为支点横梁的下翼缘共同抵抗外力（横向），板厚大于12mm。4)顶板加劲肋、一般采用U肋或开口加劲肋，U肋间距约为600mm，开口肋间距约为300mm，与钢箱梁上翼缘板共同承受外力，等效顶板厚约为8mm（也有取6mm的），作为桥面板的弹性支撑，将荷载传递给横隔板，减少顶板宽厚比，增加局部稳定的容许压应力，下图列出了加劲肋开口肋与闭口肋优缺点，加劲肋构造尺寸要满足规范5.1.5条、5.1.6条规定。5)底板加劲肋间距不传递车辆荷载，间距可以比顶板加劲肋大，加劲肋构造尺寸要满足规范5.1.5条、5.1.6条规定。6)腹板及其加劲肋：连接顶底板平面形成整体断面，主要起抗剪作用，在弯矩、剪力和集中荷载作用下，腹板受力与钢板梁类似，需要设置横向加劲肋和纵向加劲肋，抵抗腹板的弯剪失稳和局部压皱，腹板板厚一般为14mm～22mm腹板间距为3m～6m，不建议大于6m，纵向加劲肋一般采用板肋，布置方式参见《公路钢结构桥梁设计规范》JTGD64-2015第5.3.3条的规定，横向加劲肋一般采用T肋，一般在每个横隔板之间布置一道，加劲肋构造尺寸要满足规范5.1.5条、5.1.6条规定。7)中横隔板有框架式、实腹式横隔板及桁架式横隔板，隔板刚度需满足《公路钢结构桥梁设计规范》JTGD64-2015第8.5条的规定，板厚一般为10mm～20mm，对于小跨桥梁，一般多采用实腹式横隔板，间距为2～3.5m，梁高小于2m的间距可以采用2m，梁高大于2m，间距可以采用2～3.5m，根据《现代钢桥》（上册）吴冲著）参考书籍得知横隔板定义开口率，横隔板可视为实腹式，主要考虑剪应力；，可简化为仅受轴力的杆件；横隔板受力性质介于实腹式和桁架式之间，作为框架处理，考虑轴力和抗弯。实腹式横隔板适用于尺寸较小的钢箱梁，制作简单，应用最广。桁架式适用于截面较大的箱梁，可以减轻横隔板的自重。8)支点隔板主要是横向传递荷载给支座，支点隔板须连续，边支点布置2～3道支点隔板、中支点布置3～4道横隔板，板厚一般取24mm～30mm。9)悬臂挑梁，当横隔板间距为3m时，在1.5m处增加一道，当横隔板间距为2m时，悬臂挑梁间距同隔板间距，有些设计院的将悬臂挑梁之间采用装饰板密封，不过大部分桥，都是外露出来。10)支撑加劲肋需要满足15规范5.3.4条规定。2.传力途径受力体系划分：第一体系：结构整体体系，传力途径为4和5，与该变形对应的应力称之为第一体系应力。第二体系：对应的传力途径为2和3，与该变形对应的应力称之为第二体系应力。第三体系：对应传力途径1，即支撑在两邻顶板纵肋之间的桥面板的横向变形，与该变形对应的应力称之为第三体系应力。传力路径1：即第三体系，由于薄膜应力效应，本体系应力一般不考虑。传力路径2：属于第二体系，忽略横隔板对纵肋的转角约束影响，按简支梁和多跨连续梁包络计算，局部加载冲击系数取1.4，本体系应力不应超过60Mpa。传力路径3：属于第二体系，按横肋模型和横隔板模型分别计算，局部加载冲击系数取1.4，本传力途径应力计算一般较小，可忽略。传力路径4：主梁纵向受力体系，为第一体系，顶底板有效宽度根据15钢结构规范5.1.8条计算，冲击系数根据自振频率计算，顶板本体系顶板应力需要考虑2号途径应力б，将两者进行组合相加（偏安全考虑），如顶板第一体系应力为87Mpa，第二体系应力为49MPa，两者叠加为1.1×（87+49×1.8）=175MPa（偏保守考虑），底板应力为100Mpa，综合设计经验组合应力一般不超过240MPa（规范要求对于16mm以下的钢板是275Mpa，16mm～40mm是270Mpa），对于小曲线半径桥梁需要考虑扭转剪应力与弯曲应力的组合。传力路径5：主梁横向受力体系，为第一体系，顶底板有效宽度根据15钢结构规范5.1.8条计算，应进行横隔梁的验算及支座顶加劲板局部计算。3.钢箱梁部分细节设计1)U肋的选取，目前中国钢结构规范对U肋的选取没有相关参数，可以参考的是《桥梁钢结构用U形肋冷弯型钢》（中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T4624-2017）的行业标准，U肋为现场板单元加工构件，也可以自行设计。过焊孔参考欧标，其与美国标准和日本标准有点区别，这里不再阐述。图5.U形肋过焊孔2)连接方式钢箱梁目前主要是焊接与栓接两种工艺，目前而言，焊接相对多些，但是焊接质量控制是个问题，焊接参考《焊缝符号表示法》GB/T324-2008要求，同时满足15版桥梁钢结构设计规范第6章连接的构造与计算章节要求，栓接一般在U肋分段处采用，防止桥面疲劳破坏，需要计算螺栓个数，一般采用等强度理论计算，可参考86版钢结构及木结构规范。3)检修人孔的布置为保证后期维修方便，确保钢箱梁每个位置都能达到，一般需要设置检修人孔，检修人孔设置在受力较小处，底板人孔尽量设置在梁端，腹板人孔尽量设置在跨中。4)桥面铺装规范要求不宜超过8cm，考虑桥面板的