组合钢板梁桥的结构设计与施工方法

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.组合钢板梁桥—结构设计与施工方法邵长宇上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.发展概况组合钢板梁桥构造简单、设计和建造的适用条件广泛、制作与施工方便，得到了广泛应用，是一种非常经济和耐久的结构。早期组合钢板梁桥：钢板梁间设置许多横梁、水平及竖向横撑，腹板上焊接许多横向加劲肋，纵梁间距也很小。导致构件数量多、焊接量大，成本高、维护困难，疲劳破坏也成为突出问题。自八十年代起：取消了纵向加劲肋；垂直加劲肋大多为T形并直接与翼缘焊接在一起，增厚腹板可增大垂直加劲肋的间隔；框架式联结系取代了从前的K形联结系，大大减少构件，简化了连接。经过大量探索、研究和试验组合钢板梁桥结构演变示意上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.发展概况上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.发展概况如今，在欧美等发达国家，随着组合钢板梁桥的大量研究与工程实践，对其结构的总体性能更加了解，并在桥梁建设中得到广泛应用。【以法国为例】近些年建造的公路组合结构桥梁有90%都是组合钢板梁桥，以双主梁或少主梁为主，组合钢板梁桥的桥面板一般设计为横向承重或纵向承重，对应主梁间横梁分成大横梁与小横梁。◆主梁间距较大时，在纵向布置较密（一般4m）的大横梁，大横梁与桥面板采用连接件结合。◆主梁间距不是很大时，两主梁间用小横梁连接，桥面板仅与主梁纵向结合，小横梁间距较大，一般约为8m，其设置对施工具有重要的作用。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.总体布置1.跨径布置组合结构梁式桥的跨径布置弹性很大，更能适应不规则的跨径布置。当采用大横梁双主梁结构时，由于大横梁间距在全桥都应尽可能相等，所以需控制跨径保持为大横梁间距的倍数关系。跨越山谷等类似条件时，连续梁的边中跨比值可以达到0.8；但采用更大的边中跨比值时，将会因结构受力不合理而影响其经济性。跨越道路、河流等较为平坦的的地形时，正常情况下桥梁的边中跨比以0.6左右较为合理；设置支点竖向调节装置时甚至可以降低到0.5，可使结构总长达到最小。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.总体布置2.立面布置等高梁等高粱是组合钢板梁桥最常见的结构形式：工厂化制造的最经济结构形式；方便钢梁的运输与安装施工，尤其采用顶推法施工时；在边跨较短的情况下，也可以采用端部变高梁，梁端梁高可以减少到中跨梁高的2/3左右。等高梁立面布置端部变高梁立面布置上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.总体布置2.立面布置变高梁大跨度桥梁采用等高梁将导致钢材用量指标的升高，可采用各跨均变高的立面布置：梁高的变化将导致制造和安装的复杂化，因此只在特殊的情况下使用，如跨度很大或者有净空限制的时候；尤其适合钢梁采用吊装施工，与等高梁相比，变高梁在施工上并无明显的差别；梁底曲线可以是抛物线，也可以是三次曲线或者直线；各跨均变高的组合钢板梁立面布置上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.总体布置2.立面布置混合梁高布置当一座很长的桥梁只需跨越少量障碍物时，可以采用等高和变高混合的结构：在跨越障碍物时采用变高梁适应大跨需求，在没有限制条件的跨径采用制作安装方便、经济的等高粱；桥跨与梁高的布置突出了大跨，且相对于等高梁结构产生了变化，表现出较好的美学效果。等高和变高梁混合的立面布置上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.总体布置2.主要设计参数（双主梁）小横梁结构尺寸参数大横梁结构尺寸参数梁高：钢梁梁高与跨度之比（高跨比）通常在1/24-1/28的范围。跨度大于50m时，接近于1/28；跨度小于50m时，高跨比随跨度减小而增加，在跨度30m左右时高跨比接近1/24。对于超过两跨的变断面梁，高跨比跨中约为1/36、中间支点处约为1/24。上述高跨比适合于桥宽在12m左右的桥梁，当桥面宽度增加时梁高应该适当增加，反之梁高可以适当减小。钢板梁腹板中心间距：两片钢板梁腹板的中心距约为桥面宽度的0.55。对于大横梁双主梁桥，当为无悬臂支撑横肋时，可以按照混凝土桥面板悬臂长度2m左右进行钢梁间距设置。桥面板厚度：大横梁双主梁桥：一般取24cm~26cm。小横梁双主梁桥：桥面板厚度通常是变化的，与桥面宽度LT、钢板梁腹板间距L有关，可采用如下公式估算：支点0.13+（LT-L）/26、跨中0.13+L/50。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.结构形式1.小横梁组合梁（双主梁）小横梁双主梁组合梁断面示意（单向横坡与双向横坡）结构特点：两片钢主梁之间设有横梁相互连接，混凝土桥面板与钢主梁通过连接件结合共同受力，横梁与桥面板不连接、不支撑桥面板。◆钢主梁：大部分属于大型钢构件，需要在工厂焊接制造，一些小跨径桥梁可采用型钢制作；◆连接件：通常使用圆头焊钉；◆小横梁：一般采用工字形型钢断面，支点位置的横梁由于要承受主梁传递的水平荷载，一般梁高更大，并采用焊接结构形式；◆桥面板：厚度在纵向通常保持不变，在横向需要根据受力情况进行一定的变化，通常变化的范围在24cm到40cm；桥宽小于15m，采用钢筋混凝土结构，桥宽更大时需配置横向预应力。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.结构形式2.大横梁组合梁（双主梁）有悬臂大横梁双主梁组合梁断面示意（单向横坡与双向横坡）结构特点：横梁与桥面板连接并支撑桥面板，与桥面板结合共同受力；通常在桥面板重量显著增加时采用，如桥面板宽度较大或者桥梁跨径较大；结构施工较为复杂。无悬臂大横梁双主梁组合梁断面示意（单向横坡）一般用在桥面较宽、主梁间距比较大的时候，其桥面板第二系统受力特征分为两种：悬臂部分为横向单向板（悬臂长度宜控制在2m左右）、中间部分为纵向单向板。大横梁纵向间距一般为4m左右，一般不做变化，以便简化构造；桥面板通常采用普通钢筋混凝土结构，厚度一般为24~25cm；工字型钢主梁和大横梁的上翼缘设有焊钉连接件，与桥面板结合。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.结构形式3.多主梁组合梁多主梁结构的中间梁需要设置横梁及相应的竖向加劲肋，在一般情况下要比双主梁的造价指标高。因此，只有在桥面板宽度大于25m、梁高较低、现场不能使用大吊机而限制了吊装能力、宽跨比较大等情况下才会使用多主梁结构。四主梁组合梁断面（双向横坡）当桥面较宽时，组合钢板梁可以采用多主梁形式。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.钢梁1.主梁翼缘平面布置：桥梁在平面上为直线时，主梁的翼缘采用直线布置；桥梁在平面上为曲线时，主梁的翼缘通常也设置为曲线。宽度：在顺桥向基本不作变化，上翼缘是为方便桥面板施工模板的架设，下翼缘是为方便顶推钢梁时侧向引导。厚度：随横断面的位置不同而改变，最小厚度在25mm左右，最大厚度由计算确定。变厚方向：通常朝向腹板方向（外对齐），以方便施工。当采用吊装施工时，下翼缘可以朝下变厚。采用吊装施工时翼缘板变厚方向下翼缘朝下变厚，方便腹板下料和底板焊接上翼缘朝下变厚，方便桥面板施工上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.钢梁1.主梁翼缘变厚范围：厚度突变会引起应力集中影响结构性能和耐久性，应限制下翼缘厚度变化范围在+1/2到-1/3的范围，上翼缘与桥面板结合，这一限制可适当放松。变厚次数：变化次数太少，用钢量过高或板厚变化太突然；变化次数太多，连接成本增加。等高梁中跨翼缘板合理变厚次数示意大量工程实践形成的规律性做法上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.钢梁2.主梁腹板总体情况：桥梁在平面上为直线时，主梁腹板为一块简单的平板；桥梁在平面上是弯桥时，主梁腹板一般随桥梁弯曲设置。立面布置：需要考虑立面形状，包括预拱度及翼缘板板厚变化。板厚：随横断面所在位置变化，最大板厚由计算确定，一般不超过30至35mm；最小厚度一般取14至16mm，这样可以有效控制横梁和加劲肋焊接引起的变形。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.钢梁3.小横梁横梁高度：中间横梁高度一般在400mm至700mm，视主梁的梁高和间距而定；支点横梁通常为高度600mm至1600mm的焊接构件，具体的高度取值主要与跨度有关。支点横梁加强的支点横梁最不利条件下主梁侧扭失稳控制设计时横梁间距：一般等间距布置，最大间距一般不超过8m。有时需要在支点附近减小横梁间距以防止负弯矩区主梁下翼缘受压而发生侧扭失稳。上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.钢梁3.小横梁斜交桥横梁布置：交角较小时（20°），横梁一般采用斜向布置；斜交角超过20°较大时，可将中间横梁垂直于腹板布置，支点横梁斜交布置。横梁立面布置：桥面双向坡时，横梁沿横桥向对称水平设置；桥面单向坡时，横梁可水平设置（制造、连接简单）；当梁高较低或道路横坡较大时，横梁顺横坡方向设置（提供足够空间供桥面板滑模现浇与钢梁维护之用）。横梁一般设置在主梁形心或形心稍微偏下的位置上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICIPALENGINEERINGDESIGNINSTITUTE(GROUP)CO.,LTD.钢梁3.小横梁横梁与主梁连接：由T形断面的加劲肋连接，被称为“横梁连接加劲”或“连接加劲”。中间横梁和主梁的连接构造横梁连接加劲的最小间距当滑模施工平台需要在主梁下翼缘移动时，应该使横梁连接加劲的翼缘距离主梁下翼缘边缘至少100mm的距离上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司SHANGHAIMUNICI