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复合钢管砼组合桁架梁桥探讨

字体:  小  中  大  | 打印 发布: 2007-1-23 09:04  作者: 复合钢管砼组合桁架梁  来源:  查看: 682次 评论: 0条 好评: 0分

 
复合钢管砼组合桁架梁桥探讨
伍尚干  陈春林  伍佳玉  吴清明
 
一、复合钢管砼组合桁架梁桥桥型探讨

      现代桥梁科学技术的成就,得益于计算技术、新材料和施工技术的发展。在100~400米大跨径范围中,刚构和连续梁桥是本文探讨的目标。钢桥跨径大,自重很轻,可悬臂架设,但是养护麻烦,加工费和造价高。砼桥的跨径较大,可悬臂施工,无养护麻烦,比较经济合理,用得最多。但是大跨径的箱梁较高,自重很大,施工比较麻烦,并不经济合理。世界上最大的砼刚构桥为挪威斯托尔马桥,主跨301米,根部箱高15米,跨中箱高3.50米,主跨182米长度采用轻质高强C60砼,其余为C50砼,跨中底板厚20厘米,以减轻自重。砼刚构和连续梁桥的横断面都为箱梁,箱梁整体和稳定性好,它便于砼浇筑施工。桁架刚构桥在河南、湖北、四川和西藏建有跨径较小的70、90米实桥,为多片桁架形式,预制悬拼组装,跨中设挂梁,整体性较差,未能得到发展。箱梁便于正负弯矩的预应力配索,桁架则不便跨中正弯矩的预应力配索。箱梁自重大,其高度宜矮;桁架自重轻,其高度宜大,各有长处。刚构和连续梁桥主要是墩顶负弯矩大,特点是顶板受拉,底板受压;桁架是上弦受拉、下弦受压。对受压底板或下弦,宜采用轻质高强材料。所以要增大跨径,必然采用轻质高强材料和桁架形式,以减轻自重。跨中梁的高度较小,宜于采用T形截面,形成一种桁架和梁的混合结构。当跨中梁高不受限制时, 也可采用桁架形式。桁架高度大,T梁部分的高度矮,立面造型仍然显得自然和协调。砼桁架若不采用预制,采用现浇成型麻煩,容易开裂。如采用劲性的钢管砼骨架,再采用复合外包钢筋砼,桁架就容易成型和安装,可避免开裂。钢管砼外包钢筋砼的复合钢管砼组合结构,桁架(刚构和连续梁)桥的混合结构形式,能够减轻自重,方便施工,适用于大跨径桥梁。箱梁和双薄壁墩结合的刚构,箱梁外形显得笨重,有头重脚轻的感觉,桁架上下外形协调,显得自然美观。

豪氏桁架和华倫式桁架桥半立面图(上图)

   桥梁技术具有鲜明的时代特征,随社会经济的发展而发展,是一个经济和材料发展的过程。我国的钢铁生产已跃居世界第一,在工程建设中钢结构很发展,提出复合钢管砼组合桁架梁桥这种钢和砼结构的形式,符合时代的发展规律。复合钢管砼组合桁架梁桥的特点,使箱形刚构和连续梁桥桥道结构的顶板形式保持不变,与桁架相组合,作为桁架上弦,实际成为板桁结构。桁架下弦和腹杆为复合钢管砼结构,桁架风构和横撑为钢丝网水泥砂浆防护的空钢管或钢管砼结构,跨中为劲性骨架T形梁或复合钢管砼桁架。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

      钢管砼采用外包钢筋砼组合和防护,形式上同采用型钢外包钢筋砼的钢骨砼结构,实际可以看作是钢骨砼的一种特殊形式,两者的合理含钢率都为5%-8%。钢管砼通过钢管的紧箍力作用,提高了管内砼的承载力,起到了钢骨的作用,比单纯的型钢更优越,在拱
                                                              豪氏桁架刚构桥半立面图(下图)

                                   桥梁半平面图                 风构桁架半平面图 

1/2桁架根部断面图      1/2跨中桁架断面图

                                                                    桁架组合梁桥半断面图
                                                                复合钢管砼组合桁架梁桥图(一)
桥上称作钢管砼拱和钢管砼劲性骨架。钢管的内填砼承载力能够提高,又解决了钢管的稳定问题,变换的实现了轻质高强目标。近年来在我国的拱桥上得到了成功的应用,在复合钢管砼组合桁架梁桥上,也将会产生同样的效果。复合钢管砼组合桁架梁桥的一般结构形式,见图(一)。
 
二、复合钢管砼组合桁架梁桥的构造和特点
 
     复合钢管砼组合桁架实现了轻质和高强的目标,钢管和钢管砼解决了施工的劲性骨架困难,外包钢筋砼解决了钢管的防护问题。
1、   桥面:桥面结构作为桁架的上弦杆,要满足行车功能、布置和保护预应力索的需要,和传统的箱形梁桥的顶板相同,基本保持不变。作为肋板式上弦的桥面与桁架组合,形成板桁结构,加强桁架的整体性,增强桁架抗扭性能,保证桥梁的横向稳定。采用现浇施工的整体性好,施工简便,保留了传统箱形梁桥的优点,砼桥面经济合理。桁架采用二梁式,受力简单明确,便于计算分析。桁架的杆件少,显得简洁美观。杆件断面为矩形,显得安全稳定。  
2、 弦杆:桁架下弦杆基本是等厚变宽,仅在桥墩附近加厚,以适应压力大小变化的需要,有利于桁架的模向稳定,便于与跨中T形梁或桁架配合,施工较简便。下弦的组合钢管直径分批渐变,便于加工和安装焊接。改变钢管壁厚或外包钢筋砼尺寸,就可获得不同的强度,适应压力大小变化的需要。外包砼和箍筋将钢管有效的组合为整体,也要参与整体受压,使钢管的组合联结加强,提高了整体性。钢管加工简便,高标号砼粘结力强,有效防护了钢管的锈蚀。砼立模浇筑简便,已有的实践经验证明,比箱形截面的砼浇筑方便,只相当于结构加固和装修工程。外包砼工序需要适当的滞后,使钢管砼预先受压和发生较大的变形,不影响施工进度,施工更方便。外包砼的箍筋需要加强,它能起到组合联结钢管和钢管与外包砼为整体的作用,对箍筋內砼有明显的紧箍作用,能提高箍筋內砼的承载力。

3、竖杆:桁架腹杆的竖杆均为压杆,在满足压杆稳定的前提下,其断面形状为宽度大,厚度小的矩形,以减小竖杆的抗弯刚度,减小刚架作用,按桁架特点传力,减小桁架节点的内力,以方便处理,使桥梁立面造型轻巧美观。桁架竖杆较高,为便于施工,便于加强和改善桁架节点受力。竖杆采用复合钢管砼结构,使钢管的组合简单,也采用箍筋组合为整复合钢管砼组合桁架梁桥墩上立柱图(二)                        

           复合钢管砼组合桁架连续刚构桥图

复合钢管砼组合桁架连续梁桥图

4、腹杆:桁架的斜腹杆都受拉,起抗剪作用,采用配预应力筋来承受。为了加快施工进度,对斜拉杆预应力索的防护有效,仍然采用钢管砼,预应力索在钢管内受到保护,无砼开裂和锈蚀的危险。斜拉杆尺寸为较小的矩形,按施工方便和桥型美观需要而定。斜杆长短相差很大,长的预应力筋可用钢绞线,短的则采用预应力高强粗钢筋,以减少预应力张拉锚固的预应力损失。斜拉杆预应力索应布置在下弦两钢管中间,上弦杆预留锚固位置,以便相互协调处理。预应力筋宜采用无粘结力的形式,以便张拉调整內力。钢筋砼桁架杆件刚度较大,节点弯矩较大,砼材料容易开裂,不便处理。钢筋砼刚架结点韧性差,在地震力作用下砼容易开裂。采用复合钢管砼组合结构,其韧性好,可保证安全。对桁架节点砼需要加强,在造型上应对交角作倒角处理,使力线传递顺适,避免力线转折突变。实践经验证明,应对钢管节点砼加强配筋,加强防裂构造钢筋的设置。

5、横撑:桁架横撑采用复合空钢管作成“X”形,仅在钢管两端的局部长度浇灌砼,以加强节点的联结和刚度。横撑在桁架节点处间隔设置,视桥梁跨径和节间长度而定,它主要起横向平衡抗扭作用,数量稀密应适当。横撑的作用很重要,合理的设置需要探索和积累经验,有待作仿真空间计算、模型实验来验证。在初期发展阶段,应以较密为妥,保证绝对安全。
6、风构:桁架风构也采用复合空钢管或钢管砼作成“X”形,仅在钢管两端的局部长度浇灌砼,以加强节点的联结和刚度。对大跨径桥梁,风力的影响很大,桥面和风构共同保证桥梁的横向稳定。关于风构设置的强弱问题,可深入的作仿真空间计算、模型实验来证明。这种特殊类型的复合钢管砼组合桁架梁桥,桁架的下弦杆为较宽的变宽杆件,只设横撑而不设风构时,把下弦杆视作平面刚架来计算,其横向抗风稳定也是较好的。加上桁架与桥面形成板桁结构,其横向抗风稳定性更好。较小的跨径不设或少设风构是可以的,它比肋拱的横向稳定性好。在这种复合钢管砼组合桁架梁桥中,风构起着两种作用,一是抗风的横向稳定作用,风构与桁架下弦形成一个平面桁架,使横向稳定作用加强。二是风构与桁架下弦形成的平面桁架可以比拟成板,这就形成为一个上、下都为板的板桁结构,其横向稳定作用更强。若将桁架腹杆也比拟成等代的薄板,桁架就形成为箱梁。再加上横撑就成为有横隔板的箱梁,具有抗自由和约束扭转的能力,使横向稳定和整体性很好,桁架和箱的作用是相似的。所以风构设置将极大的改善桁架的抗风性能,故必须设置,以保证桥梁的绝对安全,如同自重很轻的薄壁箱梁。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  
7、横撑和风构钢管防护:横撑和风构均为钢管,钢管受拉、压力作用最为理想,能充分使用材料,强度和稳定性好,主要是施工简便,比钢筋砼结构轻。钢管的防护采用钢丝网水泥砂浆,喷、抹施工都方便,增加的重量有限,造价较低,耐久性好,不污染环境。即使外包砂浆层剥离破坏,重新喷、抹也容易,养护工作简便。
 
三、墩上立柱特点:复合钢管砼组合桁架梁与箱梁相比较,自然箱梁的整体刚度要比桁架好。主要是箱壁的抗剪变形小,抗扭能力强。桁架刚度稍差,变形较大,但是仍能满足使用要求。已建成的变截面钢桁架连续梁桥,造型轻巧美观。作为墩上结构的形式和刚度对桁架有何影响?是值得探讨的。墩上结构部分通常较高,它可作成箱形柱,也可作成桁架型式。箱形柱形体粗壮,显得刚劲稳定,它的刚度大,能分配桁架的弯矩,对中、边跨桁架有平衡和稳定的作用,对桁架的内力和变形有一定的影响,外形与桁架杆件配合显得不協调。桁架形式形体轻巧,与桁架梁配合显得很协调,整个上部结构显得很轻巧,见图(二)。但是刚度较弱,中、边跨桁架的内力和变形有相互影响。
 
四、桁架节点:钢筋砼和预应力砼桁架都容易开裂,也影响了其发展。究其原因有二,一是材料不适应变形的需要,二是节点形式的不恰当。桁架节点并非理想的饺接,也非绝对的刚接。桁架杆件为“S”形变形,钢筋砼很难适应这种变形需要,钢管砼和复合钢管砼的韧性好,能够满足这种特殊需要。节点需要平衡杆端的弯矩,故必需要有足够的尺度,材料需要刚、韧性能兼备,设加劲肋板和加强配筋能够满足需要。复合钢管砼桁架节点的刚、韧性能兼备,方便加强钢管接头,尺寸大小造型灵活,整体性好。所以复合钢管砼桁架具有钢桁架的特点,避免了钢筋砼桁架的缺点,也发挥了砼材料的优点,使桁架结构能够更好的发展。

五、复合钢管砼组合桁架梁桥示例

计算方案技术标准。
桥墩中心距离:315、其它(260、240、220、180、160、120、80)米
桥面宽度(半幅):17米
桥墩根部桁架高度:19米

 

  复合钢管砼桁架梁桥桁架拉、压、弯矩內力图(四)

跨径中部T梁高度:4米
高跨比:15/300=1/20
荷 载:汽车一—超20级(横向三列车排列)    挂车——120      
结构特点:具有复合钢管砼组合桁架、钢管砼横联桁架、钢管风构桁架、板桁结构、预          应力复合钢管砼桁架的特点。
温升:△T=30摄氏度 桩基长度20米                    
1、   计算目的:探讨计算模式、桁架的内力变化规律,探求合理的结构形式。
2、   计算方法:取单片桁架,用平面杆系有限单元程序,桁架节点按刚性节点处理,计算偏于全。计算成果:见内力比较图(四)。                     
3、   结果分析:
⑴计算表明复合钢管砼组合桁架梁桥能够满足使用功能的需要,其跨越能力大,造型美                                    
观、结构性能好、施工方便、适应范围广,是经济实用的桥型。
⑵经过方案的计算比较表明,计算方法和模式合理,内力变化规律明显相同,内力简明,容易计算。
⑶墩上桁架形式的刚度大小,对桁架的内力变化有影响,有平衡中边跨内力的作用。桁架下弦临墩节间杆件弯矩大,需要局部加高处理。
⑷复合钢管砼组合桁架梁桥实现了轻质高强的目标,劲性骨架解决了砼桁架的施工困难,改善了砼桁架节点的力学性能。
⑸复合钢管砼组合桁架比箱形梁的内力有明显改进,与挪威斯托尔马桥相比较,虽然跨径和桁高不同,单位桥宽较节省预应力筋。
⑹复合钢管砼组合架梁桥是结构形式的混合:桁架、T梁、板桁组合,也是预应力砼、钢、复合钢管砼材料的组合。
⑺豪氏桁架比华倫式桁架內力较小,前者施工较方便,后者外形较美观,差别不大。
 
五、复合钢管砼组合桁架梁桥
    对复合钢管砼组合桁架梁桥的初步探讨,结果令人满意,对于大跨径桥梁是适用的,很有发展前景。算例的315米跨径,取最大内力作控制性计算,结构处理无大的困难。对80~260米跨径的试算,小跨径内力小,则更容易处理,比315米更大的跨径亦可以实现。复合钢管砼组合桁架梁桥虽然采用钢管作劲性骨架,用钢量并不比箱梁大很多,因为箱梁的钢筋用量也很大。估计100~400米左右都是其适用范围,与其它桥型相比,在经济和技术上具有明显的优点。对于这种结构的动力性能,非线性特点等还应作深入的研究,仿真计算是强有力的工具,更需要积累实践经验。大跨径桥梁采用复合钢管砼组合桁架梁桥的形式,也是现代桥梁发展探讨的方向之一。

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