广东罗信高速组合钢板梁设计

2017年合肥公路钢结构桥梁技术研讨会广东省交通规划设计研究院股份有限公司万志勇二0一七年四月七日1概述汇报内容2钢结构桥梁应用方案分析3组合钢板梁设计4组合钢梁桥应用展望2一、概述1.1、项目简况罗信高速为四车道高速公路，路线总长129.8km，是广东省高速公路网规划的“48联”，即云浮罗定至茂名信宜（粤桂界）高速公路，是“纵9线”怀集至阳江海陵岛高速与“纵10线”包茂国家高速公路粤境段之间的一条联络线，往西对接广西规划的浦北至北流（清湾）高速公路，是珠江三角地区通往广西新增加的一条出省通道。项目分三个设计合同段，设计单位分别为公规院、广东省院、安徽省院，其中广东省院为总体设计单位。同济大学设计院为钢桥专项咨询单位。序号指标名称技术指标1道路等级四车道高速公路2设计速度100km/h3路基宽度整体式26.0m分离式13.0m4桥涵设计汽车荷载等级公路－I级5地震动峰值加速度0.05g34项目设计期间，恰逢《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》国发〔2016〕6号、《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁的指导意见》交公路发[2016]115号文件发布，依据文件精神广东省交通运输厅及省交通集团，要求项目设计单位依据项目工程特点，分析比选钢结构桥梁应用方案。1.2、应用背景一、概述5经初步设计评审及定测验收评审，选定了广东省院、安徽省院设计合同段的高台大桥、老屋村大桥试点采用40m跨钢板组合梁。高台大桥：桥长648m，跨径组合17x40m(左幅)/15x40m(右幅)，最大墩高68m。老屋村大桥：桥长448m，跨径组合11x40m。一、概述1.3、应用桥梁概况6高台大桥桥型布置图桥面纵坡无变化，均为-2.5%桥面横坡变化范围-4%~3%一、概述1.3、应用桥梁概况1概述汇报内容2钢结构桥梁应用方案分析3组合钢板梁设计4组合钢梁桥应用展望7二、钢结构桥梁应用方案分析8安全耐久适用经济环保美观本项目为山区高速公路、中等跨径的桥梁比例高，因此钢结构桥梁的应用方向，就选择了中等跨径的桥梁结构。在进一步的比选中，按照桥梁设计16字原则进行：9依据相关研究资料，对于中等跨径桥梁，钢混组合结构能充分发挥两种材料的优势，具有更好的经济性。钢板组合梁适用范围为35~130m，经济范围为40~90m钢箱组合梁适用范围为50~150m，经济范围为70~120m二、钢结构桥梁应用方案分析序号名称形式断面1组合钢板梁桥钢板梁+混凝土桥面板2组合钢箱梁桥闭截面钢箱梁+混凝土桥面板；槽形截面钢箱梁+混凝土桥面板；波折钢腹板+混凝土上下翼缘板3组合钢桁梁桥钢桁架梁+混凝土桥面板；钢桁架腹杆+混凝土上下翼缘板钢混组合梁类型比选二、钢结构桥梁应用方案分析1011组合钢板梁桥在国外的发展中，通过减少主梁数量，降低工程费用，提高桥梁的耐久性、降低维护管理费用，使其更显优势，从而得到广泛应用。组合钢板梁发展二、钢结构桥梁应用方案分析12组合钢板梁应用图片二、钢结构桥梁应用方案分析13组合钢板梁应用图片二、钢结构桥梁应用方案分析14平均墩高60m钢板梁40m钢板梁40m预制T梁合计(元/m2)合计(元/m2)合计(元/m2)80.09019.49601.310813.170.07807.97665.28631.960.06917.96079.26823.550.06052.95073.25246.040.05360.14408.64155.930.04767.43927.53562.540、60m跨径组合钢板梁与40m预应力砼T梁造价对比分析（含上下部）二、钢结构桥梁应用方案分析组合钢板梁桥经济性分析1概述汇报内容2钢结构桥梁应用方案分析3组合钢板梁设计4组合钢梁桥应用展望1516组合钢板梁桥结构总体安全性分析组合钢板梁桥面板抗裂措施分析组合钢板梁桥施工方案分析三、组合钢板梁设计本节主要内容：17汽车荷载分析：组合钢板梁桥在国内缺少实桥使用经验，且国内车辆超载情况突出。咨询单位同济大学设计院在《云茂高速公路项目钢板组合梁桥施工图设计方案审查咨询报告》中提出了相应的验算荷载。该验算荷载参考了2016年我院与同济大学联合进行的《广东省云梧高速预制梁桥独柱墩在实际车辆荷载下的安全性研究》，该报告对省内7条高速近期实际通行车辆荷载，进行了统计及可靠度分析。结构类比：将组合钢板梁上部结构，与同跨径成熟的预应力混凝土结构进行结构安全度对比分析。三、组合钢板梁设计3.1组合钢板梁桥结构总体安全性分析18三、组合钢板梁设计主梁片数2片钢板梁高2.2m（经验公式L/h=20+(L-30)/5-(B-12)/2.5）顶板厚度0.26m（不宜小于0.25m）梁间距6.7m（一般取0.5~0.55倍桥宽）高台大桥总用钢量3040tS2合同段老屋村大桥总用钢量2087tS3合同段3.1.1主梁的构造尺寸19三、组合钢板梁设计3.1.1主梁的构造尺寸三、组合钢板梁设计20钢结构Mises应力竖向挠度砼主拉应力成桥阶段结构的挠度和应力计算3.1.2结构计算(整体计算)三、组合钢板梁设计21竖向挠度砼主拉应力规范荷载下结构挠度和应力计算钢Mises应力钢Mises应力3.1.2结构计算(整体计算)三、组合钢板梁设计22验算荷载下结构挠度和应力计算3.1.2结构计算(整体计算)钢结构Mises应力竖向挠度砼主拉应力三、组合钢板梁设计结构形式结构极限承载能力40m预应力砼T梁1.2×恒载标准值+1.4×(2.23×活载标准值)40m钢板组合梁1.2×恒载标准值+1.4×(2.21×活载标准值)考虑到组合钢板梁为新型结构，其结构安全度参考成熟的40m预应力混凝土T梁。通过计算对比分析，在规范荷载下，控制应力在约160MPa时，与40mT梁安全度大致相当。23钢板组合梁、与预应力混凝土结构安全度对比3.1.3结构安全度对比分析三、组合钢板梁设计243.2组合钢板梁桥面板抗裂措施分析墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析桥面板横向抗裂分析三、组合钢板梁设计25成桥状态混凝土横桥向应力（顶面）（底面）桥面板设置横向预应力，成桥阶段顶面有9MPa的横桥向压应力，跨中底面有10MPa的横桥向压应力。3.2.1桥面板横向抗裂分析三、组合钢板梁设计26（顶面）（底面）3.2.1桥面板横向抗裂分析验算荷载作用下混凝土桥面板横桥向应力在验算荷载作用下，运营阶段顶面有2MPa的横桥向压应力，跨中底面有1.5MPa的横桥向拉应力。三、组合钢板梁设计27重点对以下抗裂措施进行了分析：措施一：设置纵向预应力钢束措施二：负弯矩区采用超高性能混凝土（UHPC）措施三：跨中压重（支座顶升）措施四：加强配筋、控制裂缝宽度3.2组合钢板梁桥面板抗裂措施分析3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析三、组合钢板梁设计28措施一：设置预应力钢束28预应力与非预应力对比：①预应力组合钢板梁耐久性略优；②设置纵向预应力钢束，增加了施工工序，施工略复杂；③采用预应力后，主梁造价增加1.4%，综合造价增加0.7%；④预应力钢束张拉端截面应力突变需处理。相关资料及计算显示，墩顶预应力损失约在50%以上。考虑布束空间限制及损失后，大约只能使墩顶砼拉应力下降2.2MPa，由于墩顶砼拉应力7MPa，仍不能使结构达到预应力混凝土A类构件的要求，同时锚固处交接面应力突变也需处理，难以很好地解决开裂问题。三、组合钢板梁设计29强度等级不配筋UHPC抗弯拉强度/MPa配筋UHPC抗弯拉强度/MPa标准值设计值钢筋直径和间距/mm设计值UHPC222215.2Φ10@5019UHPC252517.2Φ10@5021.7UHPC282819.3Φ10@5019.3措施二：采用超高性能混凝土（UHPC）超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-HighPerformanceConcrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析三、组合钢板梁设计30组合工况下桥面板顶面应力1、普通混凝土，σmax=6.23MPa2、全断面UHPC，σmax=7.17MPa3、顶面10cm厚UHPC，σmax=7.81MPa普通混凝土全断面UHPC顶面10cm厚UHPC措施二：采用超高性能混凝土（UHPC）3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析三、组合钢板梁设计311、普通混凝土，σmax=4.76MPa2、全断面UHPC，σmax=5.34MPa3、顶面10cm厚UHPC，σmax=4.21MPa普通混凝土全断面UHPC顶面10cm厚UHPC组合工况下桥面板顶面以下10cm处应力措施二：采用超高性能混凝土（UHPC）3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析三、组合钢板梁设计321、普通混凝土，σ=1.3~2.6MPa2、全断面UHPC，σ=1.5~3.0MPa3、顶面10cm厚UHPC，σ=1.0~2.3MPa普通混凝土全断面UHPC顶面10cm厚UHPC组合工况下桥面板底面处应力措施二：采用超高性能混凝土（UHPC）3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析三、组合钢板梁设计33混凝土主拉应力断面布置图，单位（N/m2）鉴于桥面板拉应力沿高度变化大，在板顶设置一层UHPC来提高耐久性是合理的。由于用量少，造价增加也较小。措施二：采用超高性能混凝土（UHPC）3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析三、组合钢板梁设计34措施三：施工阶段水袋压重3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析34采用90t水袋跨中压重，可引起中墩顶桥面板拉应力降低1.4MPa，效果显著，且对成桥后钢梁应力、及挠度影响不大。水袋压重，σmax=4.82MPa无水袋压重，σmax=6.23MPa三、组合钢板梁设计35组合梁的发展与裂缝控制密不可分，根据欧洲的相关资料，从上世纪八十年代开始，桥面板纵向抗裂基本不采用预应力筋、而采用限制裂缝宽度的设计方法。控制裂缝的方法主要有三个指标：1、限制钢筋应力；2、规定最小配筋量；3、限制裂缝宽度。措施四：负弯矩区采用强配筋3.2.2墩顶负弯矩区桥面板抗裂分析钢主梁施工方案：吊装、顶推、架设（架桥机）三、组合钢板梁设计桥面板施工方案：预制、现浇3.3组合钢板梁桥施工方案分析36根据对法国双主梁钢板组合梁施工方案的统计，主梁架设大多采用顶推法，顶推最大跨径达124m，单个方向最大顶推长度1000m；桥面板大多采用滑动模架现浇。法国双主梁组合结构施工方案汇总表（小横梁体系）桥梁数量跨径范围（m）总长范围（m）桥宽范围（m）主梁顶推桥面板现浇58124~201320~20022~944（76%）38（66%）三、组合钢板梁设计3.3组合钢板梁桥施工方案分析37顶推施工资料照片：三、组合钢板梁设计38钢主梁的顶推与桥面板现浇施工39三、组合钢板梁设计现浇混凝土桥面板施工时需要设置模板，然后在模板上现场浇筑混凝土。现浇混凝土桥面板整体性好，容易满足各种桥面的截面要求，对于变横坡的桥梁适应性较好，但模板工程量和现场湿作业量大，施工速度慢，对周边环境影响略大。我们选定的高台大桥处于S形曲线段，运输条件不佳，更倾向采用顶推＋移动模板现浇的施工方法，但移动模板现浇在国内尚处于起步阶段，缺少相应的设备与经验，正开展专题研究工作。钢主梁的顶推与桥面板现浇施工1概述汇报内容2钢结构桥梁应用方案分析3组合钢板梁设计4组合钢梁桥应用展望4041四、组合钢梁桥应用展望4.1全寿命周期评价体系的完善针对目前组合结构的经济性问题，没有充分考虑钢结构的长期性能优于混凝土的因素，因此有必要从设计、施工、管理、养护、回收全过程着手，建立健全全寿命周期评价体系。42四、组合钢梁桥应用展望4.2新材料的应用耐候钢超高性能混凝土43四、组合钢梁桥应用展望4.3推进组合结构的标准化（设计及施工）基础性研究组合梁桥面板性能研究钢结构疲劳及连接性能研究钢-混凝土剪力连接键承载能力研究耐候钢桥梁技术规程标准图编制少主梁体系组合钢板梁参考图多主梁体系二次组合钢板梁参考图分离式双边箱组合梁参考图整体式开口钢箱组合梁参考图整体式闭口钢箱组合梁