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详细阐述几种有特色的组合梁桥
2010-03-24 
 
钢和混凝土组合梁桥在国内外都有被更多采用的趋势一。这种结构具有下列优点:

  1.方便施工。由于钢杆件强度大,重量轻,便于架设。

  2.减轻自重。与混凝土梁桥相比,自重轻,这一点对于大跨径梁桥尤其重要,可以减小恒载的比例,减小对下部构造和基础的要求。

  3.提高使用性能。由钢抗拉 ,混凝土抗压,充分发挥材料的性能。在采用钢管混凝土时,可以利用钢管对混凝土的套箍作用。

  4.节省造价。在大跨径桥梁中,这个优点特别明显。

  常用的组合梁桥,有钢梁与混凝土板的组合梁桥,预弯预应力梁桥,这些在我国已较多采用。以下介绍另外几种有特色的组合梁桥。

  一、双管梁组合梁桥

  日本在铁路新干线上,修建了一座以钢管为主梁的组合梁桥,该桥为连续梁。钢管用耐侯钢制作,直径1.2m,壁厚22mm,每隔6m与钢工字横梁相连。双管上有钢筋混凝土 板。在靠近中支点处,管内填以混凝土,以承受负弯矩的压应力;而在跨中,管内填以重量非常轻的空气砂浆,以减轻自重。钢管与混凝土板一起作为组合结构承受正弯矩。其建设费用显著低于钢桥。

  为此曾作模型试验,证实即使荷载增加到最大值后,并不减小,显示了很好的延性。并且梁的噪音和振动,均大大低于一般的工字梁和钢筋混凝土板的组合梁桥,这一点对于铁路尤其重要。

  这种管梁桥,可用于较大跨径的桥梁。在中支点处,也可设内外两个钢管,把混凝土浇筑成环行。管梁截面也可用于斜拉桥,日本设计一座跨径900m的斜拉桥,宽22m,双管管径2.5m。不过这已超出本文梁桥主题范围,不再赘述。

  二、U形梁组合梁桥

  日本修建一座U形梁组合梁桥,为三跨连续梁桥,跨径60m,宽11m。其U形梁肋高2.5m,比工形梁低0.5m,最厚的钢板为25mm,钢板抗拉强度为600MPa。由于U形梁冷作加工,其腹板较厚,仅需少量加劲件,焊接工作量及制作费用急剧减小,比工形梁低20~30%。U形梁每节段长12m,在工地焊接连接。
U形梁与钢筋混凝土板形成组合梁。跨中部分U形梁内可不浇筑混凝土,如图2A截面。而在中间支承,U形梁内浇筑混凝土,以抵抗负弯矩的压应力,并用粗钢筋施加预应力,如图2B截面。由于U形梁本身可用作模板,而且在上翼缘增加了支撑,因此混凝土工程简单,并可采用悬臂安装的方法。

  三、钢腹板混凝土箱梁桥

  这种组合结构的构思是,维持箱梁的顶、底版采用混凝土材料,而将占自重20%左右的混凝土腹板,以较轻的钢板来代替,较大幅度地减轻上部结构的自重,可以增大跨径。由于上部结构自重轻,减小对下部结构的要求,减少工程费用。同时减少了腹板的模板和钢筋工程,加大节段长度,可以缩短工期。

  这个构思是由法国首先提出,他们首先采用平面钢模板,修建了跨径38m的Ferte-Saint-Aubin桥。在实践过程中,又提出了用波形钢板作为腹板,因为波形钢板的剪切屈曲抗力大,而且由于波形钢板不能抵抗轴向力,可以对混凝土桥面板引入高效率的压应力。法国已修建了4座这类桥梁,例如跨径为31+43+31m的Cognec桥,跨径为40.95+47.25+53.55+47.25+44.10+40.95的Maupre高架桥,均为连续梁。

  日本1993年起也修建了这类桥梁,并修建了第一座波形钢腹板混凝土箱梁连续刚构桥—本谷桥。

  本谷桥跨径44+97.2+56m,为三跨不对称变截面连续刚构。箱梁顶宽11.04m,底宽6.2m,梁高跨中2.5m,根部6.4m。混凝土底板厚22~55cm。波形钢板波长1.2m,波高20cm,厚8mm。波形钢板互相连接,可采用高强螺栓单面连接法。混凝土顶板与波形钢板的连接,在波形钢板上打孔,穿入钢筋,再在钢板上下端部焊上钢筋(约束钢筋),埋入混凝土内。
 

图1   本谷桥
 
施工方法,44m跨用支架施工,其他用悬臂浇筑,梁段最长4.8m(用混凝土腹板时最长3.5m),共31个节段(用混凝土腹板时39节段),每节段周期8.5天。

  为了防止水沿波形钢板渗入底板的可能,采用硅酮橡胶作了防水处理。

  在本谷桥的设计中,曾作了模型试验,也对实桥作了荷载试验,证明设计方法可行,结构连接有足够的抗力,可以进行悬臂施工。

  法国、日本正在继续对这类结构进行工作,已经作了最大跨径达400m的设计初步方案。看来这种桥型用在200m或稍多一些的跨径,应该是完全没有问题的。

  四、钢管混凝土桁架组合连续刚构桥

  最近三、四年,我国修建了两座大跨径钢管混凝土空间桁架组合连续刚构桥。这是一种比传统箱梁更为轻型的结构。

  (一)湖北秭归向家坝大桥

  跨径43.3+72.2+43.3m,是等截面空间桁架组合连续刚构。桥宽10m。梁为空间桁架,高3.55m,节点间距纵横向均为3.8m,下弦为钢管混凝土杆件,管径除紧靠桥墩一节为Φ70cm(壁厚14~20mm)外,其他均为Φ55.9cm,(壁厚8.7~12.7mm)。上弦采用[27~33]的16Mn槽钢,槽钢间用24×24cm钢筋混凝土横梁,上有16cm厚无粘结预应力混凝土桥面板与6cm钢纤维混凝土桥面铺装。在桥墩梁侧各24.7m范围内,设纵向预应力,以克服负弯矩拉应力。腹杆用Φ24.5cm钢管,拉杆内不浇筑混凝土,压杆则浇混凝土。管内混凝土均用C50。下弦之间用Φ20.3cm横撑杆钢管连接。所有钢杆件都用焊接,为全焊结构,用热喷锌和铝进行防腐,可维持30年。

  施工方法是利用路槽及台前,形成总长35m的组装平台,组装长30m的空间桁架,包括钢表面防腐处理及浇筑混凝土横梁。然后两端利用卷扬机及滑车组牵引,用顶推方法将梁推至中跨,按实际间隙下料,合拢。以后浇筑墩顶实体段混凝土,实现墩梁固结,再浇筑管内混凝土以及桥面。

  (二)万州特大桥

  跨径75+3×120+75m,是变截面空间桁架组合连续刚构。梁由两部分组成,上部为等截面钢管混凝土空间桁架组合梁,节间长度纵向6m,横向5m,桁高5.252m,混凝土桥面板厚22cm。下部为三角形变高度钢管混凝土悬臂桁架,共三片,最大高度12m,墩两侧每侧悬出36m。

图2   湖北秭归向家坝大桥

  上部梁上弦为4Φ45cm钢管,壁厚10~16mm,下弦为3Φ50cm钢管,壁厚13~16mm。在墩顶附近桥面板内,设纵向预应力,以抵抗负弯矩。横向预应力则在全桥范围内均匀布设。

  施工方法,先在墩侧悬臂拼装梁的下部桁架,安装滑道,然后将在引桥搭设的平台上组装的空间桁架,在节点下加托板,在滑道上顶推前移合拢,将梁上部下部焊成整体,浇筑墩顶实体段混凝土,形成梁墩固结,再浇筑管内混凝土和桥面板。

  这种桥型,是我国首先提出并实现的,非常成功,主要有以下特点:

  1.总的来说,施工简便。用不大的顶推(牵引)力,即可使空间桁架纵向推顶就位;不需支架,即可完成混凝土浇筑。

  2.经济指标良好。

  向家坝大桥,每m2桥面的材料用量,混凝土仅为0.31m3,预应力钢8.8kg,普通钢145.5kg。其单位造价与同期完成跨径类似的45+70+45m连续刚构相比,仅为68%。
万州特大桥,每m2桥面的材料用量,混凝土仅0.42m3/m2,预应力钢7.5kg,普通钢188.5kg。其混凝土指标仅为同一跨径混凝土连续刚构的59.2%,实现了桥梁的轻型化。

  3.焊接工作量大。这是这种结构不太有利的一面,节点处钢管的放样下料一定要精确,焊接要细致过硬。

  从目前已完成的两座桥来展望,这种桥型很有发展前途,可用于再大一些跨径例如200m以上的桥梁。如果用作斜拉桥的主梁(我国已在广东南海修成了主跨140m的钢管混凝土斜拉桥),则跨径可以超过400m。但设计时应当放更大的注意力在节点的疲劳问题上。

参考文献:
1.《钢和混凝土组合桥梁的新结构形式》,见《国外公路》2000年4期。
2.《本谷桥的设计与施工》,见《国外桥梁》1999年3期。
3.《本谷桥的模型试验和实桥荷载试验》,见北京建达道桥咨询公司《2000年度桥梁学术论文集》。
4.《金属波形抗剪横隔板的屈曲公式》,同上。
5.张联燕等:《钢管混凝土空间桁架组合梁式结构》,人民交通出版社,1999年。


 
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