一种横向不等高钢板组合梁桥及其构建方法 |
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| 申请号 | CN202311555522.3 | 申请日 | 2023-11-21 | 公开(公告)号 | CN117604876A | 公开(公告)日 | 2024-02-27 |
| 申请人 | 安徽省交通控股集团有限公司; | 发明人 | 王博; 吴建民; 朱荣; 宋军; 于春江; 王亮; 邓陈记; 刘志权; 王金兵; 肖胜; 刘滨锐; 胡彬; 尹超; 陈亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种横向不等高 钢 板组合梁桥及其构建方法，横向不等高钢板组合梁桥包括 桥面 板、第一主梁和第二主梁，所述桥面板下方设有多个第一主梁和第二主梁，多个所述第一主梁和第二主梁平行设置，所述第一主梁的高度高于第二主梁，相邻第一主梁之间设有第一横隔板，相邻第二主梁之间设有第二横隔板，相邻第一主梁和第二主梁之间设有第二横隔板。钢板组合梁同 钢筋 混凝土 梁相比，具有显著的 力 学性能和造价优势。当其被应用于具有显著车道荷载差异的 桥梁 上时，若仍采用横向等高布置，会造成极大浪费。因此本发明提出的构建方法，可以根据桥梁跨径、桥梁总宽度以及设计车道荷载完成主梁的布置及设计。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种横向不等高钢板组合梁桥，其特征在于，包括桥面板(1)、第一主梁(2)和第二主梁(3)， |
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| 说明书全文 | 一种横向不等高钢板组合梁桥及其构建方法技术领域背景技术[0002] 钢板组合梁同钢筋混凝土梁相比，可以减轻结构自重，减小地震作用，减小截面尺寸，增加有效使用空间，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加梁的延性等。同钢梁相 比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐久性等。近年 来，钢板组合梁在我国城市立交桥梁及建筑结构中已得到了越来越广泛的应用，并且正朝 着大跨方向发展。钢板组合梁在我国的应用实践表明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点， 具有显著的技术经济效益和社会效益，其在国内外被广泛应用。 [0003] 在设计横向拼接桥梁的主梁时，一般取所有主梁中的最不利设计内力进行设计。在完成最不利内力主梁设计后，为了施工方便，将其他主梁的参数也设为一致。在一般情况 下，重车和轻车并无车道限制，因此各主梁的最不利内力相差并不大，材料浪费较少。在一 些桥梁上，规定了重车和轻车必须在规定的车道行驶，这时不同主梁的最不利内力相差较 大，如果所有主梁仍然采用相同的截面，会造成较大的浪费，尤其是工程规模比较大时，极 其不经济。 发明内容[0004] 本发明的目的是为了提供一种横向不等高钢板组合梁桥及其构建方法，钢板组合梁桥同钢筋混凝土梁相比，具有显著的力学性能和造价优势，当其被应用于具有显著车道 荷载差异的桥梁上时，若仍采用横向等高布置，会造成极大浪费。因此本发明提出一种横向 不等高钢板组合梁桥及其构建方法，可以根据桥梁跨径、桥梁总宽度以及设计车道荷载完 成主梁的布置及设计，让钢板组合梁桥的主梁截面尺寸与其对应的最不利设计内力相适 应，优化钢板组合桥梁的主梁截面尺寸，降低碳排放及工程造价，实现绿色环保。 [0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0006] 一种横向不等高钢板组合梁桥，包括桥面板、第一主梁和第二主梁， [0007] 所述桥面板下方设有多个第一主梁和第二主梁，多个所述第一主梁和第二主梁平行设置，所述第一主梁的高度高于第二主梁， [0008] 相邻第一主梁之间设有第一横隔板，相邻第二主梁之间设有第二横隔板，相邻第一主梁和第二主梁之间设有第二横隔板。 [0009] 进一步地，所述第一横隔板的高度高于第二横隔板。 [0010] 进一步地，所述第一主梁和第二主梁形状均为工字型，材质均为混凝土和钢材。 [0012] 上述更进一步地，所述第一主梁的腹板两侧间隔设有多个第一加劲肋，所述第二主梁的腹板两侧间隔设有多个第二加劲肋，所述第一加劲肋的高度高于第二加劲肋。 [0013] 此外，本发明还提供一种横向不等高钢板组合梁桥的构建方法，具体步骤如下： [0014] S1、确定桥梁尺寸：所述桥梁尺寸包括桥梁跨径、桥梁总宽度和桥梁横截面的尺寸，所述桥梁横截面的尺寸包括第一主梁和第二主梁的数量、间距和截面尺寸以及桥面板 截面尺寸； [0015] S2、根据荷载确定第一主梁、第二主梁和桥面板的截面尺寸，并计算得出恒载； [0016] S3、横向分布系数计算确定活载； [0017] S4、根据步骤S2中得到的恒载和步骤S3中得到的活载计算得出最不利设计内力； [0018] S5、根据第一主梁和第二主梁的抗弯承载内力计算出第一主梁和第二主梁下翼缘板的厚度。 [0019] 进一步地，步骤S1中，所述桥梁跨径按照所需跨越障碍物的大小或其他因素进行确定，中小跨径桥梁，一般采用预制拼装方法建造，因此其桥梁跨径一般取标准跨径，20m、 25m、30m、35m。 [0020] 进一步地，步骤S1中，所述第一主梁和第二主梁的数量根据桥梁总宽度进行确定，第一主梁和第二主梁的数量＝桥梁总宽度/单块桥面板宽度。 [0021] 上述更进一步地，所述第一主梁和第二主梁的间距根据桥梁总宽度以及第一主梁和第二主梁的数量进行确定， [0022] 所述第一主梁和第二主梁的间距包括相邻第一主梁的间距、相邻第二主梁的间距以及相邻第一主梁和第二主梁的间距， [0023] 所述第一主梁和第二主梁的间距与桥梁总宽度满足以下等式： [0024] (第一主梁的数量+第二主梁的数量‑1)×第一主梁与第二主梁的间距+2×桥梁两端第一主梁或第二主梁上翼缘板宽度＝桥梁总宽度。 [0026] 所述第一主梁和第二主梁截面尺寸初次有限元优化具体方法如下： [0027] 首先根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362‑2018)的构造要求，拟定截面尺寸，然后将截面尺寸输入有限元计算模块中，有限元软件得出其截面应 力，验算截面应力，若满足则统计其工程造价，若不满足则修改截面尺寸，重新提交计算，最终经过多次迭代，得到满足规范要求的最经济截面。 [0028] 进一步地，步骤S2中，所述第一主梁和第二主梁的恒载计算公式为qDload＝A×γ， [0029] 式中，A表示第一主梁或第二主梁的横截面面积，γ表示横向不等高钢板组合梁桥的重度。 [0031] 进一步地，步骤S4中，最不利设计内力设定为使横向不等高钢板组合梁桥结构达到承载能力极限状态时的内力值，对应于基本组合内力，参考《公路钢筋混凝土及预应力混 凝土桥涵设计规范》(JTG 3362‑2018)。 [0032] 进一步地，步骤S5中，所述第一主梁和第二主梁的抗弯承载内力计算可采用条带法积分求解： [0033] [0034] 式中，My表示屈服弯矩，fcd表示混凝土设计抗压强度，bf表示第一主梁或第二主梁截面，dx表示条带宽度，取第一主梁或第二主梁截面总高度的1/20，xi表示条带到受压边缘 的距离，h0表示第一主梁或第二主梁截面有效高度；条带是桥梁截面上进行弯矩计算时候 人为划分的一个有限高度的矩形。 [0035] 进一步地，步骤S5之后设有步骤S6、验算横向不等高钢板组合梁桥的抗弯承载力，抗剪承载力，跨中挠度和局部屈曲等。 [0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示： [0037] 1、材料节约：传统的等高布置主梁在规定了重车和轻车必须在规定车道行驶的桥梁上，由于各主梁的最不利内力相差较大，采用相同的截面会造成较大的材料浪费；而本发 明提供的横向不等高钢板组合梁桥通过根据各主梁的最不利内力进行设计，可以根据实际 需要灵活调整主梁截面的高度，从而减少材料的使用，提高经济性。 [0039] 图1为横向不等高钢板组合梁桥的三维视图； [0040] 图2为横向不等高钢板组合梁桥的横截面视图； [0041] 图3为横向不等高钢板组合梁桥的下部结构示意图； [0042] 图4为横向不等高钢板组合梁桥的第一主梁和第二主梁的结构示意图； [0043] 图5为横向不等高钢板组合梁桥的侧视图； [0044] 图6为有限元优化方法流程示意图。 [0045] 附图标号说明：1、桥面板，2、第一主梁，3、第二主梁，4、第一加劲肋，5、第二加劲肋，6、第一横隔板，7、第二横隔板，L、桥梁跨径，B、桥梁总宽度，C、桥梁两端第一主梁或第二主梁上翼缘板宽度。 具体实施方式[0047] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步的定义和解释。 [0048] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0049] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。 [0050] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。 [0051] 实施例1 [0052] 参见图1至图6，本实施例提供一种横向不等高钢板组合梁桥，包括桥面板1、第一主梁2和第二主梁3， [0053] 所述桥面板1下方设有多个第一主梁2和第二主梁3，多个所述第一主梁2和第二主梁3平行设置，所述第一主梁2的高度高于第二主梁3， [0054] 相邻第一主梁2之间设有第一横隔板6，相邻第二主梁3之间设有第二横隔板7，相邻第一主梁2和第二主梁3之间设有第二横隔板7。 [0055] 在本实施例中，所述第一横隔板6的高度高于第二横隔板7。 [0056] 在本实施例中，所述第一主梁2和第二主梁3形状均为工字型，材质均为混凝土和钢材。 [0057] 在本实施例中，所述第一主梁2和第二主梁3均包括上翼缘板、下翼缘板和腹板，所述上翼缘板和下翼缘板上下平行设置，所述上翼缘板和下翼缘板之间垂直固定有一个腹 板，所述上翼缘板顶端与桥面板1固定连接。 [0058] 在本实施例中，所述第一主梁2的腹板两侧间隔设有多个第一加劲肋4，所述第二主梁3的腹板两侧间隔设有多个第二加劲肋5，所述第一加劲肋4的高度高于第二加劲肋5。 [0059] 此外，本实施例还提供一种横向不等高钢板组合梁桥的构建方法，具体步骤如下： [0060] (1)确定桥梁尺寸： [0061] 桥梁尺寸分为桥梁跨径L和桥梁横截面的尺寸。桥梁跨径L应按照所需跨越障碍物的大小或其他因素进行确定。桥梁横截面尺寸主要分为第一主梁2和第二主梁3的数量、间 距和截面尺寸以及桥面板1截面尺寸。 [0062] 所述第一主梁2和第二主梁3的数量根据桥梁总宽度B进行确定，第一主梁2和第二主梁3的数量＝桥梁总宽度B/单块桥面板1宽度。根据现有研究，纵向拼接桥梁的第一主梁2 和第二主梁3的数量应尽可能少，这样能减少工期进而降低工程造价。 [0063] 第一主梁2和第二主梁3的间距可以根据桥梁总宽度B以及第一主梁2和第二主梁3的数量进行确定。所述第一主梁2和第二主梁3的间距包括相邻第一主梁2的间距、相邻第二 主梁3的间距以及相邻第一主梁2和第二主梁3的间距， [0064] 所述第一主梁2和第二主梁3的间距与桥梁总宽度B满足以下等式： [0065] 第一主梁的数量+第二主梁的数量‑1×第一主梁与第二主梁的间距+2×桥梁两端第一主梁或第二主梁上翼缘板宽度C＝桥梁总宽度B； [0066] 第一主梁2和第二主梁3的截面尺寸应按设计荷载进行确定，恒载在荷载中占据很大一部分比例，而确定恒载需要首先确定桥梁横截面，因此基本只能先拟定第一主梁2和第 二主梁3的截面尺寸再计算设计荷载，桥面板1截面尺寸同样如此。 [0067] 所以要确定最优截面尺寸，需要反复多次尝试，一般可以采用有限元软件进行优化确定。 [0068] (2)横向分布系数计算 [0070] 目前适用于工字梁桥横向分布系数计算的方法主要有杠杆法、刚性横梁法、比拟正交异性板法、有限元法等。 [0071] 由于横向布置的主梁高度相差较大，因此其抗弯刚度差异显著，采用传统方法可能精度稍差，因此可以采用有限元法计算横向分布系数。 [0072] (3)最不利设计内力计算及受拉侧钢翼缘板(下翼缘板)的厚度计算 [0073] 在初步确定桥梁尺寸以及材料后，就可以计算出恒载，所述第一主梁2和第二主梁3的恒载计算公式为qDload＝A＝γ， [0074] 式中，A表示第一主梁2或第二主梁3的横截面面积，γ表示横向不等高钢板组合梁桥的重度。 [0075] 根据横向分布系数可以计算出活载。 [0076] 根据恒载以及活载，组合出最不利设计内力后，根据抗弯承载内力极限状态计算出主梁受拉侧钢翼缘板的厚度。 [0077] 所述第一主梁2和第二主梁3的抗弯承载内力计算可采用条带法积分求解： [0078] [0079] 式中，My表示屈服弯矩，fcd表示混凝土设计抗压强度，bf表示第一主梁2或第二主梁3截面，dx表示条带宽度，取第一主梁2或第二主梁3截面总高度的1/20，xi表示条带到受压边缘的距离，h0表示第一主梁或第二主梁截面有效高度。 [0080] (4)验算及尺寸调整 [0081] 根据确定的第一主梁2和第二主梁3的截面尺寸，分别进行各项指标的验算，如抗弯承载力，抗剪承载力，跨中挠度，局部屈曲等，具体参考钢混组合结构设计规范。 [0082] 如果均满足以上指标，说明本实施例提供的横向不等高钢板组合梁桥已经满足了安全、适用的要求；进一步，若这些性能显著超过设计需求，则需要进行经济优化，对截面进行调整，以降低造价；在调整完截面后，再次进行(2)～(4)步骤，直到安全、适用、经济三者均满足要求为止。 [0083] 实施例2 [0084] 本实施例还提供一种横向不等高钢板组合梁桥的构建方法，本实施例先确定第一主梁2和第二主梁3的下翼缘板的初始厚度，再进行承载力验算，若承载力不满足各截面的 抗弯、抗剪以及其他指标，重新修改厚度尺寸，具体步骤如下： [0085] (1)根据工程需要确定桥梁跨径L和桥梁总宽度B。根据钢混组合梁的一般高跨比，初步拟定第一主梁2的截面高度h1和第二主梁3的截面高度h2，其中：h2/h1<＝0.7，否则桥 梁横截面无需采用不等高形式。 [0086] 根据构造确定第一主梁2和第二主梁3的下翼缘板的初始厚度，选取合理的第一主梁2和第二主梁3的数量，分别适应重车道和轻车道，根据第一主梁2和第二主梁3的数量和 桥梁总宽度B确定第一主梁2和第二主梁3的间距。根据相关规范的构造确定第一横隔板6和 第二横隔板7的高度。 [0087] (2)接着分别计算重车道第一主梁2和轻车道第二主梁3的横向分布系数，推荐采用有限元法计算。车道的横向布置采用重车和轻车同时布置，重车道和轻车道的集中力大 小不同，具体参考相关荷载规范。 [0088] (3)计算第一主梁2和第二主梁3的恒载，其次由横向分布系数计算活载，然后计算各第一主梁2和第二主梁3的各截面的最不利基本组合剪力和弯矩，以及其他组合。 [0089] (4)分别根据重车道第一主梁2和轻车道第二主梁3的最不利基本组合弯矩计算其受拉区钢翼缘板(下翼缘板)的厚度。 [0090] (5)然后验算各截面的抗弯、抗剪以及其他指标，具体参考《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》。如果均满足以上指标，说明桥梁已经满足了安全、适用的要求进一步，若这些性能显著超过设计需求，则需要进行经济优化，对截面进行调整，以降低造价；在调整完 截面后，再次进行(2)～(4)步骤，直到安全、适用、经济三者均满足要求为止。 [0091] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般 原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领 域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。 |
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