钢结合梁（共8篇）
钢结合梁 篇1
1 工程概况
襄渝二线后河10号右线大桥位于四川省万源市境内。桥跨组成:1×24 m+1×48 m+2×24 m+9×32 m+3×24 m简支梁桥,其中第二跨为主跨,上跨万源市区主干道,设计为48 m钢—混结合梁,主跨净空高度14.6 m,并紧临既有铁路桥,两线线间距5.50 m～5.52 m,如图1所示。钢梁在专业制梁厂生产,运至施工现场分节段安装。
钢梁主要构件采用Q345钢。人行道支架和检查设备采用Q235钢。桥面板混凝土等级为C55,挡碴墙混凝土等级为C20。高强螺栓材质为20MnTiB,螺母及垫圈均为45号优质碳素钢。
钢梁全长49.1 m,净高3.64 m,梁体纵向分5段,每段由上下两层组成,上层高1.84 m,下层高1.80 m,共10个制造及吊装单元,节段长度为10.15 m+3×9.6 m+10.15 m,分上下两层制造和运输。钢梁上翼缘板宽0.5 m,厚28 mm;下翼缘板宽3.814 m,梁端加宽至3.98 m,板厚28 mm。靠近支座区域腹板厚度20 mm,其他14 mm。
2 总体施工方案
48 m钢—混结合梁架设分两部分:1)先完成钢梁的拼装,48 m钢梁设计共分5个节段,每节段分为上下两层,在支架上完成分段拼装,采用对接焊缝和高强螺栓连接。2)钢桥连成整体后,在钢梁上浇筑混凝土桥面板,并安装其他设施,最终完成梁体架设任务,混凝土达到90%设计强度后拆除支架。总体步骤:地基处理搭设支架→吊装钢箱梁→浇筑桥面混凝土→安装附属设施。
3 支架体系
3.1 支架方案选择
考虑该桥位于市区,道路车流量大,行人多,又临近既有铁路桥,故选择了门式支架和满堂支架结合形式,支架横桥向宽6 m。在道路上方采用12 m长六四式军用梁和碗扣架搭设门式支架,门式支架高5 m,车道净宽7.5 m,见图2。军用梁上方钢梁单元节点处采用碗扣架搭设支墩至钢梁底,钢梁其他单元节点处直接从地面支架基础上用碗扣架搭设支墩至钢梁底,支墩间采用普通钢管脚手架搭设,见图3。为确保安全,在道路两侧满堂架内各设两处行人通道,满堂架临街面挂设安全网,顶部钢梁两侧铺设竹胶板,门架靠道路两侧设混凝土防撞墩。
3.2 支架稳定措施参考文献:
支架往往因失稳易发生跨塌,确保支架体系的稳定性是施工中的关键。具体实施中采用两点措施:1)沿桥横向每隔一排立杆设置1道剪刀撑,顺桥方向共设置4道纵向剪刀撑。2)用普通钢管脚手架将4道起主要承重结构的支墩连成整体。
3.3 支架搭设
1)支架地基处理。主跨所处地段约2/3在城市主街道上,可直接在街道混凝土路面上搭设支架,剩余1/3段在拆迁后的房屋地基上,需对该段进行处理。主要工作内容包括清除支架地段原地面杂物、淤泥及积水,采用灰土分层回填压实至要求标高。2)支架立杆位置放样。用全站仪在地面上放出钢箱梁中心线,然后用钢尺放出支架底座十字线,并在地面上标记清楚。3)安放底座。按标记的位置安放底座,并将旋转螺丝顶面调整在同一水平面上。4)安装立杆、横杆和上托盘。从一端开始,安装底层立杆和横杆,调整立杆垂直度和位置后将碗扣扣紧,一层立杆、横杆安装完后再进行第二层立杆和横杆的安装,直至最顶层,最后安放上托盘,并依设计标高将碗扣架上托盘调至设计标高位置。立杆顺桥向间距90 cm,横桥向间距在底板范围采用90 cm,翼缘板下采用120 cm,横杆上下步距120 cm。5)安放方木。上托盘调整好后,铺设纵向15 cm×15 cm方木,铺设方木注意两方木接头应落在托盘上,然后按30 cm间距铺设横向10 cm×10 cm方木。
3.4 六四军用梁设置
军用梁由标准三角构架组成,单片梁长12 m,共设置5片,钢箱梁下方设置3片,两侧道碴槽板下方各设置1片。六四式军用梁基本构件单元最大质量为455 kg,辅助件最大单元质量为562 kg,在桥下组拼好,逐片起吊安放就位。最后通过槽钢将5片军用梁连接成整体。由5片军用梁及两道支墩构成主干道通车门架,通道净高5 m,宽7.5 m,长6 m,见图2,图4。
4 钢梁架设
4.1 钢梁制造及运输要求
4.1.1 钢梁制造要求
钢梁制造和运输由专业生产厂完成,钢梁制造除严格遵照TB 10212-98铁路钢桥制造规范的要求外,还应满足以下条件:
1)由于钢梁分段制造,所以制造时应严格控制精度。2)腹板与翼缘的纵向焊缝采用埋弧自动焊,受拉区焊缝质量应符合《铁路钢桥制造规范》中Ⅰ类焊缝要求,受压区应符合Ⅱ类焊缝要求。3)腹板竖向加劲肋应采用成型好的CO2气体保护焊或半自动焊施焊,焊趾处不允许咬合。4)钢梁部件表面应采用喷丸或抛丸的方法进行除锈,且必须将表面油污、氧化皮和铁锈以及其他杂物清除干净,除锈后的钢表面清洁度等级应达到GB 8923涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级规定的要求。5)钢梁涂装体系的选择、涂层厚度及施工工艺应严格按照TB/T 1527-2004铁路桥梁保护涂装的规定执行。
4.1.2 钢梁运输要求
钢梁运输过程中严防扭转、翘曲和侧倾,吊装时应注意轻吊轻放、缓慢移动、支撑平稳。
4.2 钢梁预拱度实现
为保证线路在运营状态下的平顺性,钢梁需设预拱度。预拱度值为恒载和半个静活载产生的挠度。工厂制造安装时通过调整腹板高度来实现预拱度设置。
4.3 钢梁架设
钢梁节段上下层在现场分片吊装,在支架上通过对接焊缝和高强螺栓连接成一体,其顺序是先焊后栓,焊前先用冲钉定位。钢梁节段上翼缘板焊缝为单面坡口对焊,坡口尺寸由焊接工艺确定,焊接质量达到Ⅰ级。
钢梁单元吊装在“天窗”点内进行,共计要点10次,每次吊装1个单元。吊装采用1台100 t轮式吊车起吊,分节段吊装钢梁单元至支架平台上。当5个节段钢箱基本就位后,按设计的钢箱梁线形和厂内预拼形态进行线形调整。调整时,以钢箱梁外腹板为基准线进行x轴、y轴、z轴3个方向调整。x轴(横桥向)、y轴(顺桥向)采用千斤顶配合手动葫芦微调至设计位置,z轴(垂直)采用千斤顶顶起加垫钢板微调顶面标高至预拼状态。线形调整满足设计及预拼要求后,即可进行节段间连接。
钢梁吊装连接成整体后进行桥面板现浇施工,桥面板施工略,混凝土达到90%设计强度后拆除支架体系。
5 结语
襄渝二线后河10号右线大桥钢—混结合梁采用上述工艺安全顺利地完成梁体架设拼装任务,受到业主好评,为企业赢得荣誉。实践表明该方法是可行的,可用于同类桥梁的施工。
摘要：结合钢—混结合梁架设中钢梁在支架上吊装施工难度及安全风险大的特点,以工程实例为背景,详细介绍了吊装支架体系,总结了施工过程,实践证明该方法可安全顺利地完成梁体架设拼装任务,在该类工程中应用是可行的。
关键词：大跨度,钢—混结合梁,拼装,施工技术
参考文献
[1]龚志刚.100 m悬浇箱梁施工工艺的改进措施[J].山西建筑,2008,34(22):129-130.
钢结合梁 篇2
单双壁结合钢围堰设计与施工
针对捞刀河大桥拓宽改造工程2号墩工期紧张、没有围堰封底空间的.情况,采用了单双壁结合钢围堰结构,对单双壁结合钢围堰设计及施工工艺进行了论述,结果表明该工程取得了良好的效果.
作 者：彭建萍 孙国光 PENG Jian-ping SUN Guo-guang 作者单位：中铁大桥局集团第五工程有限公司,江西,九江,33 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 35(16) 分类号：U445.556 关键词：单双壁结合钢围堰 圈封 设计与施工 有限元法钢结合梁 篇3
钢-混凝土结合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构, 通常采用钢梁与混凝土板, 以剪力连接件连接成一体而共同作用、协同工作, 它能充分利用钢与混凝材料性能, 兼有钢与混凝土两者的优点。多年来, 结合梁在各国的应用实践表明, 它不仅可以很好地满足结构的功能要求, 而且具有良好的技术经济效益, 在建筑及桥梁结构等领域体现出广阔的应用前景。
钢-混凝土结合梁的内力和位移计算方法有解析法和数值法。其中解析法因可以得到内力和位移的表达式, 应用较方便。本文采用半解析法:伽辽金法计算钢-混凝土结合梁考虑相对滑移的静力响应, 采用正交函数作为位移函数, 通过推导出形常数与载常数的计算公式, 进而用渐近法计算钢-混凝土结合梁考虑相对滑移时的内力。
1 基本假设
在推导单跨钢-混凝土结合梁的形常数和载常数时, 为方便计算引入如下基本假设:a.剪力连接件所受的剪力与其滑移成线形关系;b.剪力连接件沿钢-混凝土结合面连续分布;c.钢与混凝土的应力, 应变成线性关系;d.混凝土板无掀起。
2 公式推导
2.1 控制微分方程
根据钢-混凝土结合梁的变形特征, 可设钢与混凝土的轴向位移为:
(1) 式中, w=w (x) 和u=u (x) 分别为结合梁的挠度和钢与混凝土的相对滑移, fc=-EsAs/ (EcAc+EsAs) , fs=EcAc/ (EcAc+EsAs) 为考虑钢梁与混凝土板之间相对滑移不引起纵向力而引入的系数, Es、Ec和As、Ac分别为钢与混凝土的弹性模量和截面积。
由几何方程得钢与混凝土的非零应变分量为:
考虑相对滑移时结构的总势能为:
由最小势能原理δΠ=0得结合梁的控制微分方程
(3) 式中:EI=EsIs+EcIc, ES=fcEcSc+fsEsSs;
Is、Ic、Ss、Sc分别为钢与混凝土截面对组合截面中性轴的惯性矩和静矩, k为剪力连接件的分布刚度 (单位长度的抗剪刚度) 。
2.2 微分方程的解
解以上微分方程, 可得:
C1至C6为积分常数, 由以下边界条件确定, 而弯矩:
2.3 各种边界的边界条件
3 单跨钢-混凝土结合梁的形常数推导
3.1 一边固定一边铰支梁的形常数推导
X=0处:
即 即
本情况中, q=0, 对于一般的组合结构, 认为shγL≈chγL, 联立解得:
故有:
综上对一边固定一边铰支梁, 劲度系数:
传递系数
3.2 一边固定一边滑动梁的形常数推导
根据其边界条件, 同理推导, 得劲度系数:
传递系数:CAB=1。
3.3 两边固定梁的形常数推导
根据其边界条件, 同理推导, 得劲度系数:
传递系数:
当
4 单跨钢-混凝土结合梁载常数推导
4.1 一边固定一边铰支梁的载常数推导
根据其边界条件, 同理推导, 得固端弯矩:
当
4.2 一边固定一边滑动梁的载常数推导
根据其边界条件, 同理推导, 得固端弯矩:
当
4.3两边固定梁的载常数推导
根据其边界条件, 同理推导, 得固端弯矩:
当
4.4一边固定一边滑动梁的载常数推导
此种边界的边界条件:
在
在
根据其边界条件同理推导, 得固端弯
4.5等效代换求如下载常数
由4-6图等效代换可知:
5 算例
5.1 连续结合梁的计算
某跨度为2×20m的连续结合梁, 第一跨受到均布荷载q=100kg/m作用, 第二跨跨中受到集中荷载P=2 000kN作用
(图中几何尺寸单位为cm)
混凝土为C 50, 弹性模量EC=3.55×104MPa, 钢的弹性模量ES=2.1×105MPa, 剪力钉刚度为:
5.1.1 传递与分配系数计算
5.1.2 固端弯矩计算
5.1.3 钢-混凝土连续结合梁的渐近解
如图5-2所示
5.2 k取不同值的计算
若取k=5×1010N/m 2, 计算原理同上, 计算得:
5.2.1 传递与分配系数计算。
5.2.1 固端弯矩计算
5.2.3 省略图解过程
渐近解结果如下所示。
5.3 用结构力学中的力矩分配法求解
5.3.1 分配系数及固端弯矩的计算
设i=LEI, 则μBA=4i4i+3i=74, μBC=73,
5.3.2 省略图解过程
渐近解结果如下所示
6 结果与分析
6.1 三种弯矩值计算结果比较见表6-1
6.2 计算前提
假设shγL=chγL, shγL/2=chγL/2, 故对k的取值下限有要求, 由于shx= (ex-e-x) /2, chx= (exe-x) /2, 当x=2.4时sh2.4=5.466, ch2.4=5.557, 可近似认为当时则根据x=γL或 可解得当k≥0.24×1011时, 本文计算假设成立。
6.3 算例结果
对于考虑相对滑移的钢-砼结合梁, 如果抗剪刚度k值越小, 则结果跟结构力学解相差越大, 这是因为结构力学的解没有考虑相对滑移的影响。当抗剪刚度取k=5×1011kN/m 2时, 跟不考虑相对滑移时的计算结果差值比最大是2.91%, 而当k=5×1012kN/m 2时, 跟不考虑相对滑移时的计算结果已经无限接近。综上分析本文结果适用于剪力钉刚度k≥5×1011kN/m 2。
7 结论
在基本假设前提下, 通过伽辽金法推导出形常数与载常数的计算公式, 进而用渐近法计算结合梁考虑相对滑移时的内力, 最后计算分析并比较连续结合梁的内力, 结果表明:本文计算简单精度较高。
摘要：钢-混凝土结合梁在荷载作用下, 混凝土板和钢梁之间将产生相对滑移, 导致结构内力的重分配, 需考虑相对滑移的影响。采用伽辽金法计算结合梁考虑相对滑移的静力响应, 采用正交函数作为位移函数, 通过推导出形常数与载常数的计算公式, 最后用渐近法计算分析并比较连续结合梁的内力。结果表明:计算简单精度较高。
关键词：钢-混凝土结合梁,滑移,伽辽金法,渐近法,内力
参考文献
[1] (英) 劳埃扬.钢—混凝土结合结构设计.陈德坤, 译.上海:同济大学出版社, 1991
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[3]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理.北京:中国建筑工业出版社, 1989
[4]程海根, 强士中.钢混凝土组合箱梁考虑滑移时剪力滞效应分析.中国铁道科学, 2003;24 (6) :49—52
[5]程海根, 强士中.钢-混凝土组合箱梁剪力滞效应级数解.土木工程学报, 2004;37 (9) :37—40
[6]项海帆.高等桥梁结构理论.北京:人民交通出版社, 2002
钢结合梁 篇4
粘钢加固是用粘结剂 (建筑结构胶) 将钢板粘贴到构件需要加固的部位上, 以提高构件承载力的一种加固方法。国家现行标准《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013建议粘结钢板厚度以2~6mm为宜, 加固用钢板以3号钢或16锰钢为宜[1、2、3]。它对结构构件基本没有损伤, 可充分发挥原构件的作用。但实际应用中经常出现需要加固量较大的情况, 在这种情况下, 往往在梁底满贴薄钢板仍然不能满足要求。因此, 在实际工程中, 多层粘贴薄钢板、外贴厚钢板、高强钢板加固等多种技术应运而生[4、5]。根据以往研究结果, 粘钢加固混凝土结构抗弯性能主要取决于钢板与混凝土构件的粘结性能, 如何保证二者协同工作是提高混凝土梁抗弯加固效果的主要因素。针对这种情况, 本文针对大加固量加固的钢筋混凝土梁, 进行了9根粘钢加固混凝土梁抗弯性能的试验研究。对采用厚钢板和高强钢板粘钢加固钢筋混凝土梁, 以及不同加固方式下加固梁的受力性能及刚度、抗裂性能等进行了对比分析。
1 试验内容
试验采用尺寸相同的9根混凝土梁, 试验梁截面尺寸为b×h=200mm×300mm, 长度为3200mm。采用C25混凝土, 取芯实测其抗压强度为26.2MPa。试件模型见图1, 试件加固形式见图2, 试件参数见表1。
测点布置见图2, 在试验过程中使用读数显微镜观察裂缝宽度并记录裂缝开展情况。
试验加载装置见图3, 试验采用反力架倒挂千斤顶, 以分配梁实现两点加载。各应变测点统一编号接到静态应变仪上, 经预调平衡箱处理后将数据存入计算机。加载采用连续慢速加荷的形式。
1.反力架;2.液压千斤顶;3.压力传感器;4.分配梁;5.测支座沉降的位移计;6.混凝土梁侧面的应变片;7.测跨中挠度的位移计;8.预埋在混凝土中钢筋上的应变片;9.梁底粘贴钢板上的应变片;10.支座;11.静力应变采集仪、预调平衡箱;12.计算机;13.梁试件
2 试验结果和分析
2.1 试验结果
试验的主要结果列于表2, 由表可见, 就加固效果而言, L-05、06、09最好, Fut/Fuc>1;L-02、08次之, 0.9<Fut/Fuc<1;L-03、04、07最差, 0.8<Fut/Fuc<0.9。从试验结果可以直观看出, 通过采用附加锚固可以保证钢板和梁的协同性能, 而厚钢板与Q345钢板进行粘贴也能达到同样的加固效果, 比较而言, 厚钢板加固梁延性较好。不采取锚固的措施, 这两类钢板更易产生剥离导致脆性破坏, 其加固效果反而不如薄钢板。
2.2 粘钢加固混凝土梁抗裂性分析
表3列出各加固梁试件在各级荷载下的最大裂缝宽度。由于裂缝宽度是人为读数的, 所以存在一定误差, 且当裂缝宽度越小, 误差越大。图4所示为典型裂缝开展图。由图可见, L-02发生粘结破坏, 裂缝开展较少, 基本上集中在跨中纯弯段。L-06裂缝充分开展, 存在较多弯剪裂缝, 裂缝分布较均匀, 但基本集中在加载点附近, 裂缝开展较高, 但箍板范围内无裂缝。L-09由于高强钢板屈服应变较大, 所以L-09沿梁长裂缝开展较多, 平均间距较小。裂缝多而细, 沿梁分布均匀, 由于高强钢板产生较大的粘结剪应力, 在箍板范围内也出现了裂缝。
注:表中“-”表示未发现可见裂缝或未读取该荷载级别下最大裂缝宽度。
2.3 粘钢加固混凝土梁刚度分析
由虚功原理可知, 忽略剪力与轴力的影响, 可以推导出四点弯曲加载梁跨中挠度δ的计算公式:
式中, P为两加载点总荷载;E为混凝土弹性模量;I为截面惯性矩;L为梁跨度;a为加载点距支座的距离。
通过式1可以推导出构件的平均有效割线刚度Bs:
根据式1、2及各加固梁荷载-挠度关系曲线, 得到荷载-刚度关系曲线见图5。
由图5可见, 加固梁的刚度, 在屈服以前刚度基本呈下凸曲线规律单调递减变化;但L-04、05的荷载-刚度关系曲线出现反常现象, 这主要是与加载条件有关, 由于试验时加载速度过快, 造成刚度明显偏低, 从而影响了对其刚度的评估。L-02、06、08、09在开裂荷载附近曲线出现拐点, 此前刚度基本保持不变;L-03、07曲线对应开裂荷载的拐点不明显, 且在加载初期刚度下载较快, 说明L-03、07在加载初期即较早进入了微裂缝开展阶段。说明在改善梁初始刚度、尤其是延缓加载初期微裂缝开展方面, 与梁底粘贴钢板宽度和加固量有明显关系。梁底粘贴钢板越宽、粘结面积越大、加固量越大, 改善效果越明显。
图5 (a) 为无锚固加固梁荷载-刚度关系曲线对比图。由图可见, 在提高梁刚度效果方面, 由高到低依次为:L-02>L-03>L-07。总体看来, 在加固量相同的条件下, 加固梁的刚度提高与梁底粘结面积有关。粘结面积越大, 加固梁刚度越高。L-07是按等强原则采用Q345钢板进行加固的, 加固量要比其余三根加固梁小, 所以其刚度低于L-03。L-04由于加载条件不同, 所以刚度明显偏低, 但由图5 (b) L-06和L-09对比来看, 由于加固量相对较大, 在等强原则下, 粘贴Q235厚钢板加固梁的刚度必然要高于粘贴Q345钢板加固梁。
图5 (b) 为端部附加锚固加固梁荷载-刚度关系曲线对比图。由图可见, 采取了附加锚固措施后, 加固梁荷载-刚度关系曲线明显不同于无锚固梁 (见图5 (a) ) 。无锚固梁发生脆性破坏而致使梁刚度突然下降, 无法承载。锚固梁进入屈服阶段后, 荷载-刚度关系曲线出现水平段, 刚度逐渐减小。L-08、09由于发生锚固破坏的脆性破坏, 水平段很短, 破坏后刚度急剧下降。
由图5 (c) 可见, 在相同加固量条件下, 端部附加锚固措施可以提高加固梁的整体性, 从而提高梁刚度。由图5 (d) 可见, L-02与L-09粘结面积分别为150mm和128mm, 加固量分别为750mm2和768mm2, 二者荷载-刚度关系曲线非常接近, 基本重合。在粘结面积接近的情况下, 加固梁的刚度与加固量有关, 而与钢板强度无关。
3 结论
(1) 在保证良好协同工作性前提下, 采用普通厚钢板、Q345钢板或普通薄钢板进行加固并无本质区别。厚钢板及高强钢板粘钢加固梁的受力性能与普通钢筋混凝土梁类似, 钢板承受截面拉应力, 作用与钢筋相同。普通钢筋混凝土理论与分析方法完全适用于厚钢板及高强钢板粘钢加固梁, 理论分析结果与试验结果吻合。
(2) 粘结剪应力及正应力随截面粘贴钢板总厚度的增加而增大。采用厚钢板加固时, 要特别注意避免发生剥离脆性破坏。试验表明, 在钢板端部采用箍板进行附加锚固可以极大地约束箍板范围内钢板的应变, 并承担部分粘结剪应力, 从而大幅降低钢板端部剥离应力, 有效防止端部剥离破坏。
参考文献
[1]刘晓静.复合预应力粘钢加固混凝土梁抗弯性能试验研究[D].东南大学, 2010.
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钢结合梁 篇5
陇海路快速通道常庄干渠段桥梁分三幅布置,分别为南北侧辅道桥和主线高架桥。主线高架范围全长940m,共分为两联,跨径布置为(9×50m)+(9×50m+40 m),占线路总长的45%。上部结构采用波形钢腹板混凝土箱梁结构,两幅之间设20 mm分隔缝。单幅断面采用单箱单室斜腹板截面,顶板宽度为10.75 m,底板宽度为4.0 m,腹板倾斜角度为75°。截面顶缘采用双向2.0%横坡,梁底水平布置,箱室中心线处梁高度为3.5 m,箱梁顶板悬臂长度为3.2 m,内室宽度为4.35 m,顶板悬臂端部厚度为0.2m,根部厚度为0.55m;顶板一般厚度均为0.3 m,底板一般厚度为0.25 m,支点横梁处加厚至0.55 m。
该桥是国内第一座采用顶推法施工的波形钢腹板PC组合箱梁,波形腹板左右幅断面对称布置。波形钢腹板采用BCSW1600型,与混凝土顶板采用Twin-PBL方式连接,与混凝土底板采用S-PBL+栓钉连接,主梁永久预应力采用体内、体外预应力混合配置方式。其中,YU01联长450 m,共分为9个节段;YU02联长490m,共分10个节段。桥梁上部结构跨径及分段布置图如图1所示。
2 顶推施工概述
该桥梁上部结构采用顶推施工,两联相向分别从两端向YP10号墩方向顶推;梁体预制台座和临时墩设在联端两跨内;梁体分导梁段、顶推段和现浇段3种类型,其中导梁段位于梁体前段第一跨内,长度为35 m;顶推时利用该段波形钢腹板作为导梁主体结构,以节约导梁用料;顶推段含一段27.5 m节段和若干50 m节段,每联后方若干区域处于曲线段上,为降低曲线顶推施工难度和充分利用预制台座支架,曲线段梁体采用支架现浇施工。
本桥顶推方案要求采用多点自动连续顶推方案。根据施工总体进度计划及现场实际情况,YU01联顶推预制平台拟布置在YP2-YP4墩处,即顶推节段6个(不含导梁段),长度为312.5 m;曲线段现浇段长度为137.5m;YU02联顶推预制平台拟布置在YP16-YP18墩处,即顶推节段6个(不含导梁段),长度为312.5 m;曲线段支架现浇段长度为177.5 m。
3 导梁设计
为节约工程成本,本桥导梁利用波形钢腹板作为主体结构,技术难度较大。顶推用的钢导梁导梁段位于梁体前段第一跨内,顶推时利用该段波形钢腹板作为导梁的主体结构,以节约导梁用料。导梁悬臂总长35 m,为临时墩最大跨径的0.7倍。导梁总长38.8 m,分3个节段。其中第一节段长12.98 m,由腹板节段1、腹板节段2及上下平联、横联组成;第二节段长10.4 m,由腹板节段3、上下平联、横联组成;.第三节段长14.2 m,由腹板节段4、导梁箱梁结合部及上下平联、横联组成。导梁结构如图2所示。
导梁段波形钢腹板采用BCSW1600型,钢板厚度t=20mm。波形板水平幅宽度为430 mm、斜幅水平方向长度为370 mm、波高度为220 mm。钢腹板顶部翼缘钢板厚度为20mm,翼缘宽度采用450mm;开孔钢板厚度为16 mm,开Φ60 mm+Φ30 mm孔,顺桥向孔间距为150 mm,高度为200 mm。底部翼缘呈“工”字形,上部钢板厚度为16 mm,宽度均为400mm;下部钢板厚度为30 mm,翼缘宽度为700～1 200mm;开孔钢板厚度为20 mm,开Φ60 mm孔,孔间距为150 mm,高度为572 mm;加劲板厚度为12mm,布置间距为400 mm。
导梁连接系包括上、下平联及横联,由槽钢、钢板组焊件、节点板等组成,其中横联每隔1.6 m布置一道。除导梁前端9 m范围内上平联仅设槽钢连接系外,其余上平联均为钢板组焊件,并满布10 mm厚钢板;下平联均为槽钢连接系。
导梁段为便于顶推到位后调整线形和割除临时构件,波形钢腹板节段间施工期间采用高强度螺栓连接,顶推到位后拆开波形钢腹板,对钢腹板进行线形调整和整修,合格后再重新吊装就位安装,使用贴角焊搭接连接。
施工期间,导梁段的上下翼缘须在施工期间保持连续,以满足受力要求,因此该段节段间上下翼缘板在先期采用熔透焊接并加补强板,后期切开焊缝,同一般节段一致,设20 mm断缝。
导梁末端预先与相邻箱梁现浇段浇筑成整体,并加设临时体外束,顶推到位后拆除并转化永久体外束。
4 导梁计算
因导梁顶推受力复杂,为准确分析导梁顶推过程中的受力情况,故对导梁顶推做如下5个方面计算分析。
(1)采用midas程序建立梁单元受力模型(主梁及导梁均采用梁单元建模),顶推采用施工步骤进行模拟,每顶推1～2 m作为一个施工步骤,荷载考虑结构自重及雪荷载,以此分析导梁受力最不利工况,并对导梁顶推各工况进行分析。导梁上墩时梁单元分析模型图如图3所示。
(2)采用midas程序建立板梁单元受力模型(主梁采用梁单元受力模型,导梁大部分杆件采用板单元,局部杆件采用梁单元建模),顶推采用施工步骤进行模拟,每顶推1～2 m作为一个施工步骤,荷载考虑结构自重及雪荷载,以此分析导梁受力最不利工况,并对导梁顶推各工况进行分析。同时与计算模型1进行对比分析。导梁上墩时板梁单元分析模型图如图4所示。
根据计算模型1、2中计算结构进行对比可知:建立梁单元受力模型(主梁及导梁均采用梁单元建模)及板梁单元受力模型(主梁采用梁单元受力模型,导梁部分杆件采用梁单元,部分杆件采用板单元建模)对其计算结果进行对比分析后可知,板梁单元因其支撑处对导梁产生局部弯曲应力,因此计算结果较梁单元大,但仍满足规范要求。钢导梁与主梁连接部位负弯矩最大时(顶推至导梁即将上墩时),考虑钢导梁扭转作用,钢导梁Q345钢最大应力为147.5 MPa,钢导梁Q235钢最大应力为64.7 MPa,均小于其容许值,钢导梁满足顶推要求。
(3)根据上述顶推各施工步骤计算结果,选取4种顶推工况采用midas程序建立板梁单元受力模型(主梁采用梁单元受力模型,导梁部分杆件采用梁单元,部分杆件采用板单元建模),荷载考虑顶推结构自重、雪荷载、风荷载、基础不均匀高差等,对导梁进行扭转受力分析。
根据施工阶段模拟,共选取4个施工阶段进行导梁扭转分析,分别如下:
施工阶段Ⅰ:钢导梁刚上墩时。
施工阶段Ⅱ:钢导梁与主梁连接部位正弯矩最大时(顶推至导梁悬臂22 m左右时)。
施工阶段Ⅲ:钢导梁支撑处反力最大时(顶推至主梁接头即将上墩时)。
施工阶段Ⅳ:钢导梁与主梁连接部位负弯矩最大时(顶推至导梁即将上墩时)。
经计算施工阶段Ⅱ时(顶推至导梁悬臂22 m左右时),考虑钢导梁扭转作用,钢导梁受力最大,其中钢导梁Q345钢最大应力为201.3 MPa,钢导梁Q235钢最大应力为80.0 MPa,均小于其容许值,钢导梁满足顶推要求。
(4)根据前述计算结果,得出导梁最大支反力,利用有限元计算模型建立部分导梁板单元计算模型,对导梁进行局部承压分析。导梁局部稳定分析模型采用有限元程序剪力部分节段导梁模型,经前述计算得知:主导梁接头即将上墩时,支反力最大,滑道长度按1.5 m计,建立此处计算模型如图5所示。
(5)根据前述计算结果,对导梁接头部分进行受力分析。
由前述计算结果可知:①导梁顶推至悬臂22 m左右时,钢导梁与主梁连接部位正弯矩最大为3 254 t·m,此时主梁及导梁底部产生1 11 0 t左右拉力,远小于12束YM15-12导梁链接施工临时预应力钢束预拉力,可知此时主导梁接头满足顶推要求。②顶推至主梁接头即将上墩时,此时主导梁接头处剪力最大,最大剪力约400 t。主梁与导梁此处波形钢腹板为焊接结构,此处剪力假设由整个截面承担,剪应力约50 MPa,满足规范要求。③导梁顶推至顶推至主梁接头过墩后,钢导梁与主梁连接部位负弯矩最大约2 344 t.m,主梁及导梁顶部产生800 t左右拉力,因此处导梁顶板与原主梁焊接,导梁顶部最大应力为83.7 MPa,小于其容许值。
由上述计算可知:顶推过程中,主导梁连接满足规范要求。
5 结论
陇海路高架桥采用的顶推法施工,成功拿下了国内的三项创新:一是波形钢腹板顶推梁在国内是首创,二是顶推梁单双幅长度均为中国长度之最,三是采用斜腹板设计,腹板倾斜角度为75°,同时使用波形钢腹板做导梁,也是国内首例。
因导梁顶推过程受力较为复杂,所以本导梁在施工设计中,以严谨求实的精神,根据工程的结构特点和水文地质情况,研究新设备,创造新工艺、新工法,对桥梁施工方案进行了大量的科学研究与技术攻关,在充分考虑结构安全的基础上,确保大桥建设的顺利推进,并且在施工设计及施工过程中加强了公司返还料利用设计,同时进行了一系列标准化及临时结构多功能设计,为项目节省了大量资金,创造了可观的价值,同时也可为类似工程提供借鉴。
摘要：陇海路快速通道常庄干渠段桥梁是国内第一座采用项推法施工的波形钢腹板PC组合箱梁,本桥顶推方案要求采用多点自动连续顶推方案。本桥导梁利用波形钢腹板作为主体结构,技术难度较大,导梁设计时采用不同的计算方法对桥梁顶推过程进行模拟,保证了桥梁顶推安全。本桥顶推设计相对传统技术有较大的提升和创新,也可为类似工程提供参考。
关键词：波形钢腹板,顶推,导梁设计
参考文献
[1]张晓东.桥梁顶推施工技术[J].公路,2003(9).
[2]李广慧,张建勋.波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥顶推施工技术[J].施工技术,2010(7).
钢-砼叠合梁的施工技术之我见 篇6
该阶段施工的难点主要是保证钢结构梁的加工精度、安装的准确度;经过各种监测、控制、调整的技术手段使成桥线型与设计保持高度的一致, 达到桥梁的使用功能。
2 施工对策
2.1 钢梁加工
2.1.1 按“技术要求”的制作标准, 选择加工能力强, 有相同桥梁加工资历、质量标准高的通过质量认定的厂家
2.1.2 被选定的厂家要编写各种梁、锚箱、锚梁等钢结构制造工艺。其内容包括胎架结构, 装配方法, 焊接顺序, 检查方法运载方法等, 并征得监理同意, 签批后方能进行加工合同的签订
2.1.3 合同生效后, 制造厂要首先按设计图纸完成制造工艺设计, 制造工艺设计内容包括编制工艺流程图;编制实施性制造规则及细则文件;质量保证及管理文件;验收程序文件等
2.1.4 加工过程, 制造厂检查人员和监理人员应查明加工所用钢板。并检查其在加工过程中可能出现的问题。
应检查焊接设备是否符合要求;各种焊工是否具有资质;并观察焊接的工作质量是否达到规范要求, 是否按工艺技术条件进行操作。应切实查明焊缝尺寸, 位置是否符合“技术规定”“规范和要求”。应借助各种手段对焊接质量进行检查, 包括无损探伤检查, 确保达到规范要求。
2.1.5 加工厂要在产品出厂前在厂内试拼装最少五个节段, 并按桥梁线型空间座标进行。拼接过程所拼构件应无互相抵触情况, 无影响安装的螺柱头、焊缝等, 按试拼过程编写拼装工艺和技术要求, 在产品交接时一并交接, 制造厂家为施工单位培训安装人员。
2.1.6 合格出厂的加工构件由厂方负责包装装车运输, 构件要标编号, 分类, 以便工地有序存放。每批构件要有发运明细表, 以防遗漏, 便于交接。工地存放要按工程进度分类有序存放。防水、防晒、防腐、防火, 确保构件安全。安装前要进行复验安装梁板抗滑移系数, 以核对加工厂的试验结果, 是否符合“技术要求”。
2.2 叠合梁的拼装
2.2.1 制做钢梁拼接胎座:由于拼制构件较多, 型号各异, 要用不同形式胎座拼制成钢结构梁段。要制做几何位置精准、平面高程符合设计的按节段成型可调整的胎座, 以确保拼制质量和拼制速度。
2.2.2 0#段在承台支架上拼接施工。因为一般叠合梁采用桥面吊机施工, 所以其长度按设计应能满足桥上两台主吊机作业为原则。承台支架可由杆件或钢管组拼而成, 本桥可采用钻孔桩施工后剩余护筒拼焊联结而成。为保证稳定, 筒内可填一定量砂石。顶面可焊铺钢板, 上铺纵、横钢梁。并由承台施工中预埋的预应力束, 在两侧荷载重心横梁上施拉0#结构重量的力, 以预压支架, 消除非弹性变型后先安横向限位支座和纵向约束支座, 设梁塔临时固结再安装桥面主吊机和塔式吊机的吊装能力, 拼制0#段叠合梁, 待湿接缝砼达到14天的强度、并监测后进行后续节段叠合梁的拼装。
2.2.3 桥上吊机的轨道 (压重点) 放在小纵梁上, 吊梁负重位置要在小纵梁横隔板的交点处, 并由枕木支撑, 垫起吊机底座。吊机及施工机具的总荷载必须获得设计单位的许可, 施工中应注意平衡推进。
2.2.4 中跨及边跨合拢要按监测控制调整后的数据, 这段施工非常关键, 既要加强监测, 又要及时控制, 以保证线型和梁塔处辅墩顶段及塔墩处各节点的应力控制在设计要求范围内。此阶段要加密监控控制点。
2.2.5 若叠合梁段位于竖曲线的弧线上。叠合梁段悬臂安装时的标高控制非常重要, 要分别考虑:
a.相邻的下一节待安装梁段的影响;b.本梁段拉索二次张拉的影响;c.施工机具人群等荷载及自身结构弹性变形的影响;d.环境温度的变化使得拉索长度, 已架梁段标高变化造成的影响;e.塔柱在索力作用下造成的弹性变形的影响。
2.2.6 一般悬拼联接主要方式是高强螺栓, 因此, 对联接施工要给予充份重视:
a高强螺栓副 (包括高强螺栓、螺母和垫圈) 在使用前要进行清点, 分类造册, 外观检查和探伤检查。螺纹不得碰伤。探伤有缺陷的, 不能使用;b螺栓头上要注明长度, 螺栓、螺母、垫圈要同批成副, 分类装箱保管;c构件在运输、吊装、拼装过程中, 不得碰伤螺栓连接外表面的防锈层。如有碰伤则不能使用;严防防锈层上沾有油污, 不慎沾上应者以汽油清洗;钢梁拼装前, 应清除栓孔内和接头钢板表面的污物;监理要巡视检查;d安装时, 为保证几何尺寸的精度, 应先用冲钉, 固定板束位置, 其余孔眼安上高强螺栓。冲钉由高强螺栓替换, 应逐个进行;同时要保证摩擦面的干燥、清洁, 不得在雨中作业, 遇雨的, 雨后要擦干摩擦面在施拧;监理要巡检;e高强螺栓在施拧前要进行下列试验:本指用扭矩法施工, 应根据选用的施拧工具进行扭矩系数试验, 求出数理统计值, 作为施拧依据, 如果试验的结果离散性过大, 要认真研究, 采取措施;施拧高强螺栓的扳手应使用带扭矩计的电动或手工扳手, 且应于每班工作开始前予以校正, 并做好温度与线路长度记录, 监理要巡视。f.施拧螺栓次序应从板束刚度大, 间隙大的地方开始, 由中央以辐射形式向四周边参差的进行, 最后拧紧四周端部螺栓, 施拧时不得采用冲击拧紧、间断拧紧;且施拧时必须分两次 (即初拧和终拧) 拧紧。一般初拧扭矩为终拧扭矩的60%~70%, 终拧扭矩值由计算确定。
初拧和终拧的螺栓施拧后要分别点涂不同颜色标记以防混淆和漏拧。施拧完毕, 应设专人检查, 当天拧好的螺栓当天检查完, 抽检的数量不得少于5%也不少于5个。若未按工艺要求施工, 应返工重拧后再检查, 复拧的螺栓要再次点涂另种颜色的标记, 以便于检查, 检查时欠拧的补拧, 超拧的更换, 检查结果要做好记录, 监理要抽查的巡检, 终拧后的高强螺栓, 换下后不允许第二次使用。
2.2.7 现场安装单位, 有施焊作业的, 不得随意在钢梁构件上引弧;不得任意在钢梁上焊接施工用临时附件;不得随意将钢梁作为工地一般电焊的接地使用, 不得随意在钢梁构件各部位上进行敲打;以上应做为一项操作纪律, 挂牌警示, 严格执行。
2.3 斜拉索施工
2.3.1 拉索按“技术要求”工厂加工制造成盘后运至工地, 要严格交验;并要同时检查产品质量保证书、产品批号、设计索号及型号、生产日期、数量、长度、重量、产品出厂检验报告及相关资料的完整性。
2.3.2 散盘挂索。当斜拉索运至桥下时, 由桥面吊机吊上桥后, 在桥面散盘, 由墩上塔吊提升上端索头至塔锚管口。由锚梁锚管口内伸出的手动葫芦拉链, 将其穿入锚梁锚管内;斜拉索的另一端 (桥梁端) 用桥面卷扬机牵引进入安装的钢箱梁锚箱内, 挂索除注意安全外保护好拉索不受损伤也至关重要。拉索挂索时不仅在吊点处设夹具, 而且在滚筒上也要包橡胶。避免拉索拉触带棱角的硬物, 防止刮伤护套。
2.3.3 斜拉索的张拉在塔内进行, 两对索同时张拉, 以保证塔柱均衡受力。张拉前, 张拉设备必须进行标定, 要出张拉力与液压表读数的关系曲线。在悬臂拼装本节钢梁时, 第一次张拉本节段的斜拉索;在安装好下一节段后, 第二次张拉本节的斜拉索, 根据施工监测的结果, 有针对性地对相应的斜拉索进行控制张拉。钢梁合拢后, 为保证成桥线型及塔、梁应力均满足设计要求, 需对部分拉索进行索力调整。也就是每根索在施工中最少张拉两次, 最多达四、五次之多, 监理都要旁站。
2.3.4 索力转换。为满足施工监控的需要, 在拉索锚下安装了压力传感器。当索终张拉结束后, 要对索力进行转换 (即取下传感器) , 使索力直接传递到桥塔的锚梁和锚梁牛腿上及锚管座上将拉索转换成承久受力状态。
2.3.5 减震器安装。这是一种消减拉索因风载涡流而产生的振动。以延长拉索的使用寿命的设施。一般是通过安装在索导管内的高阻尼及合成橡胶和在索梁连接处安装夹具减震器来实施的。
2.4 其他注意事项
悬拼叠合梁期间, 严格控制桥面的施工荷载, 最大限度降低横梁向上的挡风面积 (尤其春、秋季节) 以减小风载影响。
叠合梁合拢后, 根据施工监测结果, 对全部或部分斜拉索进行索力微调, 使成桥状态的线型, 桥面标高, 永久性索力, 最大程度地满足设计要求。
摘要：钢-砼叠合梁是联接主墩、边墩形成桥渡功能的主要跨越结构, 桥跨形成的过程既是叠合梁的施工过程。通过构架拼装成单元段, 通过单元段悬拼成整体梁。既有悬臂过程, 又有连续梁状态, 既有各种梁片工厂加工过程, 又有各种天气状况下的工地高空作业状态, 最后经过合拢和体系转换成桥。
关键词：钢-砼叠合梁,施工
参考文献
混凝土梁粘钢加固施工技术研究 篇7
某工程为1栋办公楼, 地下1层, 建筑面积为3473m2;地上5层, 建筑面积为15090m2;建筑总面积约18000m2;场地由西南往东北面逐渐升高, 建筑物依据山势而建, 建筑形状为半围蔽形式, 中部为庭院。建筑西南部有L型地下室, 上部楼高4层;东北部无地下室, 楼高至4层;屋面均为坡屋面。建筑首层层高为5.0m, 2层～5层, 层高均为4.2m, 建筑物总高为44.8m。
本工程采用钢筋混凝土框架结构及框架-剪力墙结构;抗震设防烈度为7度;耐火等级为地下建筑物一级, 地上建筑物二级。建筑物按结构图分为A、B两区, A区含地下室, 楼高4层;B区不含地下室, 楼高5层。地下室底板厚400mm, 侧墙厚40mm。
由于使用功能改变, 建筑物部分室内间隔调整, 需对部分已施工楼层混凝土梁须进行加固, 混凝土梁采用粘钢技术进行加固来达到使用功能要求。
2 材料选择及标准
⑴钢板采用Q345B、4mm厚。
⑵粘贴材料采用大连JGN-1型建筑结构胶。
⑶施工执行标准CECS25:90《混凝土结构加固技术规范》。
⑷JGN建筑结构胶性能:JGN建筑结构胶是一种以高分子物为主体触度性双组份料。甲方分为膏状物, 乙方份为固化剂, 将甲、乙组份按一定比例混合均匀后, 在高温下固化成膜, 对金属、混凝土等各种硬质材料均有良好的粘结强度。广泛应用于建筑结构件的粘结加固、填缝及各种修补工程中, 可使原构件达到或看好过原来设计的负载能力。
固化情况:25℃, 初固24小时, 完全固化:72小时。
环境与被粘物表面温度:5℃以上。
钢与钢粘结:剪切强度>180Kg/cm2, 抗拉强度300Kg/cm2。
钢与混凝土粘结:不论剪切、抗拉均使混凝土破坏。
各项强度指标:均满足《混凝土结构加固技术规范》CECS25:90的有关要求, 各项物理性能指标见表1。
3 工艺流程
卸荷→被粘度混凝土和钢板表面处理→裁料、放样、焊接→放样→钻孔→粘结剂配制→涂敷胶→粘贴钢板→固定加压→固化检验→防腐处理。
4 主要施工方法
⑴表面处理:凿去梁底的砂浆保护层, 再用磨光机装金刚石磨片去2～3mm厚表层, 直至完全露出新面, 梁体不直或不平, 要进行打凿或找平, 并用无油压缩空气吹除粉尘或清水冲洗干净之后, 再用脱脂棉沾丙酮擦试干净。
⑵对预贴钢板表面处理:钢板粘接面, 须进行除锈和粗糙处理, 采用砂轮机打磨, 直到出现金属光泽, 打磨粗糙度越大越好, 其后用脱脂棉沾丙酮擦拭干净。
⑶裁料、放样及焊接, 按图纸设要求一次性进行裁剪。由于现场梁体部分不平直, 采用放样进行裁剪, 根据结构胶的特性及设计要求, 在粘贴前应进行焊接完成, 且做满焊 (所有钢板采用Q345B型:焊条采用E43*HF=6mm。所有焊处用砂轮机磨平且用丙酮清洗干净。
⑷放样钻孔:上述工作完成之后, 再把预贴钢板放样, 保证达到要求时进行钢板钻孔, 混凝土梁体钻孔, 钻孔时采用无损冲击电钻钻孔, 钻孔深度及钻孔规格按有关设计要求。待钻孔完成后再次放样预贴, 植入螺栓。
⑸粘结剂配制:本工程采用JGN建筑结构胶II型, 使用前进行现场质量检验, 合格后方能使用, 使用时在现场临时配制, 容器内不得有油污, 按甲、乙重量比配制好后, 用搅拌器搅拌, 待无单组分条块, 色泽均匀时即可使用。
⑹涂胶:将调配好的胶用抹刀或腻刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板上, 厚度1～3mm, 为使胶能充分浸润、渗透、扩散、粘附于结合面, 先用少量胶在结合面来回刮抹数遍, 再添抹至所需厚度, 中间厚边缘薄, 然后将钢板贴于预定位置.若是立面粘贴, 为防止流淌, 加一层脱蜡玻璃丝布。
⑺固定加压:钢板贴于梁面上时。及时拧紧螺栓, 且梁底用支撑顶好, 适当加压, 以使胶液刚刚从钢板边挤出为度。膨胀螺栓兼作钢板的永久附加锚固措施, 其埋设孔洞与钢板一道于涂胶前配钻。
⑻固化:JGN-II结构胶在现时温度下4分钟初凝, 24小时即可拆除支撑, 3天后可受力使用。固化期中不得对钢板有任何扰动。
⑼检验:粘贴钢板后, 用小锤轻敲钢板, 如无空洞声, 表示已贴密实, 钢板与混凝土贴合面应达90%以上。
⑽防腐处理:加固后, 钢板表面涂一层改性环氧液再喷砂, 以隔离度止钢件腐蚀生锈, 再粉刷一层水泥沙浆保护。
5 施工注意事项
⑴确保作业安全:此施工人业为高空作业, 离地面较高, 施工时用门式钢架搭设稳固的脚手架和脚踏模板, 操作施工人员佩安全带、安全帽, 涂胶时带上防护手套及防护眼镜。
⑵注意防火:施工中使用的工业丙酮及改性环氧为易燃化学物, 因此应严禁抽烟, 远离火源。
⑶为减轻和消除后粘钢板的应力, 应变滞后现象, 消除两种材料的应变不同步, 对加固区域楼面的地面装修面层暂不施工。楼面上堆放的各种周转料、原材料、杂物等清除干净, 以达到卸静荷的目的。
6 结语
本工程砼梁加固采用粘钢工艺, 具有施工速度快施工简便、快捷、不增加被加固混凝土梁断面尺寸和重量;不改变构件外形和建筑物使用空间, 而达到满足使用功能的目的, 具有较大推广价值。
摘要：某新建工程由于使用功能的改变, 需要对已施工楼层的混凝土梁进行粘钢加固以满足设计要求, 本文根据施工实际情况, 提出具体的施工处理措施, 期望对类似工程施工提供参考。
关键词：混凝土梁,粘钢加固,施工技术
参考文献
[1]关柯, 刘长滨等.《建筑施工手册》 (第四版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 1997
[2]GB50204-2002, 混凝土结构工程施工质量验收规范[S]
钢结合梁 篇8
延性耗能节点主要分为削弱型节点和加强型节点,部分加强型节点和削弱型节点分别见图1和图2,这两类节点设计的根本宗旨都使塑性铰远离梁柱连接区域,实现塑性铰外移,有助于实现“强柱弱梁”.
图1所示加强型节点是通过加强梁端翼缘,使节点发生破坏时塑性铰在远离梁柱节点的梁上形成,避免梁柱连接焊缝产生应力集中现象而过早发生脆性破坏[4].加强型节点由于梁端加强,梁刚度提高,相应极限载荷提高,可以直接采用普通梁的极限载荷进行保守塑性设计.
图2所示削弱型节点是通过对距离柱翼缘表面一定距离处的腹板或翼缘进行不同程度的削弱,使塑性铰出现在削弱处,避免节点处焊缝或梁、柱端发生脆性破坏,以达到抗震设计的目的,图2(a)所示翼缘圆弧式削弱型(reduced beam section,RBS)节点是主要针对H型截面梁和H型截面柱设计的节点,RBS节点是削弱型节点的典型代表,可以有效避免应力集中[5].
目前针对RBS节点的抗震性能研究较多,对RBS节点梁承载力研究比较少,梁端部翼缘局部削弱会降低梁的刚度,极限载荷可能相应下降,不能简单利用普通梁的极限载荷进行设计,因此有必要对削弱梁的极限载荷进行详细分析,以下将RBS节点钢框架中的梁简称为RBS梁.
本文在两端固结普通梁极限载荷计算基础上,针对RBS梁分别对跨中集中力和均布载荷两种工况进行分析,分析塑性铰生成位置及条件,并计算极限承载力,将计算结果和普通梁的计算结果进行对比,分析梁端削弱对极限承载力的影响,为RBS梁塑性设计提供理论依据,并为削弱参数选取提供参考,同时和现代钢结构发展相结合,扩展结构力学极限载荷的学习内容.
1 截面极限弯矩
比例载荷作用在结构上时,也就是假定所有载荷变化时都彼此保持固定的比例,且载荷单调增加,不出现卸载的情况[6].随着载荷的增加,静定结构出现一个塑性铰即成为机构,结构破坏;一个n次超静定结构,出现n+1个塑性铰时结构变机构破坏掉,本着这个原则可以采用静力法或机动法对RBS梁进行分析,计算极限载荷,并和普通节点梁极限载荷进行对比,分析极限载荷下降程度以及塑性铰形成位置.
普通焊接H型钢截面对称,塑性流动阶段截面法向力之和为零,受拉区和受压区应力相等,中性轴平分截面,设截面下侧受拉,塑性流动阶段H型钢梁截面应力分布见图3.由截面应力分布可以得到截面的极限弯矩Mu为[6]
其中,bf为截面宽度,hb为截面高度,tf为翼缘厚度,tw为腹板厚度,σs为材料屈服强度.
图4所示RBS节点削弱参数及削弱截面(阴影部分),RBS节点通过控制削弱起始位置a,削弱深度c和削弱长度b等削弱参数来确定削弱尺寸,R为削弱圆弧半径,削弱参数取值与截面尺寸相关,与梁长度无关,文献[7]中关于削弱参数的取值范围规定
bx为截面削弱深度,随截面位置而发生变化,削弱中心处最大,bx的计算公式为[8]
其中,变量x为削弱处截面到梁端的距离,e为削弱起始点至削弱中心处的距离,e=a+b/2.
同样依据塑性流动阶段塑性轴平分截面的特点,得到削弱截面处的极限弯矩Mux为[6]
当bx=c时对应削弱中心处截面,该处截面极限弯矩MuR为
两端固结RBS梁在跨中集中载荷或均布载荷作用下,梁两端弯矩最大,但由于靠近梁端的翼缘局部削弱,削弱处截面抗弯刚度降低,截面极限弯矩降低,削弱中心处截面的极限弯矩最小,在载荷的作用下,梁端和削弱区域都有可能首先出现塑性铰,随着载荷的继续增加,跨中位置出现塑性铰,结构破坏.为强调RBS节点的设计意义,本文旨在如何选择合理的削弱参数,保证塑性铰在远离梁柱连接区域的削弱区域形成,并计算此时的极限载荷.
2 集中载荷下极限载荷
两端固结RBS梁在跨中集中载荷F作用下时,合适的削弱参数可以控制塑性铰首先出现在削弱中心而不是梁端,充分体现了RBS节点塑性铰外移特点.当塑性铰首先出现在削弱中心时,随着载荷增加,跨中出现塑性铰,最终达到极限状态,极限状态时的弯矩图见图5(a),梁端弯矩用M表示,而普通梁在梁端首先出现塑性铰,极限状态弯矩图见图5(b).
根据图5(a)中的几何关系可以得到
为避免梁端出现塑性铰,要满足M<Mu,得到l1+e<l2,即
由几何关系可以确定:
根据式(5)可以得到
为便于后面分析,设
可见e值需满足一定的条件才能保证塑性铰出现在削弱中心,在工程实际设计中要综合考虑梁长度和削弱参数,以便上述关系成立,否则塑性铰会偏离削弱中心,甚至在梁端出现,失去削弱型节点的本质意义.若RBS梁塑性铰出现在削弱中心,根据极限状态的弯矩图可以得到削弱梁极限载荷为而普通梁的极限弯矩为削弱将导致梁的极限承载力下降,有.化简后得到
式(5)和式(7)本质上是一致的,说明在集中载荷作用下,塑性铰在削弱中心处形成的条件和极限承载力下降的条件是相同的,只要塑性铰在削弱中心,极限载荷就下降,在式(7)中,材料σs、梁截面尺寸和长度为定值,削弱深度c和削弱距离e是变量,若削弱距离不满足该式,则极限状态时塑性铰同样不会出现在削弱中心处,但可能出现在削弱中心偏向梁端位置.
设定一组不同截面尺寸的RBS梁,梁长均为4 m,削弱参数统一取值为:a=0.6bf,b=0.7hb,c=0.2bf,材料为Q235钢,屈服应力σs=235 MPa,计算该组RBS梁的截面极限弯矩和极限载荷,判定塑性铰位置等,并和普通梁的极限载荷进行对比,计算结果见表1,为进一步分析削弱参数和RBS梁长度之间的对应关系,以不同长度的b3截面梁为例分析,削弱参数取值范围和材料同表1,分析极限载荷并查看塑性铰形成位置,计算结果见表2.
分析表1可以看出:若塑性铰出现在削弱中心处,削弱导致RBS梁的极限载荷减小,梁截面越小,削弱对极限载荷的影响越大;若削弱中心处距离梁端的距离e小于s,则塑性铰出现在削弱中心处,若e大于s,则塑性铰不会出现在削弱中心处,会在中心偏向梁端的位置出现,即在e接近s处的位置出现,此时削弱梁的极限载荷较普通梁提高,为避免塑性铰出现在梁端,对深梁,需要加大削弱深度,以降低削弱中心处截面的极限弯矩,以此来增大α,增大s,同时需要减小削弱长度和削弱起始点的位置,以此来减低e值,满足e小于s,有利于实现“强柱弱梁”的设计理念.
分析表2可以看出:同截面同削弱尺寸的梁,梁越长,削弱对极限载荷的影响越大,增大梁长度可较好地控制塑性铰在削弱中心处出现,当梁比较短时要适当增加削弱深度,减小削弱起始点的位置,否则塑性铰位置易偏向梁端,失去削弱型节点的设计意义.
综合表1和表2还可以发现:采用同一个削弱参数取值,b3梁在3 m时,而b4梁和b5梁在4 m时塑性铰出现在梁端,说明梁削弱尺寸的设定可适当参考梁的长高比,长高比越小,削弱深度越大,削弱长度越小,才能控制e小于s.
3 均布载荷下极限载荷
RBS梁、普通梁在均布载荷作用下塑性铰出现的先后顺序同集中载荷作用时出现顺序一致,均布载荷作用下极限状态时的弯矩见图6.
分析图6所示弯矩图可以得到RBS梁的极限载荷集度qR和普通梁的极限载荷集度qP分别为
若qR<qP,则有
根据图7所示削弱梁弹性阶段的弯矩图,可以得到削弱中心处的弯矩MR为
若塑性铰首先出现在削弱中心,则需要满足
化简后得到
综合式(8)和式(11),若满足下式
塑性铰出现在削弱中心,但极限承载力升高,若仅满足式(8),则塑性铰出现在削弱中心,且承载力下降.
若RBS梁长度、梁截面以及材料确定,需要根据上式选择合适的削弱参数,才能保证塑性铰出现在削弱中心.设定一组截面梁,梁长均为6 m,削弱参数均设定为:a=0.5bf,b=0.65hb,c=0.24bf,材料屈服应力σs=235 MPa,计算RBS梁在均布载荷作用下的极限载荷,分析塑性铰出现的位置,并和普通梁的计算结果对比.
分析表3可以发现:在均布载荷作用下,若塑性铰出现在RBS梁端削弱中心处,对于等长的梁,梁截面越大,承载力下降越小,当截面达到一定尺寸后,承载力不下降反而提高,b4和b5梁的极限承载力比普通梁极限承载力提高,且截面越大,提高越大,说明尽管削弱中心处截面极限弯矩减小,但两端削弱中心处形成的塑性铰会导致形成的简支梁长度减小,跨中截面承受的极限载荷增大,若跨中截面承受的极限载荷提高程度大于削弱中心处降低程度,RBS梁整体承载力就提高.
为进一步分析均布载荷作用下RBS梁长度和削弱参数对极限承载力的影响,以b2梁为例进行分析,削弱参数取值范围和材料同表3,极限承载力、塑性铰位置等和普通梁的对比情况见表4.
从表4可以看出:在均布载荷下同截面的梁越长,极限承载力降低越明显,当梁较短时塑性铰易出现在中心偏向梁端的位置,且承载力提高,为更好地实现塑性铰外移,可以适当加大梁的长度.
4 结论
借鉴普通梁极限载荷计算模式,对一类新型削弱型节点框架结构中的梁极限状态进行了计算,分析塑性铰形成的位置、条件并计算极限载荷等,将计算结果和普通梁的计算结果进行对比,得到以下结论:
(1)RBS梁的极限载荷与塑性铰形成的位置相关,若塑性铰在削弱中心处形成,通常极限载荷下降,否则承载力提高.
(2)根据RBS梁长高比,选择合适的削弱参数,控制塑性铰在削弱中心处形成,此时梁端削弱将导致RBS梁的极限载荷下降,而且梁越长,极限载荷下降越明显.
(3)当梁较短时,塑性铰易出现在削弱中心偏向梁端的位置上,此时RBS梁的极限承载力不下降反而提高,此时尽管梁削弱处截面承载力下降,但跨中截面承受的载荷增大,导致整体极限载荷提高.
综合以上分析,RBS梁设计时要依据截面尺寸,梁长度等来选择削弱参数,以满足在单向载荷作用下和地震载荷作用下,塑性铰位置都偏向削弱中心处形成,远离梁柱连接区域,避免连接区域发生脆性破坏,提高结构的抗震性能,更好地发挥削弱型节点的优良抗震性能.
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