高性能鋼工字形鋼板梁的研發(fā)與應(yīng)用

高性能鋼工字形鋼板梁的研發(fā)與應(yīng)用

1緣和腹板的局部失穩(wěn)和加勁肋的設(shè)置問題鋼板梁通常是指由腹部板和翼板等焊接而成的彎曲截面的接受組件。這是中、小直徑鋼橋中最基本的結(jié)構(gòu)形式。20世紀50年代以來，它已在日本、德國、美國和其他發(fā)達國家得到廣泛應(yīng)用。由于其工業(yè)化程度高、質(zhì)量容易控制、施工速度快、人工費用少、易于架設(shè)維護的特點,在美國大多數(shù)中等跨徑橋梁都采用傳統(tǒng)工字形鋼板梁體系。為提高鋼板梁的抗彎強度、剛度和整體穩(wěn)定性,翼緣和腹板通常選用寬而薄的鋼板以增大截面的慣性矩。但如果翼緣和腹板的寬(高)厚比太大,可能在梁達到強度破壞和整體失穩(wěn)前,翼緣和腹板會發(fā)生局部失穩(wěn)。翼緣的局部失穩(wěn)可以通過限制翼緣寬厚比來避免;而腹板的局部穩(wěn)定性,出于經(jīng)濟性考慮,通常由在垂直于腹板平面方向設(shè)置一定剛度的加勁肋(即豎向加勁肋與水平加勁肋)來保證。雖然設(shè)置豎向加勁肋是防止腹板剪切失穩(wěn)的有效措施,但也帶來了一些不利影響。首先,豎向加勁肋與腹板或翼緣的連接焊縫處應(yīng)力集中程度往往較嚴重,且在彎矩作用下名義應(yīng)力相對較大,再加上臨近縱向、豎向、橫向三向焊縫相交處,焊接殘余應(yīng)力的影響很大,因此是較容易出現(xiàn)疲勞裂紋的構(gòu)造細節(jié)之一,此類構(gòu)造細節(jié)在設(shè)計中有可能控制設(shè)計。事實上,由于此構(gòu)造細節(jié)的普遍性,豎向加勁肋與腹板或翼緣的連接焊縫甚至已成為實際鋼橋最常出現(xiàn)疲勞破壞的細節(jié)。其次,對于高腹板而言,通常加勁肋數(shù)量相當多,使得腹板帶加勁肋的鋼板梁制造比較昂貴且不易實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的自動化。過去的幾十年中,全球鋼鐵制造技術(shù)在冶金、軋制、熱處理等方面獲得了很大進步。隨著鋼材強度的提高,鋼板所需厚度減小,傳統(tǒng)鋼板梁存在的上述問題變得尤為尖銳。2hps發(fā)展概況自1992年由美國鋼鐵協(xié)會(AISI)、美國海軍(USNAVY)和聯(lián)邦公路管理署(FHWA)合作研究開發(fā)新型橋梁用鋼,研發(fā)團隊包含了鋼鐵生產(chǎn)、橋梁設(shè)計、橋梁制造、焊接、政府與學術(shù)界專家。由于HPS(100W、70W、50W三種鋼號)強度高、可焊性好、斷裂韌性強、耐腐蝕耐候,其研究和應(yīng)用蓬勃發(fā)展。1997年,HPS從概念變?yōu)楝F(xiàn)實。截至2007年9月,已運用于美國45個州400多座橋梁,其中250座已建成通車。開發(fā)的HPS與傳統(tǒng)的橋梁用鋼相比,可節(jié)約成本18%,減輕重量28%。HPS橋梁具有質(zhì)量輕、架設(shè)成本低,耐久性好、維護成本低(特別是對小跨徑耐候鋼橋),韌性強,焊接無需預(yù)熱等優(yōu)點。高性能橋梁用鋼最新的進展是HPS100W鋼材。HPS100W的化學成分基于美國海軍690MPa鋼種,為提高厚鋼板(>63.5mm)的韌性,增加了鋼板內(nèi)的鎳含量。近期內(nèi)布拉斯加(Nebraska)州的示范性項目是首座大量使用HPS100W鋼材的橋梁。該橋位于格蘭德島(GrandIsland)附近,穿過I-80公路,是跨徑為42.4m的2跨等跨鋼箱梁橋。橋上所有腹板與翼緣全部用HPS100W,采用簡支變連續(xù)技術(shù),架設(shè)每跨內(nèi)的3片主梁時,I-80高速公路中斷交通僅90min。我國學者對HPS高度關(guān)注,在多篇文章中介紹了美國HPS的開發(fā)、特性、運用、進展情況等。我國橋梁高性能用鋼的研制開發(fā)已初有成效。3a.日本工字形鋼板梁結(jié)構(gòu)體系盡管HPS在美國鋼橋建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,但規(guī)范中關(guān)于腹板穩(wěn)定性、撓度、疲勞等限制條件妨礙了HPS在傳統(tǒng)帶豎向加勁肋的工字形鋼板梁中的有效利用。為克服這些限制條件,充分利用HPS的強度及優(yōu)點,20世紀90年代中期開始,FHWA與AISI分別資助一個團隊研究新穎的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計概念。FHWA團隊提出16種創(chuàng)新截面概念,包括新的利用標準截面的方式、預(yù)張拉鋼梁、用波紋鋼板代替平腹板、采用鋼管構(gòu)件及冷彎型鋼。AISI團隊則提出了5種詳細可行的適用于中、小跨徑橋梁的創(chuàng)新體系概念,包括預(yù)應(yīng)力、空間桁架、雙主梁等。由FHWA資助的美國里海(Lehigh)大學大型結(jié)構(gòu)體系高新技術(shù)(ATLSS)中心以及莫杰斯基和馬斯特斯(ModjeskiandMasters)公司提出了以傳統(tǒng)工字形鋼板梁截面為基礎(chǔ)的3種新穎的截面形式(見圖1),分別為波紋腹板工字形鋼板梁(CWG)、鋼管混凝土翼緣工字形鋼板梁(TFG)、雙層腹板工字形鋼板梁(SWG)。雖然工字形鋼板梁新型結(jié)構(gòu)形式的研發(fā)是針對高性能鋼展開的,但這3種新穎截面形式其實并非高性能鋼專屬,其原理同樣適用于常規(guī)的橋梁用鋼,可為我國橋梁建設(shè)提供有益的借鑒。3.1CWG3.1.1屈曲模式cwg波紋鋼腹板(見圖2)在軸向呈折疊形狀,存在手風琴效應(yīng),軸向剛度很小,一般認為其不能抵抗軸力和彎矩。截面剪力則主要由波紋鋼腹板承擔,其抗剪承載能力由剪切屈曲強度控制。屈曲模式有局部屈曲、整體屈曲、合成屈曲(局部屈曲和整體屈曲相互影響組合而成)3種形式。與傳統(tǒng)帶豎向加勁肋的工字形鋼板梁相比,CWG的主要優(yōu)點在于:波紋鋼腹板平面外剛度更大,在剪力作用下更加穩(wěn)定,可以允許梁更高腹板更薄而不出現(xiàn)腹板失穩(wěn)問題,不需要設(shè)置豎向加勁肋便可經(jīng)濟地抵抗剪力;因為不需設(shè)置豎向加勁肋,消除了容易造成疲勞破壞的構(gòu)造細節(jié)(C′等級);波紋腹板還可以為受壓翼緣提供更好的側(cè)向支撐,使CWG的總體重量比傳統(tǒng)鋼板梁更輕;比傳統(tǒng)的帶加勁肋的鋼板梁更容易實現(xiàn)制造自動化、降低制造加工費用。3.1.2試驗設(shè)計和試驗驗證關(guān)于CWG的研究主要包括彈性抗彎-抗扭性能、抗剪性能、疲勞壽命及制造加工。研究人員進行了足尺波紋腹板鋼梁試驗,以評價其抗彎、抗剪及疲勞性能。以上述工作為基礎(chǔ)的文獻采用理論分析及有限元分析,對已有文獻數(shù)據(jù)進行了分析,提出了波紋鋼腹板抗剪設(shè)計準則。此外,研究團隊還根據(jù)設(shè)計規(guī)范以及有限元分析、制造研究、試驗研究成果設(shè)計并建造了1座示范性橋梁。在此過程中,考慮結(jié)構(gòu)性能、制造與加工過程,選取了最佳的波紋形狀(梯形或正弦波形);進行了抗剪與抗彎試驗以驗證設(shè)計承載能力;進行了螺栓接頭試驗并確定其疲勞性能;試驗生產(chǎn)過程包括了足尺試件機器人焊接。制造商研究了2種不同的機器人體系:一種是鋼梁移動機器人不動,另一種則相反。這是美國首次采用機器人焊接橋梁主梁。由賓夕法尼亞州交通廳(PennDOT)設(shè)計的波紋鋼腹板HPS示范橋位于賓夕法尼亞州布拉德福特郡(BradfordCounty)。此2跨雙車道示范橋梁包含4片梯形波紋腹板鋼梁。翼緣、腹板、拼接板均為HPS70W。橋梁于2005年7月通車(見圖3)。示范橋代表里海大學及卓克索(Drexel)大學(科研機構(gòu))、莫杰斯基和馬斯特斯公司(設(shè)計單位)、哈伊鋼結(jié)構(gòu)公司(HighSteelStructures)(制造單位)、FHWA及PennDOT(政府部門)之間長達10年合作項目的成功結(jié)束。與波紋鋼腹板工字形鋼板梁相似的波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁在國內(nèi)、外都得到了較廣泛的應(yīng)用,該截面形式已成功運用于梁橋、矮塔斜拉橋、斜拉橋等。我國學者對波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開展了較多研究,但針對波紋腹板工字形鋼板梁的研究很少。3.2TFG3.2.1tfg的優(yōu)點如圖1(b)所示,傳統(tǒng)工字形鋼板梁的平鋼板翼緣可用鋼管混凝土代替。TFG的主要優(yōu)點為:鋼管混凝土翼緣與鋼含量相同的平板翼緣相比,強度、剛度及穩(wěn)定性更佳,從而降低了側(cè)向支撐需求;鋼管混凝土翼緣的高度減小了腹板高度,減少了腹板長細比限制條件帶來的問題。3.2.2tfg跨連續(xù)梁橋里海大學關(guān)于TFG的研究集中于鋼管混凝土用作上翼緣(受壓翼緣)的TFG簡支梁橋,研究包括初步設(shè)計研究、參數(shù)分析研究及試驗研究。根據(jù)上述科研項目的設(shè)計推薦,PennDOT最近已完成1座采用TFG的HPS示范性公路橋梁的設(shè)計與施工。此橋位于賓夕法尼亞州東北部的弗里斯特郡(ForestCounty),跨越泰厄內(nèi)斯塔河(TionestaCreek),是跨徑為30.5m+30.5m的2跨連續(xù)梁橋。主梁設(shè)有少量豎向加勁肋,除支座處每跨僅設(shè)置了跨中橫隔板。采用簡支變連續(xù)施工方法,該橋已于2010年完工(見圖4)。此外,里海大學不久前剛完成空心鋼管翼緣彎曲鋼板梁體系的研究(見圖5)。彎曲鋼管翼緣梁比傳統(tǒng)彎曲工字形鋼板梁的剛度大很多,研究包含施工階段尤其是混凝土橋面板澆筑階段彎曲鋼管翼緣梁的受力性能,以及最終組合截面的極限強度。3.2.3消除傳統(tǒng)工字形鋼板梁疲勞產(chǎn)生的構(gòu)造細節(jié)采用波紋鋼腹板無需設(shè)置豎向加勁肋,腹板更薄,主梁更輕,而且CWG的疲勞壽命比傳統(tǒng)帶豎向加勁肋的工字形鋼板梁更長。TFG則比同等重量的傳統(tǒng)工字形鋼板梁強度更高、剛度更大、抗扭性能更佳,從而可大大減少中間橫隔梁的數(shù)量。眾所周知,傳統(tǒng)工字形鋼板梁中疲勞裂紋萌生通常與橫隔梁連接構(gòu)造細節(jié)以及其它加勁肋構(gòu)造細節(jié)有關(guān)。利用CWG、TFG可消除或減少上述構(gòu)造細節(jié)。CWG與TFG體系可以結(jié)合起來,文獻亦報道了CWG-TFG的研究成果。3.3抗剪強度的提高雙層腹板工字形鋼板梁典型截面形式如圖1(c)所示,2塊腹板之間有填充物。腹板厚度很小,所以需采用抗銹蝕的材料。2層薄腹板之間通過可靠的連接(機械連接或膠結(jié)材料)使雙層腹板與填充物形成一個整體,防止每塊鋼板各自發(fā)生屈曲,從而提高腹板的抗剪強度。采用激光焊等更先進的焊接工藝可減小焊接熱量對填充材料及其與腹板連接性能的影響,減小焊接殘余應(yīng)力,提高疲勞抗力。目前,尚未見對此概念研究的后續(xù)詳細報道。4