市政工程中钢-混凝土组合结构框架节点设计

市政工程中钢-混凝土组合结构框架节点设计

金子真

身份证号：210281199104052833

摘要：钢筋-混凝土（以下称“钢-混凝土”）结构，是当前市政工程建设的主要组成结构，该模式也可以称之为混合结构，主要功能是发挥不同材料的优势，搭建稳定性更高的建筑。根据调查可知，钢-混凝土组合结构传力较为复杂，框架节点的设计直接影响了结构的受力性能。因此，市政工程建设过程中，钢-混凝土组合结构框架节点设计成为一项不可或缺的研究内容。近年来，多种节点设计方法开始应用在组成结构工程建设中，但是设计结果难以达到预期目标。文中以市政工程为研究对象，针对钢-混凝土组合结构的节点受力进行深入分析，并计算节点核心区的有效尺寸。运用包含明确物理意义的剪力计算公式获取节点核心区的剪力强度，再结合BP网络进行自适应学习和训练，得到左右框架节点设计方案。

关键词：市政工程；钢-混凝土；设计

引言

在钢-混凝土组合梁的结构设计中，钢梁按《公路钢-混凝土组合梁设计与施工规范》(JTG/TD64-01-2015)(简称桥钢规范)和《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD 64-2015)(简称桥钢规范)的规范进行验算，钢梁按公路钢筋混凝土和预应力混凝土进行验算。阐述了设计中需要按规范计算的内容，比较了不同的规范条文，根据比较结果选择适用的规范条文进行计算和设计。

1明确组合框架节点受力机理

钢-混凝土组合框架结构内节点的受力机理是影响节点设计的主要因素。文中根据节点处多种材料的有机联系，结合材料自身的非线性性质，得出组合框架的节点传力结构主要包括3部分：钢梁腹板传力结构、内部混凝土斜压杆传力结构、外部混凝土斜压杆传力结构。其中，钢梁腹板传力结构指的是节点区内钢梁翼缘和柱面位置的面承板组，为了便于分析节点核心区钢梁腹板传力结构的受力机理，将其看作一面剪力墙，并将二者相接的翼缘框看作框架。组合结构框架中，剪应力会在抗侧刚度的影响下，合理分配给钢框架和剪力墙。此外，考虑到组合结构框架节点设计过程中，剪力墙的抗侧刚度总是高于翼缘框架，为了降低计算复杂度，仅依据钢梁腹板的抗剪能力进行后续节点设计分析。除此之外，针对钢-混凝土组合结构框架中节点区域进行整体分析，可以将其大概划分为两个部分，分别是内部混凝土结构与外部混凝土结构。

2主梁及桥面板构造

槽钢梁由上翼缘板、底板、腹板、横隔板、支点梁、底板加劲肋、腹板加劲肋组成，钢梁上翼缘板厚30mm，宽600mm； 底板厚30mm、宽3560mm； 腹板厚20mm。 腹板设置竖向加强筋，布置间距为1000mm； 底板设有竖向加劲肋，布置间距为500mm，加劲肋形式均为板式。 箱室内设横隔板，板厚14mm，设竖向加强筋，横隔板预留800mm×600mm人孔，竖向间距3000mm布置。 梁尾梁由3根横隔板组成，梁中央横隔板厚24mm，两端横隔板厚20mm。 每根钢梁一端设双层支座，支座横向间距2000mm，纵向距离梁端780mm。 槽钢梁间采用箱间梁连接，箱间梁为工字型，高1900m，厚16mm； 顶板宽320mm，厚24mm； 箱梁每600mm设置一根竖向加强筋，竖向布置间距为6000mm； 钢梁的主要材料全部采用Q355D。 混凝土桥面板采用C55补偿收缩混凝土，桥面板全宽13.75m，悬臂长163.5cm，跨中厚度25cm，与钢梁顶板连接处厚40cm，50cm×15cm的支座，悬臂端部厚20cm，桥面板 桥面板与钢主梁之间通过布置与钢梁顶板的剪力键连接，焊钉连接件直径为22mm，长度为200mm。 每根钢梁单侧顶板横向布置4根剪力钉，剪力钉纵向间距150mm，调整局部间距； 在梁端梁范围内的横隔板顶板上配置剪力钉，纵横间隔150mm配置。

3桥面板结构优化设计

考虑到现场施工条件较差，大型施工机械无法进场，单块吊装重量需限制在５ｔ以下，因此桥面板采用“预制板＋后浇层”叠合板，将单块桥面板自重从３３．８１ｔ降低至２．０６ｔ，且预制板兼做后浇桥面板的模板，可减少现场支模工作量。预制板厚度综合考虑自重、后浇混凝土湿重进行设计计算，沿横向跨中厚３３０ｍｍ，悬臂端厚２００ｍｍ，取消托座。经设计研究，正弯矩区段沿横向跨中由１５０ｍｍ厚预制混凝土板和１８０ｍｍ厚现浇混凝土叠合层构成，在悬臂端，从钢梁边缘到桥面板边缘，现浇混凝土叠合层厚度从１８０ｍｍ渐变至５０ｍｍ，悬臂端边缘桥面板由１５０ｍｍ厚预制混凝土板和５０ｍｍ厚现浇混凝土叠合层构成。为进一步降低该桥负弯矩区段桥面板的开裂风险，改善桥面工作性能，在负弯矩区段的横桥向跨中将１８０ｍｍ厚现浇混凝土叠合层改为５０ｍｍ厚现浇工程水泥基复合材料（ＥＣＣ）和１３０ｍｍ厚现浇混凝土。优化方案主梁典型截面如图３所示。ＥＣＣ是近２０年发展起来的一种复合材料，与普通混凝土相比，ＥＣＣ开裂应力提升不明显，但其在单轴拉伸过程中能够产生大于３％的拉伸应变而不发生断裂，具有良好的延性。在ＥＣＣ受力过程中，开裂处纤维存在桥接作用，使得裂缝稳定扩展，ＥＣＣ表现出明显的多裂缝开裂特性和应变硬化行为，适合于控制组合结构、混凝土结构中的裂缝，提高结构的耐久性。

4混凝土桥面板有效宽度计算

(1)施工方案的编制。 对于钢-混凝土组合结构，不同施工工序混凝土桥面板和钢梁组合截面参与受力的阶段不同，各阶段主梁的受力状态不同。 为了分析施工方案对结构受力和变形的影响，对以下4种施工方案进行了对比分析。 方案一)现场搭设临时脚→吊焊钢梁段→拆除临时脚→整体浇筑桥面板→施工桥面系。 方案二)现场搭设临时脚→吊焊钢梁节点→整体浇筑桥面板→桥面板混凝土达到设计强度后拆除临时脚→施工桥面系。 方案3 )现场搭建临时墩→钢梁分段吊装与焊接→浇筑A、C段桥面板→A、C段桥面板混凝土达到设计强度后，浇筑B段桥面板→B段桥面板混凝土达到设计强度后拆除临时墩→施工桥面系。 方案四)现场搭设临时脚→钢梁节点吊装、焊接→浇筑B级桥面板→B级桥面板混凝土达到设计强度后，浇筑A、C级桥面板混凝土达到设计强度后拆除临时脚 )2)施工阶段结果分析。 方案一、方案二的施工速度都很快，方案一是钢梁吊装焊接完成后可以拆除临时支腿，对桥下交通的影响最小； 方案3和方案4所需的施工周期相对较长。 一种是钢梁在无支撑的情况下采用桥面板浇筑，施工阶段应力均明显大于其他方案，经计算，成桥阶段钢梁应力大于270MPa，不予采用； 方案二、方案三、方案四在施工阶段内力均接近，方案三受力性能最好。 施工阶段钢梁最大拉应力为90MPa，最大压应力为103.6MPa，桥梁路面板最大压应力为4.1Mpa，均满足《规范》要求。

结束语

随着钢-混凝土组合梁桥在我国的推广应用，其钢材和混凝土材料的优势将逐渐得到最大限度的发挥。 在结构设计中，如何降低梁体高度，节约钢材仍然是重点关注的内容。 混凝土桥面板采用压型钢板和混凝土组合的桥面板、超高性能混凝土等可以减少厚度，钢梁可以通过预弯组合梁等方式减少高度，综合实现降低梁体高度的目标。 随着工程经验的积累，钢-混凝土组合梁桥的设计理论将更加完善。

参考文献

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