钢结构抱柱梁的设计与应用探讨

1 前言

钢材是建筑行业的重要材料，目前我国钢材的年产量居世界首位，钢产量的增加为我国建筑钢结构建设事业创造了非常好的发展机遇，钢结构的设计以及应用在我国得到快速的发展。钢结构抱柱梁和传统的混凝土抱柱梁相比，具有施工方便、施工周期短、适用范围广、稳定性高、可循环利用等众多应用优势，致使其被广泛的应用在我国建筑行业中。因此，对于工程设计和施工人员来说，研究钢结构抱柱梁的设计与应用，对于提高工程设计水平和实践应用效果具有非常重要的现实意义。

2 钢结构抱柱梁的设计与应用探析

2.1 工程概况以及钢结构抱柱梁优势分析

文章以某航道桥梁工程为例，该桥梁工程采用三跨预应力连续箱梁架构，主桥的总重量为4.712×104kN，桥净高5.35m，跨境设计为36m+60m+36m，分为分离式上行和下行双幅桥，因为该桥梁工程跨越的航道进行升级改造，将桥柱净高调整至8.35m，该桥梁工程的改造施工队伍通过将钢结构包梁柱与传统的混凝土抱柱梁进行对比，钢结构包梁柱的优势在于:(1)钢结构包梁柱的梁宽相对较小，对桥下空间的要求不高，具有更加广泛的适用范围;(2)钢结构包梁柱和桥墩接触面的连接力相对较大，可靠性和安全性更高;(3)钢结构抱柱梁可以循环使用，能够有效的提高钢材的使用率，对于实现可持续发展以及低碳经济具有非常重要的作用;(4)钢结构抱柱梁在施工的过程中对周边环境的影响相对较小，具有非常好的环保和社会效益;(5)钢结构抱柱梁的各个预制构件间采用螺栓进行连接，便于进行安装和拆卸，有效的缩短施工周期。因此，该桥梁工程施工队伍决定采用钢结构包梁柱。

2.2 钢结构抱柱梁在实践应用的设计

(1)有限元分析。创建单个钢结构抱柱梁有限元分析模型，各种参数根据《公路桥涵通用设计规范》进行选择，间隔一定距离设置一个千斤顶，千斤顶的最大顶升力为3×105N，千斤顶和临时支承力相同，设计在千斤顶的内侧，钢结构抱柱梁荷载状况如表1所示。钢结构抱柱梁的安全系数相对较高，中心抱柱梁结构在连接板相交位置、中心钢箍、顶板等位置应力相对集中，需要设计加劲肋提高整体的安全性和可靠性。此外，通过采用双向预应力和剪力键的钢结构抱柱梁，能够满足抱柱梁结构应力峰值大于千斤顶托架体系的要求，有效的提高了材料的利用率，显著的缩短了施工周期。

表1 钢结构抱柱梁荷载状况表

(2)预制钢结构。钢结构抱柱梁的钢材选择应该根据建筑工程的实际状况，例如建筑高度、施工、结构材料、地基、场地条件、抗震设防烈度、抗震类别等因素，通过综合考虑各个方面的因素，选择相应的钢材。抱柱梁的主要构件通常在工厂预制，然后再施工现场采用螺栓进行拼装形成整体，当桥梁的整体顶升提升改造完成之后，仅需要将拼装螺栓卸下就能够完成结构的拆除。

(3)分离式结构设计。桥梁结构不同采用桥墩的尺寸也不相同，如果钢结构抱柱梁的桥墩采用整体式结构，这样不仅会降低其使用寿命，同时由于整体式结构为单次使用，不能进行其他桥梁结构的提升改造。因此，该桥梁工程的钢结构抱柱梁采用分离式结构，即直接承受作用反力的千斤顶托架结构和与桥墩相连的中心抱柱梁结构，两种结构相对独立，这两种结构在施工的过程中都采用螺栓进行连接，前者可以循环使用，后者应该根据工程的实际需求进行定制。该工程的钢结构抱柱梁的分离式结构采用在双幅桥的桥墩间无连接的方式，每一个抱柱梁由千斤顶托架和中心抱柱梁组成，千斤顶托架可以进行循环利用，中心抱柱梁和作为千斤顶托架体系的钢箱梁都采用Q345钢材，横桥向和顺桥向预应力钢筋采用精轧螺纹钢筋，抗拉强度标准值为930MPa，抱柱梁的高度为40cm，连接板的间距为25cm，剪力键宽度为3.5cm，桥梁工程钢结构抱柱梁的各构件厚度分别为:预应力加劲肋16mm;箱梁连接板18mm;箱梁腹板8mm;箱梁顶板、底板12mm;中心梁顶板、底板30mm;加劲肋8mm;中心梁连接板24mm;剪力键20mm;中心钢箍30mm。

(4)双向预应力的设计。通过设置钢制剪力键能够显著的提高墩梁截面的连接力，同时在一定程度上能够降低抱柱梁结构的高宽比(通常状况下，钢结构抱柱梁的高宽比控制在0.4-0.6)，这样能够对钢结构抱柱梁的弯矩效应进行加强，同时减弱桥墩和梁底部分区域的连接。此外，为了保证钢结构抱柱梁施工期间的安全性和可靠性，应该在钢结构抱柱梁下方设置双向预应力筋，这样能够在抱柱梁的中心区域形成环向预应力，同时为了充分的发挥预应力筋的作用，应该把预应力筋锚固在千斤顶托架结构上。

(5)剪力键的设计。钢结构抱柱梁与混凝土抱柱梁不同，预制的钢结构抱柱梁在进行安装的过程中，缺乏原桥桥墩和胶凝材料的连接。由于钢结构抱柱梁采用承受剪力为主的方式，因此需要在墩梁截面设置剪力键，每隔一段距离对桥墩表面抱柱梁设置区域进行环向切槽处理，切槽的深度和混凝土保护层的厚度相同，此外还应该在桥墩和抱柱梁接触的界面，按照相同的间距设置环向剪力键，这样能够有效的工程改造施工中的顶升反力，通过桥墩和剪力键之间的咬合作用，达到增强桥墩界面抗剪承载能力的效果。

(6)加劲肋的设计。为了防止钢结构出现局部屈曲的现象，需要在应力集中部分(例如构件尺寸突变区域)以及抱柱梁承受集中区域(例如千斤顶、临时支撑构件区域)设置加劲肋，厚度如表2所示。

3 结束语

总而言之，钢结构抱柱梁和传统的混凝土抱柱梁相比具有更多的应用优势，致使其被广泛的推广和应用在现代桥梁整体同步顶升施工中。

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