《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第二部分橋梁《非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋抗震技術(shù)及應(yīng)用》

本期項(xiàng)目簡介

完成單位: 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司、 合肥工業(yè)大學(xué)

主要完成人: 徐宏光、 吳平平、 楊大海、陳亮、 汪志甜、 王倩、 楊凱、 周小伍、 李劍鸞、郝翠、 謝玉萌、 劉婉玥

項(xiàng)目簡介

　　(一)項(xiàng)目背景

　　非支撐橫梁體系鋼板組合梁具有優(yōu)良的安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性,在國家對鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)和綠色公路建設(shè)的大力推進(jìn)下,該結(jié)構(gòu)具有非常廣闊的應(yīng)用前景,社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。但是非支撐橫梁體系鋼板組合梁的構(gòu)造復(fù)雜,在地震作用下會(huì)產(chǎn)生不同于普通連續(xù)梁橋的特殊震害,例如鋼主梁與混凝土橋面板之間的相對滑移、剪力釘群在往復(fù)荷載作用下的非線性力學(xué)行為和破壞形式等。非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋?qū)儆谔厥饨Y(jié)構(gòu)橋梁,對抗震有特別要求,必須進(jìn)行專項(xiàng)橋梁抗震設(shè)計(jì),該類橋數(shù)量較少,震害資料鮮見,國外針對該類橋梁所開展的抗震性能和抗震設(shè)計(jì)方面的研究較少,尚未形成體系,也沒有成熟的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。因此,國內(nèi)急需建立該類橋梁的抗震設(shè)計(jì)理論及其抗震設(shè)計(jì)方法,指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施,實(shí)現(xiàn)非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

　　(二)技術(shù)概況

　　(1)首次提出了集束式剪力釘群抗剪承載能力計(jì)算方法。

　　(2)系統(tǒng)性地建立了合理的多尺度精細(xì)化抗震有限元建模方法,為其抗震設(shè)計(jì)建立合理的抗震基準(zhǔn)有限元模型,顯著提高地震響應(yīng)的預(yù)計(jì)精度。

　　(3)揭示了非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的地震易損性規(guī)律,提出了關(guān)鍵抗震設(shè)計(jì)參數(shù)取值方法。

　　(4)提出了非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋抗震設(shè)計(jì)方法及抗震構(gòu)造措施。

　　(三)適用范圍

　　適用于非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　(1)基于剪力釘及其剪力釘群的Push-out試驗(yàn)和擬靜力試驗(yàn),首次提出了集束式剪力釘群抗剪承載能力計(jì)算方法。淤給出剪力釘直徑、數(shù)量和排列對構(gòu)件的PS曲線和抗剪承載力的影響。于提出集束式剪力釘群抗剪承載能力計(jì)算方法,給出具體計(jì)算公式。

　　(2)揭示了非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的地震易損性規(guī)律,提出了關(guān)鍵抗震設(shè)計(jì)參數(shù)取值方法。將橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性有機(jī)結(jié)合,基于多尺度模型的抗震性能分析,獲得非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的地震響應(yīng)規(guī)律及其震害機(jī)理,獲得非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的抗震關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),并提出了具有針對性的減隔震措施。

　　(3)針對非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)及抗震特點(diǎn),提出了非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋抗震設(shè)計(jì)方法及抗震構(gòu)造措施。針對非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)及抗震特點(diǎn),制定了新的抗震性能目標(biāo),有效識(shí)別了關(guān)鍵抗震設(shè)計(jì)參數(shù),改進(jìn)了抗震驗(yàn)算方法,并提出了合理的抗震構(gòu)造體系,形成了系統(tǒng)的非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋抗震設(shè)計(jì)方法。

同類項(xiàng)目比較

　　傳統(tǒng)混凝土箱梁采用桿系有限元模型建模分析,本項(xiàng)目從抗震設(shè)計(jì)的角度,采用局部精細(xì)化模型結(jié)合桿系有限元模型的建模方法,能夠顯著提高抗震設(shè)計(jì)的有效性和合理性,提高地震響應(yīng)的預(yù)計(jì)精度;在抗震構(gòu)造措施方面,傳統(tǒng)混凝土箱梁或其他組合結(jié)構(gòu)使用普通球形抗震支座,本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)上全方位考慮抗震構(gòu)造措施,如抗拔不抗剪連接件、限位高摩阻鉛芯橡膠支座、裝配式彈性混凝土抗震擋塊、臨時(shí)鎖定裝置等;在抗震性能目標(biāo)、抗震設(shè)計(jì)參數(shù)、地震響應(yīng)等抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)方面,本項(xiàng)目考慮主梁橫向振型、剪力釘非線性力學(xué)行為,分析剪力釘滑移、梁板相對位移,而傳統(tǒng)凝土箱梁或其他組合結(jié)構(gòu)未進(jìn)行相關(guān)分析設(shè)計(jì)。

　　本項(xiàng)目提出的非支撐橫梁體系鋼板組合梁與相同跨徑的傳統(tǒng)小箱梁相比,上部結(jié)構(gòu)自重可減輕40%左右,總體造價(jià)降低10%~20%;與傳統(tǒng)鋼板組合梁橋相比,傳統(tǒng)鋼板組合梁橋每平方米用鋼量190k,基于本項(xiàng)技術(shù)研究成果,通過精細(xì)化設(shè)計(jì),全裝配化鋼板組合梁橋上部用鋼量每平方米150kg,用鋼量減少21郾1%,每平方米可減少直接造價(jià)400元,同時(shí)上部結(jié)構(gòu)重量減輕可使下部結(jié)構(gòu)造價(jià)減少10%~30%。

　　本項(xiàng)目系統(tǒng)揭示采用的非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋在不同地震災(zāi)害環(huán)境和使用條件下的結(jié)構(gòu)地震易損性規(guī)律和特殊震害形式,針對性地提出了該類橋型的抗震設(shè)計(jì)方法和減隔震措施,有效降低了地震作用下節(jié)段梁、橋墩、樁基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件和易損構(gòu)件的地震響應(yīng),從而降低了橋墩和樁基礎(chǔ)的尺寸及配筋率,節(jié)省了工程材料費(fèi)用。從抗震角度優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可節(jié)省相關(guān)造價(jià)20%左右。

應(yīng)用案例

　　本技術(shù)依托于北沿江高速公路巢湖至無為段裕溪河特大橋引橋,首次全面系統(tǒng)地總結(jié)了非支撐橫梁體系鋼板組合梁在抗震性能、抗震設(shè)計(jì)等方面的特點(diǎn)。全面揭示了該類橋梁在不同地震災(zāi)害環(huán)境下的結(jié)構(gòu)地震易損性規(guī)律。

　　通過本課題研究,已促進(jìn)鋼板組合梁成功應(yīng)用于安徽省北沿江高速公路(應(yīng)用總長4.157km,經(jīng)濟(jì)效益4177萬元)、蕪湖至黃山高速公路(應(yīng)用總長7.82km,經(jīng)濟(jì)效益5747萬元)、合安高速公路(應(yīng)用總長2.135km,經(jīng)濟(jì)效益1282萬元)、青海G213樂都至化隆段公路(應(yīng)用總長1.268km,經(jīng)濟(jì)效益1520萬元)、合寧高速公路改擴(kuò)建(應(yīng)用總長1.5km,經(jīng)濟(jì)效益1546萬元)、廣東G25富陽至G60諸暨高速公路(應(yīng)用總長0.99km,經(jīng)濟(jì)效益965萬元)、廣東羅信高速公路(里程0.44km,經(jīng)濟(jì)效益3057萬元)等項(xiàng)目中,正策劃改進(jìn)并推廣應(yīng)用于黃山至千島湖高速公路(應(yīng)用總長3.489km)、合肥至樅陽高速公路(應(yīng)用總長15.2km)、岳武東延高速公路(應(yīng)用總長33.6km)以及青海、浙江、廣東、江蘇等省外項(xiàng)目中,開始形成普遍技術(shù)的示范效應(yīng)。本項(xiàng)目的技術(shù)成果已成功推廣應(yīng)用于40余項(xiàng)目,僅項(xiàng)目完成單位已累計(jì)應(yīng)用長度107.4km橋梁。

社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　本技術(shù)依托于北沿江高速公路巢湖至無為段裕溪河特大橋引橋,研究成果優(yōu)化降低了非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋材料指標(biāo),與小箱梁橋相比,上部自重減輕40%,總體造價(jià)降低8.6%,同時(shí)方便了結(jié)構(gòu)施工,有效加快了工期。本項(xiàng)目研究成果為該類橋梁抗震設(shè)計(jì)和實(shí)施提供有力保障,確保高速公路網(wǎng)的地震安全性、減小橋梁震害和生命財(cái)產(chǎn)損失、促進(jìn)區(qū)域發(fā)展起到重要作用,具有非常顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)拓展了鋼板組合梁橋的應(yīng)用范圍,使其同樣適用于地震高烈度區(qū),這對該技術(shù)大范圍的推廣應(yīng)用起到了積極有利的作用。

　　項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用,也給一些企業(yè)帶來新的機(jī)遇和效益,例如:

　　(1)生產(chǎn)鋼板組合梁新型鋼梁,寶雞橋梁廠新

　　增產(chǎn)值1.882億元,三海關(guān)橋梁廠新增產(chǎn)值1.255億元,江蘇新中泰橋梁廠新增產(chǎn)值1.456億元。

　　(2)生產(chǎn)抗震支座、抗震擋塊相關(guān)廠家新增產(chǎn)值820萬元。