《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第二部分桥梁《非支撑横梁体系钢板组合梁桥抗震技术及应用》

本期项目简介

完成单位: 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司、 合肥工业大学

主要完成人: 徐宏光、 吴平平、 杨大海、陈亮、 汪志甜、 王倩、 杨凯、 周小伍、 李剑鸾、郝翠、 谢玉萌、 刘婉玥

项目简介

　　(一)项目背景

　　非支撑横梁体系钢板组合梁具有优良的安全性、耐久性、经济性,在国家对钢结构桥梁建设和绿色公路建设的大力推进下,该结构具有非常广阔的应用前景,社会和经济效益显著。但是非支撑横梁体系钢板组合梁的构造复杂,在地震作用下会产生不同于普通连续梁桥的特殊震害,例如钢主梁与混凝土桥面板之间的相对滑移、剪力钉群在往复荷载作用下的非线性力学行为和破坏形式等。非支撑横梁体系钢板组合梁桥属于特殊结构桥梁,对抗震有特别要求,必须进行专项桥梁抗震设计,该类桥数量较少,震害资料鲜见,国外针对该类桥梁所开展的抗震性能和抗震设计方面的研究较少,尚未形成体系,也没有成熟的抗震设计规范和标准可以遵循。因此,国内急需建立该类桥梁的抗震设计理论及其抗震设计方法,指导实际工程的设计和实施,实现非支撑横梁体系钢板组合梁桥的进一步推广应用。

　　(二)技术概况

　　(1)首次提出了集束式剪力钉群抗剪承载能力计算方法。

　　(2)系统性地建立了合理的多尺度精细化抗震有限元建模方法,为其抗震设计建立合理的抗震基准有限元模型,显著提高地震响应的预计精度。

　　(3)揭示了非支撑横梁体系钢板组合梁桥的地震易损性规律,提出了关键抗震设计参数取值方法。

　　(4)提出了非支撑横梁体系钢板组合梁桥抗震设计方法及抗震构造措施。

　　(三)适用范围

　　适用于非支撑横梁体系钢板组合梁桥。

　　(四)获奖情况

　　中国交通运输协会科学技术奖三等奖。

项目创新点

　　(1)基于剪力钉及其剪力钉群的Push-out试验和拟静力试验,首次提出了集束式剪力钉群抗剪承载能力计算方法。淤给出剪力钉直径、数量和排列对构件的PS曲线和抗剪承载力的影响。于提出集束式剪力钉群抗剪承载能力计算方法,给出具体计算公式。

　　(2)揭示了非支撑横梁体系钢板组合梁桥的地震易损性规律,提出了关键抗震设计参数取值方法。将桥梁结构动力特性与地震动特性有机结合,基于多尺度模型的抗震性能分析,获得非支撑横梁体系钢板组合梁桥的地震响应规律及其震害机理,获得非支撑横梁体系钢板组合梁桥的抗震关键设计参数,并提出了具有针对性的减隔震措施。

　　(3)针对非支撑横梁体系钢板组合梁桥的结构及抗震特点,提出了非支撑横梁体系钢板组合梁桥抗震设计方法及抗震构造措施。针对非支撑横梁体系钢板组合梁桥的结构及抗震特点,制定了新的抗震性能目标,有效识别了关键抗震设计参数,改进了抗震验算方法,并提出了合理的抗震构造体系,形成了系统的非支撑横梁体系钢板组合梁桥抗震设计方法。

同类项目比较

　　传统混凝土箱梁采用杆系有限元模型建模分析,本项目从抗震设计的角度,采用局部精细化模型结合杆系有限元模型的建模方法,能够显著提高抗震设计的有效性和合理性,提高地震响应的预计精度;在抗震构造措施方面,传统混凝土箱梁或其他组合结构使用普通球形抗震支座,本项目在设计上全方位考虑抗震构造措施,如抗拔不抗剪连接件、限位高摩阻铅芯橡胶支座、装配式弹性混凝土抗震挡块、临时锁定装置等;在抗震性能目标、抗震设计参数、地震响应等抗震专项设计方面,本项目考虑主梁横向振型、剪力钉非线性力学行为,分析剪力钉滑移、梁板相对位移,而传统凝土箱梁或其他组合结构未进行相关分析设计。

　　本项目提出的非支撑横梁体系钢板组合梁与相同跨径的传统小箱梁相比,上部结构自重可减轻40%左右,总体造价降低10%~20%;与传统钢板组合梁桥相比,传统钢板组合梁桥每平方米用钢量190k,基于本项技术研究成果,通过精细化设计,全装配化钢板组合梁桥上部用钢量每平方米150kg,用钢量减少21郾1%,每平方米可减少直接造价400元,同时上部结构重量减轻可使下部结构造价减少10%~30%。

　　本项目系统揭示采用的非支撑横梁体系钢板组合梁桥在不同地震灾害环境和使用条件下的结构地震易损性规律和特殊震害形式,针对性地提出了该类桥型的抗震设计方法和减隔震措施,有效降低了地震作用下节段梁、桥墩、桩基础等关键构件和易损构件的地震响应,从而降低了桥墩和桩基础的尺寸及配筋率,节省了工程材料费用。从抗震角度优化了结构设计,可节省相关造价20%左右。

应用案例

　　本技术依托于北沿江高速公路巢湖至无为段裕溪河特大桥引桥,首次全面系统地总结了非支撑横梁体系钢板组合梁在抗震性能、抗震设计等方面的特点。全面揭示了该类桥梁在不同地震灾害环境下的结构地震易损性规律。

　　通过本课题研究,已促进钢板组合梁成功应用于安徽省北沿江高速公路(应用总长4.157km,经济效益4177万元)、芜湖至黄山高速公路(应用总长7.82km,经济效益5747万元)、合安高速公路(应用总长2.135km,经济效益1282万元)、青海G213乐都至化隆段公路(应用总长1.268km,经济效益1520万元)、合宁高速公路改扩建(应用总长1.5km,经济效益1546万元)、广东G25富阳至G60诸暨高速公路(应用总长0.99km,经济效益965万元)、广东罗信高速公路(里程0.44km,经济效益3057万元)等项目中,正策划改进并推广应用于黄山至千岛湖高速公路(应用总长3.489km)、合肥至枞阳高速公路(应用总长15.2km)、岳武东延高速公路(应用总长33.6km)以及青海、浙江、广东、江苏等省外项目中,开始形成普遍技术的示范效应。本项目的技术成果已成功推广应用于40余项目,仅项目完成单位已累计应用长度107.4km桥梁。

社会效益与经济效益

　　本技术依托于北沿江高速公路巢湖至无为段裕溪河特大桥引桥,研究成果优化降低了非支撑横梁体系钢板组合梁桥材料指标,与小箱梁桥相比,上部自重减轻40%,总体造价降低8.6%,同时方便了结构施工,有效加快了工期。本项目研究成果为该类桥梁抗震设计和实施提供有力保障,确保高速公路网的地震安全性、减小桥梁震害和生命财产损失、促进区域发展起到重要作用,具有非常显著的社会和经济效益。同时拓展了钢板组合梁桥的应用范围,使其同样适用于地震高烈度区,这对该技术大范围的推广应用起到了积极有利的作用。

　　项目成果的推广应用,也给一些企业带来新的机遇和效益,例如:

　　(1)生产钢板组合梁新型钢梁,宝鸡桥梁厂新

　　增产值1.882亿元,三海关桥梁厂新增产值1.255亿元,江苏新中泰桥梁厂新增产值1.456亿元。

　　(2)生产抗震支座、抗震挡块相关厂家新增产值820万元。