預應力鋼管混凝土組合桁架簡支梁橋設計研究

付 宏

（山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030006）

鋼—混組合梁因能充分發揮材料力學性能，承載力利用系數高，跨越能力強而被廣泛采用。其中鋼管混凝土作為一種復合材料運用于受壓柱、主拱圈等承壓構件中已體現出一定的經濟技術優勢。近年來，鋼管混凝土作為壓彎構件在橋梁結構中的運用也有所發展。湖北秭歸縣向家壩大橋，四川雅安干海子大橋的建設均表明鋼管混凝土組合桁梁橋施工方便，材料用量少，力學性能良好。

鋼管混凝土組合桁梁是由填充混凝土的下弦桿與空腹桿構成空間四角錐穩定桁架體系，在桁架上澆筑混凝土橋面板，形成鋼管混凝土桁架—混凝土橋面板組合梁。與傳統鋼桁梁相比，在下弦桿中填充混凝土能提高節點剛度與承載力，減少用鋼量；與鋼箱梁相比，在桁架上設置混凝土橋面板能提高主梁整體剛度，混凝土橋面板上做鋪裝層能有效解決鋼梁橋面鋪裝易產生病害的問題；與混凝土梁相比，自重輕，承載力利用系數高。

隨著交通網絡的發展，在重要交通線上修建跨線橋要求跨徑大，建筑高度小，施工速度快，對交通影響小。基于此，本文進行了一座預應力鋼管混凝土組合桁架簡支梁橋的試設計探索，以期能為跨線橋建設提供一種思路。

1 預應力組合桁梁的概念

1.1 結構組成

預應力鋼管混凝土組合桁架簡支梁由預應力鋼管混凝土下弦桿、腹桿、橋面板、上弦桿及平聯等幾部分組成，桿件之間通過相貫焊接節點連接，桁架與橋面板固結，上弦桿與平聯嵌固于橋面板中。窄橋可采用單片桁梁，寬橋可采用多片桁梁組拼，橫向設置聯接系（圖1）。

圖1 結構組成示意圖

a）下弦桿 下弦鋼管設置PBL剪力連接鍵[1]，并設置預應力束鋼波紋管定位鋼筋，灌填鋼纖維混凝土后張拉預應力。波紋管硬度應高于普通波紋管，防止張拉過程中鋼管內混凝土變形。下弦管可按簡支梁彎矩變化規律采用不同的壁厚以減小用鋼量。

b）腹桿 一個節點處設置4根腹桿，呈倒四角錐形布置。腹桿可按簡支梁剪力變化規律采用不同的規格。

c）橋面板 與鋼桁連接節點部位設置板托，橋面板橫向鋼筋從上弦桿預留孔洞穿入并錨固。

d）上弦桿及平聯 與腹桿焊接連接。上弦桿在滿足橋面板施工時受力要求的前提下可適當減小尺寸，橋面板形成強度后上弦桿作為勁性骨架參與受力。

1.2 施工工藝

a）鋼桁梁組拼 可節段預制，施工現場組拼[2]。若運輸條件受限，可工廠制作標準桿件，現場焊接，對于大型非標管件還可現場卷制[3]。下弦管制作要增設PBL剪力連接鍵和預應力束定位鋼筋。

b）鋼桁梁架設 平整兩岸場地后，邊組裝邊頂推，對于大跨徑橋梁需設置少量臨時墩，中小跨徑橋梁可實現無臨時支架頂推施工。

c）灌填混凝土 鋼桁梁架設調整就位后，下弦管灌填鋼纖維混凝土，為確保灌填密實，應事先做節段灌填試驗。

d）張拉預應力 預應力分批次張拉，混凝土橋面板施工前與施工過程中分別張拉一部分，施工完成并達到設計強度后張滿余下預應力。

e）澆筑橋面板 橋面板可現澆也可預制[4]。現澆橋面板以鋼管混凝土桁梁為支撐系統，同時可在橋面板下搭設防護工棚，避免澆筑混凝土掉渣或器物掉落影響橋下交通，全過程無需在主梁下搭設額外支架。

2 試設計探討

2.1 工程背景

某在建高速公路跨線橋采用1×60 m鋼—混疊合梁，橋寬30 m，主梁高2.7 m，分別在1/3跨、2/3跨處搭設臨時支架，節段鋼梁吊裝上架后在臨時支架上焊接（圖2）。為避免澆筑橋面板混凝土影響橋下行車安全，在預留車道上搭設臨時防護工棚。施工全過程高速公路進行4次交通導改，2次中斷交通，中斷交通總時長達10 h。

試設計方案擬采用預應力鋼管混凝土組合桁架簡支梁，保留原方案下部結構及一道臨時支撐。臨時支撐設在跨中部位，基礎布置在高速公路中央分隔帶內（圖2）。

圖2 在建跨線橋方案示意圖（單位：cm）

2.2 結構設計

試設計方案采用雙幅布置，單幅橋面寬度15 m，四車道通行。單幅橋橫向由兩片桁梁組拼而成。混凝土橋面板一般厚度為22 cm，加腋處厚度50 cm。下弦鋼管設置4道PBL剪力連接鍵，寬150 mm，厚15 mm；單根下弦鋼管混凝土張拉4束19×φs15.2預應力束，預留孔道直徑為10 cm。腹桿按剪力變化規律設置3種壁厚。主梁布置如圖3～圖4所示，各桿件尺寸及材料用量列于表1。

圖3 組合桁梁1/2立面布置圖（單位：cm）

圖4 組合桁梁1/2橫斷面布置圖（單位：cm）

2.3 受力分析

受力分析采用有限元軟件Midas civil進行計算。鋼管混凝土用共節點雙單元進行模擬，鋼桁桿件均采用梁單元，各桿件交叉處共節點處理。橋面板采用梁格模擬，縱梁節點與鋼桁上弦節點之間剛性連接。全橋分幅對稱布置，僅取半幅進行驗算，有限元模型如圖5所示。

圖6為正常使用極限狀態下混凝土橋面板上、下緣的應力包絡圖。從圖中可看出橋面板全截面受壓，壓應力在允許范圍內。

表1 桿件截面尺寸與材料用量表

圖5 有限元模型

圖6 正常使用極限狀態下橋面板應力包絡圖

偏于保守的計算，鋼管混凝土受拉時不計混凝土的抗拉作用，圖7為正常使用極限狀態下鋼管混凝土下弦桿的應力包絡圖，由圖可看出施加預應力后下弦鋼管應力包絡圖下移，跨中拉應力減小。腹桿主要傳遞剪力，應力在支點截面附近較大，介于-189.3～170.1 MPa之間，均小于容許應力295 MPa。移動荷載作用下跨中最大撓度為30 mm＜L/800，主梁剛度滿足要求。

圖7 正常使用極限狀態下弦鋼管混凝土應力包絡圖

3 經濟技術指標分析

原鋼—混疊合梁方案與試設計方案上部結構主要材料用量如表2所示。預應力鋼管混凝土組合桁梁鋼材用量相比原方案減小1 065.9 t，混凝土用量增加231.1 m3，預應力鋼材用量增加18.5 t，總重量減輕469.6 t。由于空鋼管桁架自重輕，便于頂推，頂推到位后又可作為下弦桿與橋面混凝土的支架系統，在下部結構與臨時支撐上花費少，對橋下交通影響小。不足之處在于主梁高跨比略大，但相比鋼管混凝土組合桁梁要小很多。

表2 主要材料用量對比表

4 結語

在鋼管混凝土組合桁架簡支梁下弦桿中施加預應力形成預應力組合桁梁結構，通過對這種結構進行試設計探索表明其力學性能良好，運用在橋梁上部結構中還具有以下優點：

a）自重輕，便于頂推施工，施工過程中所需的臨時支撐系少，作為跨線橋建設對橋下交通影響小。

b）相比鋼管混凝土組合桁梁，能充分利用鋼管混凝土的受壓性能，有效減小主梁建筑高度。

c）鋼材用量與鋼—混疊合梁相比大大減小，使得這種橋型更為經濟。