鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法

孫濤

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京市 100195）

鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法

孫濤

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京市 100195）

推導(dǎo)了鋼混組合梁橋基于彈性和基于彈塑性的承載能力設(shè)計(jì)計(jì)算方法，從而明確鋼和混凝土在組合梁橋中的作用特性。總結(jié)了鋼混組合梁橋相對(duì)于混凝土橋和鋼橋的優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)，其中難點(diǎn)主要體現(xiàn)在負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂和整體傾覆穩(wěn)定方面，并針對(duì)這兩個(gè)難點(diǎn)，提出了設(shè)計(jì)解決方法和要點(diǎn)。

鋼混結(jié)構(gòu)；組合梁橋；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；負(fù)彎矩抗裂；整體穩(wěn)定

0 引言

混凝土和鋼材是現(xiàn)代工程建設(shè)的主要材料，隨著現(xiàn)代土木工程向可持續(xù)化和經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展，合理利用建筑材料力學(xué)性能，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，降低工程的建設(shè)成本成為結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的關(guān)鍵。組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性，在保證不同材料良好連接的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮了各自己的結(jié)構(gòu)性能[1]，在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越得到重視。

廣義的組合結(jié)構(gòu)是在構(gòu)件的截面層次使用兩種以上不同材料，目前的組合結(jié)構(gòu)主要是在截面層次采用鋼材和混凝土兩種建造材料，并由這種構(gòu)件組成體系的結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)橋梁是伴隨著鋼構(gòu)件在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)體系橋梁的應(yīng)用而產(chǎn)生的，從結(jié)構(gòu)層面上，鋼構(gòu)件應(yīng)用于混凝土構(gòu)件中可以?xún)?yōu)化受力，改善混凝土材料抗拉性能不足的缺點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮鋼材抗拉和抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，另外混凝土的存在又會(huì)降低鋼材的屈曲和疲勞等典型問(wèn)題；從結(jié)構(gòu)實(shí)用及經(jīng)濟(jì)層面，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下能獲取最優(yōu)的資源配置，同時(shí)使得橋梁結(jié)構(gòu)輕型、多變、美觀且可施工性強(qiáng)[2,3]。基于上述優(yōu)勢(shì)，鋼混組合結(jié)構(gòu)在橋梁工程應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大，其中應(yīng)用最為廣泛的還是梁橋體系。

本文分析組合梁橋的受力原理和計(jì)算方法，分析組合梁橋相對(duì)于鋼橋和混凝土橋梁的優(yōu)勢(shì)所在和主要缺點(diǎn)。并提出開(kāi)展組合梁橋設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和方法，設(shè)計(jì)的主要難題以及解決方法。進(jìn)一步推廣鋼混組合橋梁在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)踐。

1 鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算理論

開(kāi)展鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，確定鋼混截面在極端荷載作用下的極限承載力，滿(mǎn)足承載力安全是進(jìn)行任何截面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前鋼混組合梁橋承載力計(jì)算主要以彈性理論和彈塑性理論為兩個(gè)分支，其計(jì)算的前提均假定鋼混截面的受力變形滿(mǎn)足平截面假定。

1.1 彈性設(shè)計(jì)理論

彈性理論認(rèn)為在承載能力極限狀態(tài)下，鋼混組合梁是完全協(xié)同工作的，結(jié)構(gòu)的破壞是以邊緣應(yīng)力水平超過(guò)材料的允許應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，因此彈性理論計(jì)算承載能力時(shí)，有如下假定：

（1）截面的變形完全遵循平截面假定；

（2）鋼材和混凝土為理想的彈性體，直到梁體的破壞；

（3）鋼與混凝土之間連接是安全可靠的，可能有微小的滑移，但是可忽略；

（4）不考慮混凝土開(kāi)裂對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

根據(jù)鋼混組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，如果鋼混構(gòu)件的連接在承載能力狀態(tài)下不發(fā)生滑移，截面內(nèi)構(gòu)件連接完好，則可以按照剛度分配原理計(jì)算鋼梁承受的彎矩、軸力和混凝土橋面板承受的彎矩和軸力，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配原理見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖 1可知，在截面彎矩作用下，根據(jù)彈性理論分配的鋼和混凝土的彎矩和軸力分別為：混凝土鋼其中n0=Es/Ec。

圖1 彈性理論下鋼混組合截面內(nèi)力分配

根據(jù)上述內(nèi)力分配情況便可以計(jì)算鋼混組合梁在外力組合作用下結(jié)構(gòu)的承載能力。

1.2 彈塑性設(shè)計(jì)理論

彈性理論分析適用于混凝土應(yīng)力和鋼梁應(yīng)力均不超過(guò)屈服應(yīng)力情況，事實(shí)上，承載能力作用下，混凝土和鋼材都會(huì)達(dá)到塑性狀態(tài)，采用彈塑性理論計(jì)算才能完全挖掘結(jié)構(gòu)的承載能力。考慮到鋼和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計(jì)算中一般采用簡(jiǎn)化算法，認(rèn)為鋼材和混凝土都滿(mǎn)足理想的彈塑性關(guān)系，因而可以采用簡(jiǎn)化的彈塑性理論計(jì)算結(jié)構(gòu)的承載能力。計(jì)算采用的基本假定有：

（1）截面變形滿(mǎn)足平截面假定；

（2）混凝土和鋼材具有較為可靠的連接，允許產(chǎn)生不影響截面承載的滑移；

（3）不考慮處于塑性中和軸受拉區(qū)的混凝土作用；

（4）在混凝土的受壓區(qū)為均勻受壓，并達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

（5）在鋼梁受拉區(qū)可以達(dá)到鋼梁的塑性受拉強(qiáng)度f(wàn)p=0.9 f（鋼材強(qiáng)度）。

簡(jiǎn)化彈塑性理論需要根據(jù)塑性中和軸的位置計(jì)算截面的承載能力。結(jié)合本橋的特點(diǎn)，分別選取近邊跨三分點(diǎn)位置和邊支座位置截面，計(jì)算結(jié)構(gòu)的承載能力，見(jiàn)圖2。

圖2 彈塑性理論下鋼梁與混凝土應(yīng)力分布圖示

2 鋼混組合梁橋特性分析

根據(jù)鋼混組合梁橋的上述設(shè)計(jì)原理，再加上梁橋主要以受彎為主，因此相比于鋼梁橋和混凝土梁橋，鋼混組合梁橋具有以下特性：

（1）結(jié)構(gòu)輕巧、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)便。鋼混組合梁橋整體容重顯著小于混凝土橋梁，可以實(shí)現(xiàn)更大跨徑。由于結(jié)構(gòu)輕巧，可以通過(guò)先架設(shè)鋼梁，以鋼梁作為支撐模板，施工橋面混凝土結(jié)構(gòu)部分。另外，組合梁橋還可以解決了梁段起重架設(shè)過(guò)大的問(wèn)題，可以將鋼梁分段制作和吊裝。

（2）鋼混組合梁易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)品化。通過(guò)將鋼梁和橋面板進(jìn)行分段預(yù)制，可以在工廠(chǎng)進(jìn)行流水線(xiàn)式操作，同時(shí)減少野外作業(yè)時(shí)間，并提高施工建設(shè)質(zhì)量。鋼梁段和混凝土段在現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的組裝連接，快速且精度高，且施工不受季節(jié)限制。

（3）鋼混組合梁在受力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，充分利用鋼材抗拉強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)規(guī)避混凝土容易開(kāi)裂問(wèn)題。另外，混凝土作為支撐鋼梁的上部結(jié)構(gòu)，可以增加其臨界失穩(wěn)系數(shù)，同時(shí)避免了鋼梁直接與車(chē)輛活載的作用，減少了不必要的鋼梁疲勞失效問(wèn)題。

鋼混組合梁橋同時(shí)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，需要重點(diǎn)考慮，才能保障其使用安全和長(zhǎng)期性能：

第一，設(shè)計(jì)為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)型式的組合梁橋，面臨負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂問(wèn)題。連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋，在中支點(diǎn)區(qū)域承受負(fù)彎矩作用，由于混凝土的抗裂性差，必須采取相關(guān)措施，降低負(fù)彎矩的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，保證組合梁橋梁的使用性能[4]。

第二，組合梁橋的整體穩(wěn)定性問(wèn)題，組合梁橋的結(jié)構(gòu)自重較輕，橫向?qū)挾却蟮倪B續(xù)梁橋，特別是采用中間點(diǎn)鉸支撐設(shè)計(jì)的，其橫向穩(wěn)定性能很差，例如2012年8月24日 哈爾濱陽(yáng)明灘大橋的垮塌事故，該橋梁就是采用組合梁橋型式，同時(shí)中支座為點(diǎn)鉸支撐。

3 鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法

根據(jù)鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和問(wèn)題，可以采取如下設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法進(jìn)行針對(duì)性的解決。

3.1 組合梁橋橫向穩(wěn)定設(shè)計(jì)

梁橋的傾覆機(jī)理就是在外界荷載作用下，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)繞著一個(gè)軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，一旦達(dá)到翻轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)，梁橋結(jié)構(gòu)就變成機(jī)動(dòng)體系，從而導(dǎo)致整體式的傾覆破壞。因而其破壞機(jī)理如下：

式中：K是傾覆系數(shù)，臨界狀態(tài)下是K=1，K＞1被認(rèn)為是不會(huì)發(fā)生傾覆，但是考慮到計(jì)算模式不確定、材料估計(jì)不確定等，因而一般需要賦予一個(gè)較高的安全儲(chǔ)備，例如認(rèn)為K≥2時(shí)橋梁傾覆穩(wěn)定是安全的。M1是抵抗彎矩，主要是恒載下各個(gè)支座反力對(duì)傾覆軸的力矩和。M2是傾覆彎矩，主要是活載對(duì)傾覆軸的力矩和。

根據(jù)上述傾覆機(jī)理，組合梁橋的設(shè)計(jì)中，一方面需要保證傾覆軸的傾覆側(cè)具有盡可能小的車(chē)輛荷載作用，降低傾覆彎矩的大小；另一方面，設(shè)計(jì)具有較高抵抗彎矩的橋梁，例如采用中間墩雙點(diǎn)支撐，設(shè)置抗拔預(yù)應(yīng)力鋼筋以及進(jìn)行橫向傾覆預(yù)警等。

3.2 負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)

改善組合梁橋負(fù)彎矩的抗裂性能，可以通過(guò)如下手段進(jìn)行解決：

（1）橋面板滯后結(jié)合。通過(guò)先澆筑結(jié)合跨中區(qū)域的橋面板，使得鋼梁預(yù)先進(jìn)行變形，同時(shí)消除跨中區(qū)域混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合的收縮徐變效應(yīng)，最后結(jié)合負(fù)彎矩區(qū)域的橋面板，降低其開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。這種方法需要調(diào)整橋面板的現(xiàn)澆工序，可以較為方便地應(yīng)用于預(yù)制拼裝橋面板，對(duì)于完全現(xiàn)澆的橋面板，則施工工序調(diào)整較為繁瑣，降低施工效率。這種方法也大量應(yīng)用于城市高架及跨海大橋建設(shè)中，該方法可以降低開(kāi)裂可能性，但是不能完全消除。

（2）支座位移法。通過(guò)在施工中調(diào)整中支座的位移，使得負(fù)彎矩區(qū)混凝土形成預(yù)壓效果，主要實(shí)施方法是在架設(shè)完成鋼梁后頂升中支座，等橋面板澆筑完成后將中支座放到原來(lái)位置，形成預(yù)壓效果。該方法施工過(guò)程很簡(jiǎn)單，實(shí)施效果也很明顯，但是需要對(duì)中支點(diǎn)鋼梁進(jìn)行加固以方便頂升，還需要具有足夠的空間安放頂升裝置。該實(shí)施方法可以消除開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但需要進(jìn)行精確的計(jì)算分析。

（3）跨中壓重。同樣是在施工過(guò)程中，在鋼梁架設(shè)完成后，通過(guò)對(duì)中跨進(jìn)行預(yù)壓配重，并在混凝土橋面板澆筑完成后，釋放跨中壓重，使得負(fù)彎矩區(qū)形成預(yù)壓效果。跨中壓重方法僅限于中小跨徑橋梁，對(duì)于大跨橋梁增加壓重可能對(duì)鋼梁造成損傷或者形成破壞。

（4）施加中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力。在負(fù)彎矩區(qū)容易開(kāi)裂的地方，施加預(yù)應(yīng)力，使得儲(chǔ)備一定的頂板壓應(yīng)力，這些壓應(yīng)力用于抵抗運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的頂板拉應(yīng)力，從而降低頂板開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)應(yīng)力鋼束方法需要增加預(yù)應(yīng)力錨固和轉(zhuǎn)向的構(gòu)造，同時(shí)增加預(yù)應(yīng)力工序，最為重要的是預(yù)應(yīng)力的后期損失較大，需要進(jìn)行精確的計(jì)算，考慮預(yù)應(yīng)力的張拉時(shí)機(jī)和張拉噸位，才能保障運(yùn)營(yíng)期間不產(chǎn)生頂板拉應(yīng)力或者拉應(yīng)力在一定限值范圍內(nèi)。施加預(yù)應(yīng)力的方法，一般用于大跨徑的組合梁橋。

4 結(jié)論

鋼混組合梁橋具有諸多優(yōu)點(diǎn)，既能夠充分利用混凝土的抗壓性和鋼材的抗拉性能，有能規(guī)避混凝土抗裂性差及鋼材屈曲和疲勞問(wèn)題突出的缺點(diǎn)。鋼混組合梁橋能夠進(jìn)行工業(yè)化和工廠(chǎng)化的生產(chǎn)，具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。論文分析了鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，分別從彈性和彈塑性理論兩個(gè)方面推導(dǎo)了其極限承載力的計(jì)算方法，也充分掌握了鋼材和混凝土在組合梁橋的發(fā)揮效應(yīng)。通過(guò)總結(jié)鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)特性，提出了整體穩(wěn)定和負(fù)彎矩抗裂是其關(guān)鍵難題，并提出了針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵難題的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法。推進(jìn)鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)在我國(guó)的進(jìn)一步應(yīng)用。

[1]邵長(zhǎng)宇.組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展與應(yīng)用前景[J].城市道橋與防洪, 2016(9):11-15.

[2]魏光華.鋼—混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)與施工探討[J].山西建筑, 2007,33(24):338-339.

[3]馮建剛,秦志軍,趙秀文.鋼混組合箱梁橋設(shè)計(jì)與施工[J].公路交通科技 (技術(shù)版),2010,6(6):6-8.

[4]鄭和暉,巫興發(fā),黃躍,等.鋼—混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂措施[J].中外公路,2014,34(5):152-155.

U448.21+6

A

1009-7716（2017）04-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.020

2017-02-06

孫濤（1983-），男，新疆阿勒泰人，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。