預制組合鋼板梁橋縱橫梁鋼-混結合段局部構造分析

孫一鳴

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 預制組合鋼板梁橋簡介

城市高架橋標準跨徑一般小于35 m，其中絕大多數采用普通鋼筋混凝土或預應力混凝土結構。最近幾年采用組合結構橋梁趨勢越來越明顯。

預制組合鋼板梁橋主梁采用焊接或者軋制工字鋼截面，全部在工廠中制作加工。鋼筋混凝土橋面板部分在工廠中預制，部分現澆。支點處鋼梁之間不直接連接，而是通過現場澆筑的混凝土橫梁連系前后。這種橋梁結構的現場施工不需要設置模板，無焊接操作，避免限制下方交通，對周邊環境影響小，且能極大地縮短工期。

圖1～圖3所示為一典型預制組合鋼板梁橋。

圖1 預制組合鋼板梁橋實橋

2 國內某工程實例

（1）某工程概況

圖2 預制組合鋼板梁橋的疊合橋面板

圖3 澆筑支點橫梁及支點附近區域混凝土

西南某省省會城市某主干路周邊區域發展日趨成熟，隨之而來的是交通流量的不斷增加，該主干路無法滿足未來的交通發展需求，并且其沿線的軌道交通、高速公路跨線橋等項目已在施工或準備開工，快速化改造工程已勢在必行，并且是迫在眉睫。

為適應工程建設速度，減少工程建設對周邊環境影響，采用上述結構型式橋梁。

（2）橋梁總體布置

主線高架橋標準段采用30 m連續組合鋼板梁橋，3～6孔一聯，橋面總寬25.0 m，梁高1.4 m，橋面橫坡2%，見圖4。

主梁橫向共11片預制小組合梁，小組合梁之間橫向間距為2.3 m，單片鋼主梁設計成工字型結構，主梁只在邊墩及中墩墩頂處設置混凝土橫梁聯結各小組合梁，其余位置各組合梁之間不設置橫向連接系，依靠混凝土橋面板來橫向分配荷載。

圖4 立面布置圖（單位:m）

底層混凝土橋面板采用C50混凝土，中梁處寬2 290 mm，邊梁處寬1 995 mm，厚100 mm。底層混凝土板采用分塊預制。頂層混凝土橋面板采用C50混凝土，總寬25.0 m，厚20 cm，采用現場澆筑的方式。

跨中、支點橫斷面見圖5、圖6。

圖5 跨中橫斷面圖（單位:m m）

圖6 支點橫斷面圖（單位:mm）

（3）縱橫梁鋼-混結合段局部鋼結構構造

在一孔30 m標準跨鋼梁端部焊接橫向封板，端封板總寬為2 300 mm與主梁橫向間距相同，高1 080 mm，厚為14 mm。鋼梁中支點處底板厚度為24 mm，腹板厚16 mm。相鄰兩孔梁在澆筑支點混凝土前通過錨固螺栓進行連接，見圖7。

3 縱橫梁鋼-混結合段局部計算分析

下面采用通用有限元程序ANSYS，分析鋼-混結合段處橫梁混凝土受力情況，主要研究混凝土體應力情況。

（1）確定模型范圍

局部模型的縱向范圍為中支點前后各5.6 m，橫向范圍為腹板左右各1.15 m。局部模型范圍內剪力釘按設計圖全部建出。

（2）材料參數取值

圖7 縱橫梁鋼-混結合段處鋼梁構造圖（單位:mm）

鋼材：Q345qD，質量密度 78.5×10-6N/mm3，彈性模量2.06×105MPa，線膨脹系數12×10-6/℃，泊松比0.3。

混凝土：C50，質量密度 26×10-6N/mm3，重量作為荷載加載，彈性模量3.5×104MPa，線膨脹系數 1×10-5/℃，泊松比 0.2。

（3）單元類型及實常數

按照設計圖紙通過ANSYS板殼-實體模型進行實橋模擬。鋼結構板件采用Shell63單元模擬，每個單元有4個節點，每個節點有6個自由度（3個平動自由度和3個轉動自由度），板殼厚度按設計；混凝土板采用Solid45單元模擬，該單元有8個節點，每個節點有3個平動自由度；剪力釘采用combin39單元模擬，其中，每個剪力釘處設x、y與z方向三個單元，分別模擬剪力釘的兩個剪切方向剛度以及軸向剛度，剪切方向的剛度kss=13.0dss向剛度。有限元彈簧單元示意見圖8。

圖8 有限元彈簧單元示意圖

在鋼梁頂板與混凝土交界面設置接觸單元準確模擬鋼與混凝土的關系，采用contact173和target170單元，見圖9～圖11。

圖9 模型全部單元

圖10 鋼與混凝土間的接觸單元

圖11 鋼結構結合段單元

（4）邊界條件及加載

將支座位置節點施加Ux、Uy、Uz三向約束。

在梁端面建立節點剛性區，在梁端中性軸位置建立剛臂，在單梁模型中讀取標準組合最不利工況內力，通過節點集中力加載在剛臂端，見圖12。

圖12 支撐邊界條件及梁端荷載

（5）計算結果

通過計算可得出混凝土應力大小情況，分別沿縱向和橫向截取橫梁范圍內混凝土關鍵截面處的應力情況，見圖13～圖16。

圖13 鋼板梁中心線位置順橋向剖面主壓應力（單位:MPa）

圖14 距梁鋼板梁中心線0.1m位置順橋向剖面主壓應力（單位:MPa）

圖15 墩位中心線位置橫橋向剖面主壓應力（單位:MPa）

圖16 橫梁混凝土與鋼梁交界面橫橋向剖面主壓應力（單位:MPa）

由上述細部分析應力結果可知，標準組合下，工字形鋼梁與混凝土橫梁交界面上，底板和腹板下段附近區域，橫梁混凝土主壓應力達到30 MPa，超過了《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（JTG D62-2004）》中規定的的材料抗壓強度。

4 縱橫梁鋼-混結合段局部受力優化

分析上述計算結果，中支點鋼板梁縱向鋼梁與橫向混凝土梁連接處在負彎矩作用下鋼板梁腹板下段和底板受壓，有插入混凝土橫梁的趨勢，抵抗這種插入趨勢的構造是端封板，端封板就是鋼-混結合段的承壓板。鋼板梁板厚很薄，此處負彎矩值又很大，如果端封板不能很好的限制鋼板梁插入混凝土橫梁，鋼板梁對于混凝土產生集中應力，混凝土橫梁尤其是交界面處局部壓應力很可能超標。所以此處合理的構造應是采用面外剛度很大的端封板，簡而言之就是采用一塊足夠厚的承壓板。

本項目端封板厚度是14 mm，面外剛度還無法滿足要求，下面參考國外規范擬定端封板厚度，然后修改有限元模型參數重新驗算。

如圖17所示，鋼板梁下翼緣與混凝土橫梁接觸處壓力最大，厚度為tf下翼緣經厚度為tcp的端封板傳遞后，在混凝土橫梁上的作用厚度為tc。

圖17 局部承壓混凝土承壓面積的確定

參考EN1992-1-1，6.7條規定，混凝土在由端封板傳力后，最大局部承壓抗力。故tcp只要大于2tf倍即可完全發揮與其接觸的混凝土局部承壓抗力，再厚混凝土局部承壓抗力也不會增加。

故取混凝土承壓板厚度為48 mm。

經重新計算后，得到混凝土應力見圖18、圖19。

圖18 鋼板梁中心線位置順橋向剖面主壓應力（單位:MPa）

重新計算得到的橫梁混凝土主壓應力結果小于22.4 MPa，滿足規范要求。

圖19 橫梁混凝土與鋼梁交界面橫橋向剖面主壓應力（單位:MPa）

由此證實加厚端封板能夠減小鋼板梁對混凝土橫梁產生的壓應力。

另外將混凝土橫梁高度加高，超出鋼板梁下緣，取消混凝土橫梁范圍內的底板鋼板，這樣對于混凝土橫梁局部承壓更有利，同時節省鋼材。

5 縱橫梁鋼-混結合段鋼結構細節構造

根據結構受力情況，鋼-混結合段處應采用2種不同的構造型式：

（1）鋼-混結合段一直受負彎矩作用時，鋼主梁與混凝土橫梁只要通過厚的端封板連接，見圖20；

圖20 通過厚端封板連接的縱橫梁鋼-混結合段

（2）鋼-混結合段受正負彎矩交替作用時，鋼主梁與混凝土橫梁要通過厚的端封板和混凝土內錨拉板連接，見圖21。

圖21 通過厚端封板和錨拉板連接的縱橫梁鋼-混結合段

對應2種不同的構造型式的焊接方式如下：

鋼-混結合段一直受負彎矩作用時，采用角焊縫連接鋼主梁與端封板，見圖22；

圖22 采用角焊縫連接鋼主梁與端封板

鋼-混結合段受正負彎矩交替作用時，采用全熔透焊連接鋼主梁與端封板，見圖23。

圖23 采用全熔透焊連接鋼主梁與端封板

6 混凝土橫梁構造

德國設計規范及DIN104對此類型橫梁及其最小尺寸進行了規定。當支座直接支撐在主梁下時，中支點處橫梁寬度不應小于60 cm；當支座不是直接支撐在主梁下方，如支撐在橫梁上時，中支點橫梁寬度不應小于80 cm。另外，當下翼緣承受拉力，混凝土橫梁內應配環筋與鋼結構上焊釘搭配，見圖24。

7 結語

圖24 混凝土橫梁構造細節

預制組合鋼板梁橋（VFT-bridge）在德國、波蘭和澳大利亞等國使用較多，多用于跨線橋。該橋型的最大亮點是其施工對下部交通影響極小，而這是由于其在支點設置混凝土橫梁，施工時無現場焊接操作，只需在橋墩墩頂處澆筑少量混凝土的緣故。鋼主梁與混凝土橫梁的連接是此種橋型的必要的關鍵的構造。本文認為預制組合鋼板梁橋縱橫梁鋼-混結合段設計要點如下：

（1）縱橫梁鋼-混結合段處端封鋼板要有足夠的厚度以保證混凝土橫梁的局部受力。但端封板也不是越厚越好，當達到一定厚度以后，其下混凝土橫梁局部承壓抗力不再增加。

（2）橫梁混凝土底緣最好低于鋼梁下翼緣，即橫梁梁高略高于縱梁。這樣可以使鋼梁下翼緣處的壓力分攤到更大面積的混凝土橫梁上。

（3）若縱橫梁鋼-混結合段受正負彎矩交替作用，應設計錨拉板構造，鋼梁與端封板的連接建議采用全熔透焊，因為全熔透焊的疲勞等級比較高。

[1]JTG D62－2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

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