大跨徑簡支鋼-混凝土組合梁橋設計研究

張永康

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

0 引言

鋼-混凝土組合梁橋是指將鋼梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接成整體并考慮共同受力的橋梁結構形式。鋼-混凝土組合梁橋相比于純鋼橋，可以減小結構高度、提高結構剛度、增強鋼梁的穩定性；相比于混凝土橋，可以減輕自重、增大跨越能力、減小地震作用、提高結構延性。同時，組合橋便于工廠化生產、施工速度快、避免中斷交通、景觀效果好，適用于城市高架橋及高速跨線橋。鑒于以上優點，近年來國內有關鋼-混凝土組合梁橋的研究和工程應用越來越多。本文針對大跨徑簡支鋼-混凝土組合梁實例進行介紹、總結及分析，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

棗莊高架橋位于棗莊市中區北環南側及環島附近北側，是嵐山至菏澤公路臨棗高速至棗木高速段的重要組成部分。該工程多次跨越城市主干路，為避免對現有道路改造，不影響道路交通，選擇60 m跨徑跨越。該跨徑已超出簡支混凝土梁橋的跨越能力，連續梁橋則需滿堂支架施工或懸臂澆筑施工，對道路交通均有影響。

鋼-混凝土組合梁橋上部鋼箱可采用工廠制作，現場節段吊裝拼接，橋面板現澆，施工質量易于保證，且施工快捷，適合跨線橋，對現有交通影響小。綜合考慮后選擇鋼-混凝土簡支組合梁橋。棗莊高架橋上部結構共有五跨鋼-混凝土組合簡支梁，鋼-混凝土組合梁選用等高度箱形截面主梁。

2 組合梁設計

2.1 技術標準

（1）設計時速：120 km/h。

（2）橋涵設計汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。

（3）結構重要性系數：1.1。

（4）凈寬：2×11.75 m。

（5）地震動峰值加速度：0.10g。

（6）設計環境類別：Ⅰ類。

2.2 結構設計

棗莊高架橋簡支鋼-混凝土組合梁跨徑為60m，選用等高箱形截面梁。橋梁單幅凈寬11.75 m，兩邊各設0.5 m寬的防撞欄。組合梁采用2.6 m梁高，高跨比為1/23，全橋橋面混凝土板厚度沿縱向統一，沿橫向負彎矩處厚45 cm，正彎矩處厚30 cm。

單幅橋梁由兩個單室鋼-混凝土組合箱梁結構組成，箱梁間距3.15 m，兩側懸挑1.5 m。鋼箱梁采用開口截面形式，梁高2.3 m。開口截面鋼箱梁每個腹板對應的上翼緣寬600 mm，厚35 mm；鋼主梁之間設置橫向連系梁，連系梁高1 000 mm，一跨共設置12道橫向連系梁，間距為6 m。鋼箱梁內沿橋縱向每3 m設置一道橫隔板。相關斷面圖如圖1、圖2所示。

圖2 鋼-混凝土組合梁支點橫斷面（單位：cm）

鋼箱梁與橋面混凝土板通過剪力連接件連接在一起共同工作，剪力連接件采用?25圓柱頭栓釘，鋼箱梁每道上翼緣共布置5列栓釘，橫向間距100 mm，沿梁軸線方向間距150 mm。橫隔板上沿橫隔板軸線方向平行布置2列栓釘。

橋面混凝土板采用鋼筋混凝土疊合板結構，由8 cm厚預制混凝土板和現澆混凝土疊合層構成。預制板寬50 cm，由預制廠加工完成后，運輸至現場安裝，并作為后澆層混凝土的模板。

為提高梁端鋼箱梁鋼板的局部穩定性，在梁端支座1.6 m的范圍內灌注C50補償收縮混凝土。

2.3 主要材料

鋼主梁、鋼橫梁、橫隔板、加勁肋鋼板等均采用Q345D級。全橋鋼結構部分均在工廠焊接完成后，運輸到橋位，現場采用摩擦型高強螺栓連接，螺栓等級為10.9級。栓釘采用?25圓柱頭栓釘。

全橋混凝土橋面板采用C50補償收縮混凝土，要求混凝土3 d抗壓強度不小于30 MPa，28 d抗壓強度應大于50 MPa。

2.4 耐久性設計

該橋鋼結構基本暴露在大氣環境下，采用油漆長效防腐體系（防腐年限15年以上）。各防腐面表面均應先進行噴砂除銹至Sa2.5級標準或SSPC-SP6標準，表面粗糙度應滿足40～80μ m。

鋼箱梁外表面的涂裝要求：

底漆——環氧富鋅底漆80 μ m；

中間漆——環氧云鐵中間漆100μm；

面漆——聚氨脂面漆兩層各40μ m，共80 μ m。

涂層厚度共計260 μ m。

鋼箱梁內表面的涂裝要求：

底漆——環氧富鋅底漆80 μ m；

中間漆——環氧云鐵中間漆100 μ m；

面漆——聚氨脂面漆一層40 μ m。

涂層厚度共計220 μ m。

3 組合梁計算分析

3.1 計算模型

取60 m鋼-混凝土組合梁進行計算，采用橋梁博士軟件建立桿系有限元模型，混凝土板與鋼主梁采用組合截面模擬（見圖3）。為簡化計算分析過程，采用如下假定：

（1）鋼材與混凝土均視為理想線彈性材料。

（2）忽略混凝土板與鋼主梁之間的滑移作用，兩者視為剛性黏結。

（3）模型中只考慮活載作用一片主梁，利用修正偏心壓力法計算橫向分布系數。

（4）考慮箱梁在活載偏載下的翹曲正應力，取偏載系數為1.2。

圖3 60 m鋼-混凝土組合梁模型圖

3.2 荷載工況

主橋結構靜力計算包括施工階段和運營階段兩部分：施工階段荷載為結構恒荷載、臨時支撐以及混凝土的收縮徐變；運營階段荷載為汽車荷載和溫度作用（整體溫度荷載和梯度溫度荷載）。

施工階段劃分：架設鋼梁（包含臨時支撐）→澆筑混凝土橋面板→混凝土形成組合作用→撤除臨時支撐→二期恒載→收縮徐變10年。

汽車荷載采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）規定的公路一級車道荷載，并考慮活載修正系數K=橫向分布系數×橫向折減系數×偏載系數×沖擊系數。

溫度荷載：整體升降溫采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）的規定；梯度溫度采用《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）的規定。

3.3 主梁橫向分布系數計算

采用考慮箱梁組合梁抗扭剛度的修正偏心壓力法計算跨中主梁橫向分布系數，采用杠桿原理法計算支點處鋼主梁的橫向分布系數（見圖4）。計算結果表明靠近支點1/4跨部分橫向分布系數由1.906過渡到1.223，此系數已考慮車道折減。計算時需另外考慮偏載系數及汽車荷載沖擊系數，偏載系數取1.2。

圖4 全橋橫向分布系數示意圖

3.4 計算結果

標準組合下，成橋階段鋼梁上下翼緣及混凝土頂面應力圖如圖5所示。

圖5 成橋階段鋼梁上下翼緣及混凝土頂面應力圖

基本組合下，運營階段鋼梁上下翼緣及混凝土頂面應力圖如圖6所示。

圖6 運營階段鋼梁上下翼緣及混凝土頂面應力圖

在成橋階段及運營階段，鋼梁及混凝土頂板強度都滿足設計要求。

基本組合下，主梁在支座處的剪力為6 461 kN，主梁抗剪承載力為155×（2×22×2 085）/1 000=14 219（kN），抗剪承載力滿足要求。

橋梁在汽車荷載作用下的撓度驗算見表1。

表1 簡支組合梁汽車荷載作用下的撓度指標

汽車荷載作用下的撓跨比均小于1/600，滿足規范要求。

3.5 主梁構造驗算

3.5.1 腹板厚度驗算

參考《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）第5.3.3條要求，腹板最小厚度應滿足以下要求：

對于腹板設置橫向加勁肋，不設置縱向加勁肋的Q345鋼主梁而言，

由整體計算可知，基本組合下腹板最大剪應力為65.4 MPa，鋼梁腹板高度為2 052 mm，腹板厚度為22 mm，抗剪強度設計值為155 MPa，則計算可知：腹板厚度2 052/140=9.5（mm），設計腹板厚度t=22 mm，大于9.5 mm，則腹板厚度滿足要求。

3.5.2 橫向加勁肋間距驗算

參考《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）第5.3.3條要求，腹板橫向加勁肋的間距a應滿足以下要求：

（1）腹板橫向加勁肋的間距a不得大于腹板高度1.5hw。

（2）對于不設置縱向加勁肋時，橫向加勁肋的間距a應滿足以下要求：

計算可得1.5hw=3 078 mm，鋼主梁橫向加勁肋設計間距a為1 000 mm，小于3 078 mm，滿足構造要求。

由整體計算可知，基本組合下腹板剪應力為65.4 MPa，受壓翼緣腹板正應力為125.5 MPa，鋼梁腹板高度為2 052 mm，腹板厚度為22 mm，橫向加勁肋間距為1 000 mm，由于a/hw＜1，因此選用式（4）驗算橫向加勁肋間距，計算可知：

因此通過以上計算可知，橫向加勁肋間距滿足規范要求。

3.5.3 橫向加勁肋尺寸驗算

參考《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）第5.1.5條要求，受壓板件加勁肋（板肋）幾何尺寸應滿足以下要求：

由設計文件可知，受壓腹板設置橫向加勁肋，加勁肋尺寸為150 mm×16 mm，加勁肋的寬厚比為9.375，小于12。

該工程中，箱形組合梁的支座處采用灌注混凝土的方式提高支座處的局部承壓能力，故不需要驗算支承處的橫隔板。

3.6 抗剪連接件驗算

該橋鋼梁與混凝土橋面板之間采用?25×180栓釘連接件，參考《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）第7.2.1條可知，單個栓釘抗剪連接件的抗剪承載力設計值采用下式較小值。

（1）當發生栓釘剪斷破壞時，

（2）當發生混凝土壓碎破壞時，

根據計算可知，半跨范圍內縱向剪力設計值為79 545 kN，抗剪承載力則抗剪連接件最小數目為79 545/133.5=596（個），半跨范圍內單個鋼梁共配置1 840根栓釘，大于596個，因此栓釘連接件抗剪驗算滿足要求。

4 結 語

（1）60 m簡支鋼-混凝土組合梁橋在成橋階段及運營階段的各部分應力均滿足規范要求，主梁構造措施也滿足規范要求，但根據文獻，橫向連系梁對組合梁橋荷載橫向分配系數的影響不大，以后設計中可減少橫向連系梁數量，以減少用鋼量。

（2）該橋組合梁截面抗彎承載力采用彈性計算，后續類似設計中可考慮與采用塑性設計進行比選。

（3）簡支組合梁橋在施工階段設置臨時支撐，待鋼梁與混凝土橋面板形成組合作用后拆除，可以有效改善鋼梁受力。

（4）鋼-混凝土組合橋梁是一種高強、高性能的材料組合，也是一種高效、經濟的施工技術。在國外中小跨度橋梁中，鋼-混凝土組合橋梁以經濟和技術兩方面的優勢獲得廣泛應用，占據絕對比例優勢。對比之下，我國簡支鋼-混凝土組合橋梁具有廣闊的應用前景。