鋼混組合梁橋在異型橋設計中的應用

許偉龍

摘 要：隨著城市建設擴張，快速路成為連接新老城區與的重要交通線，高架橋梁是高架道路的承重結構形式，其中鋼混組合梁橋是通過剪力連接件形成混凝土與鋼的組合構件組成的橋梁，受力性能兼具混凝土橋和鋼橋的優點。在異型橋的設計中，采用鋼混組合梁橋可以避免設計多室箱梁、搭設滿堂支架、制作復雜模板，設計經濟合理，施工便利。該文針對異型鋼混組合梁橋采用Midas Civil梁格法計算內力分布，論證其在橋梁設計中的應用。

關鍵詞：鋼混組合梁橋；剪力連接件；異型橋；梁格法

中圖分類號：U44 文獻標志碼：A

0 引言

我國的高架橋梁上部結構以混凝土梁為主，鋼梁為輔，混凝土橋往往需要搭設滿堂支架、張拉預應力鋼束等工序，施工煩瑣，加上混凝土的自身缺陷和性能退化使其耐久性不良，鋼橋的脆性疲勞、屈曲失穩、腐蝕等問題不可避免。從全壽命經濟性設計角度看，鋼混組合梁橋能揚長補短，使結構設計、施工、維護更合理。

1 鋼混組合梁橋概念

鋼混組合梁橋是截面內由鋼和混凝土連接而成的組合構件組成的梁式橋，按鋼梁形式分為組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合鋼桁架梁橋。通常情況下，先吊裝鋼梁，在鋼梁上澆筑或安裝橋面板，待形成整體截面后施工其他荷載。

2 異型橋梁設計方法

在城市高架道路設計中，匝道口、轉換段往往是異型橋梁，其構造較為復雜，受力呈現空間特性。目前多采用預應力混凝土箱梁，具有抗扭剛度大，整體性優良的特點。但是異型結構自身的復雜構造導致箱梁構造復雜，如曲線折線腹板、箱室不連續、橫梁多樣和預應力鋼筋布置煩瑣等，且在施工中需要搭設支架、張拉鋼束、普通鋼筋綁扎、制作模板等工序制約著工程進度。針對混凝土箱梁的缺點，鋼混組合梁橋能發揮組合結構的優勢，應用到異型橋梁中，避免設計復雜異型箱梁，又能解決異型橋梁受力性能計算。施工免于搭設支架、張拉鋼束，減少鋼筋工作量。所以從設計合理性、施工便利性、運營耐久性等全壽命成本看，鋼混組合梁橋是具有顯著的優勢。

鋼混組合梁應用到異型橋時，用構造簡單的鋼梁替代混凝土腹板和底板，免除不規則的箱室分布。鋼梁沿著橋梁主受力方向布置，支撐混凝土板和施工荷載，在其上澆筑或拼接橋面板，形成鋼材與混凝土共同承受使用荷載的組合結構橋梁。

混凝土箱梁和鋼混組合梁，異型橋梁推薦采用剪力—柔性梁格法計算結構受力。剪力—柔性梁格法非常適用于曲線橋梁和異型橋梁的計算，它的基本思想是將橋梁上部結構用剛度等效的梁格來模擬，當橋梁承受相同荷載時，原結構和等效梁格結構的撓曲相同，且每一縱梁的內力等于其等效的梁體的內力。梁格法的基本步驟是將梁整體截面按腹板位置劃分，劃分原則是縱梁形心高度與箱梁的形心高度一致，縱梁的位置與腹板相重合，然后通過橫向構件連接成整體。

3 鋼混組合梁橋設計

將橋面混凝土板與鋼梁通過連接件共同作用的組合梁起源于20世紀30年代，我國近年來開始關注鋼混組合梁橋。在常規橋梁設計中，組合梁橋憑構造簡單，施工簡便而應用廣泛，其設計主要包括如下部分。

3.1 鋼梁

鋼梁的形式有鋼板梁、鋼箱梁和鋼桁架梁，梁式橋主要采用鋼板梁或鋼箱梁，組合鋼板梁橋因其開口截面，因此在安裝和維護上更便利，但開口截面抗扭慣性矩小，整體性能差，在受力不明確的異型橋梁謹慎使用。鋼箱梁分為槽形鋼梁和閉口鋼梁。鋼梁形式應根據橋梁總體方案確定，滿足施工期間的承載力與穩定性，一般除了規則橋梁采用鋼板梁，其他情況采用鋼箱梁。

3.2 橋面板

橋面板既作為組合斷面的一部分參與整體受力，也直接承受車輛輪壓作用。橋面板是組合梁中最為關鍵的部位，但因其存在開裂和剪力鍵疲勞破壞等問題，也成為設計難點。橋面板橫向可采用普通鋼筋或預應力鋼筋混凝土，在支點負彎矩區域張拉縱向預應力鋼束或預加壓力以控制橋面板開裂。橋面板分為現澆、預制及疊合板?，F澆板整體性好，但模板耗工費時。預制板直接安裝在鋼梁和橫梁上翼緣，接縫處澆筑混凝土，但對接縫處的鋼筋搭接和預制板邊緣槽口要求較高。

3.3 連接件

連接件起到連接鋼梁與混凝土板作用，有焊釘、開孔板、型鋼形式。組合梁橋的連接件主要為圓柱頭焊釘，保證焊釘的抗剪和抗拔承載力。焊釘布置通常結合鋼梁上翼緣行走支架的預留軌道空間。

4 工程實例

該文以高架橋梁的變寬段為例，采用鋼混組合梁橋方案，選擇鋼梁和橋面板形式，建立有限元梁格模型，模擬組合梁的施工階段和成橋分析，論證鋼混組合梁橋在城市高架橋中的應用。

4.1 工程概況

某高架橋梁連接城區與副城，其中在高架出口有變寬段，橋梁呈異型構造，寬度從25 m漸變到35 m，跨徑布置3×35 m。擬采用預應力混凝土箱梁或鋼混組合梁。

4.2 工程方案

考慮到混凝土箱梁要支架澆筑、綁扎鋼筋、張拉鋼束等工序，且箱室倒角模板復雜，因此選擇鋼混組合梁，鋼梁采用分箱式槽形箱梁，腹板焊接翼緣板和縱向加勁肋，底板焊接縱向加勁肋，箱梁縱向間距3.5 m設置橫隔板和橫梁，橫隔板相間設置箱梁橫隔系，橋面板采用變厚度預制板，每個腹板上方橫行焊接4排圓柱頭焊釘，如圖1、圖2所示。

4.3 組合梁計算

采用剪力—柔性梁格法計算組合梁內力，每個分箱為縱梁，橋面板為虛擬橫梁，懸臂端設置虛擬縱梁便于施加護欄重量。由于分兩階段施工，第一階段吊裝鋼梁并安裝橫梁，施加橋面板濕重和施工荷載，第二階段組合橋面板并澆筑接縫，施加二期恒載和使用荷載。同一截面分階段施工可用MIDAS施工階段聯合截面模擬。橋面板計算單獨建立橫向模型，計算橋面混凝土板橫向配筋，如圖3、圖4所示。

4.4 計算結果

第一階段計算同全鋼橋梁，控制構件的應力強度。第二階段利用表格查看聯合截面混凝土和鋼的應力、構件內力和變形，并根據內力計算頂緣裂縫。

5 結論

通過對鋼混組合梁橋的研究和計算，對于異型橋梁采用鋼混組合梁時應注意以下幾點：

（1）異型橋梁采用鋼混組合梁橋能避免混凝土箱梁的缺點，設計經濟合理，施工便利快速，在橋梁建設領域推廣。

（2）組合梁在鋼梁形式選擇時，因結合橋梁總體方案，梁式規則橋梁采用鋼板梁，其他橋梁采用鋼箱梁。鋼梁的局部穩定和疲勞強度計算同全鋼橋梁。

（3）負彎矩區橋面板開裂是組合結構自身特點決定的，可采用張拉預應力鋼束法、預加荷載法、支點位移法。

（4）橋面板計算同常規橋面板計算，采用普通鋼筋或預應力鋼筋混凝土板。

（5）鋼混組合梁的變形要考慮滑移效應的折減剛度，注重其他細節如腹板上翼緣鋼筋搭接、橋面分塊和留槽等設計。

參考文獻

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