中小跨徑雙主梁形式鋼板組合梁截面優化設計

張冠華, 李文全, 姜 旭

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110000； 2.同濟大學土木工程學院，上海 200092)

鋼-混組合梁橋因其具有自重輕、承載能力高、抗震性能好，施工便捷等優點[1-4]，在日本、歐美等發達國家已得到了廣泛的應用。過去，受經濟社會發展水平和鋼材產能制約，中國鋼結構橋梁主要用于特大跨徑[5-6]，在中小跨徑橋梁領域中的應用很少。

近年來，隨著鋼鐵產能的不斷提高和鋼結構橋梁建設技術的持續進步，中國已經具備推廣鋼結構橋梁的物質基礎和技術條件，同時鋼鐵產能過剩、鋼材價格下降，為推進鋼結構橋梁建設、提升公路橋梁建設品質提供了良好的契機[7-10]。

鋼-混組合梁橋具有優異的結構性能，結合預制拼裝技術，能夠有效實現中小跨徑橋梁建設的工廠化、標準化及信息化[11]。但是，目前中國尚未推出中小跨徑組合梁橋標準圖集，限制了組合梁的推廣及其施工便捷性能的發揮。因此，通過對典型跨徑中小鋼板組合橋梁合理梁高及板件配置進行研究，以期為中小跨徑組合梁橋設計標準及通用圖的制定提供理論依據。

1 背景工程

跨徑5×30 m的組合梁橋鋼主梁采用Q390工字形直腹板鋼梁，雙主梁間距8 m，主梁間采用橫梁加強橫向聯系，橋面板采用C40現澆混凝土。以其中5×30 m的鋼混組合連續梁為主要研究對象，其鋼梁高度為1.65 m，上翼緣寬800 mm、厚度25～32 mm，下翼緣寬800 mm、厚度32～54 mm，腹板厚度分為14～22 mm，腹板設置豎向加勁肋。混凝土橋面板寬度為12.5 m，在腹板中心線上方厚度為35 cm，跨中厚度為25～35 cm，翼緣懸臂端部為18 cm。剪力釘與砼形成合成橋面板，整體受力。

跨徑5×35 m的組合梁橋橋面寬度為凈寬9 m，防撞墻0.5 m，橋面全寬10 m。上部結構為雙主梁鋼板組合梁，主梁間距為6 m，主梁間采用橫梁加強橫向聯系。鋼主梁采用Q345工字形直腹板鋼梁，梁高1.9 m，上翼緣寬700 mm、厚度20～40 mm，下翼緣寬900 mm、厚度28～50 mm，腹板厚度分為24、20、16 mm，腹板設置豎向加勁肋。橋面板采用縱向分段、橫向全寬變截面預制板，縱向節段之間采用鋼筋混凝土濕接縫連接。橋面板在腹板中心線上方厚度為35 cm，跨中厚度為27～35 cm，翼緣懸臂端部為20 cm。橋面板通過剪力釘群與鋼主梁結合。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型

采用通用有限元程序ANSYS建立梁-實體模型，其中鋼結構板件采用BEAM188梁單元模擬，混凝土板采用SOLID185實體單元模擬，鋼梁與混凝土之間的剪力釘采用COMBIN14彈簧單元模擬。鋼材容重為78.5 kN/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，線膨脹系數為1.2×10-5；混凝土容重為26 kN/m3，泊松比0.2，線膨脹系數為1.0×10-5，C40混凝土彈性模量為3.25×104MPa，C50混凝土彈性模量為3.45×104MPa。剪力釘的抗剪剛度為4.2×105kN/m，抗拉剛度為2.5×107kN/m。鋼梁及混凝土節段有限元模型分別如圖1、圖2所示。為便于后文的描述，對結構支點及分跨進行編號，如圖3所示。

圖1 鋼梁節段有限元模型

圖2 混凝土板節段有限元模型

圖3 結構支點及分跨編號

2.2 荷載及作用

考慮一期恒載、二期恒載、收縮徐變、不均勻沉降、溫度效應、車輛荷載等多種荷載或作用，并按規范進行荷載組合。

驗算時主要考慮跨中和中支點兩處最不利截面，且由于沿縱橋向為對稱結構，因此僅需對半橋進行驗算。驗算時不同梁段采用不同截面尺寸，分析時取相對應關鍵截面結果(圖4、圖5)。

圖4 5×30 m組合梁橋關鍵截面位置及編號

圖5 5×35 m組合梁橋關鍵截面位置及編號

2.2.1 恒載

為充分考慮施工過程對組合截面應力形成的影響，計算一期恒載時采用生死單元法模擬施工過程，其中，鋼梁的自重通過施加慣性荷載由模型自動引入，故鋼的材料密度取78.5 kN/m3；混凝土的自重通過在鋼梁上翼緣施加面荷載手動引入，故混凝土的材料密度取0。按橋梁的施工順序依次激活相應構件及荷載。二期恒載包括橋面鋪裝及欄桿重。

2.2.2 徐變收縮

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)11.1.3節第5條規定，采用折減后的混凝土彈性模量計算混凝土徐變影響。

由于混凝土的收縮與徐變同時作用于組合梁，故計算收縮效應產生的內力時，要同時考慮徐變對混凝土彈性模量的折減以及收縮作用，其中收縮可通過等效為溫度荷載引入模型。

2.2.3 基礎變位

橋墩基礎不均勻沉降按10 mm考慮。分別考慮各關鍵截面的最不利受力情況進行沉降組合，沉降工況如表1所示。

表1 支座沉降工況

注：工況編號中“SE”代表支座沉降，SE-1～SE-5代表不同支座沉降的5種組合情況。

2.2.4 溫度荷載

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)相關規定，溫度荷載考慮均勻溫度作用和梯度溫度作用，分別有以下4種情況：①整體升溫；②整體降溫；③豎向梯度升溫T1=14 ℃、T2=5.5 ℃(圖6)；④豎向梯度降溫，為豎向溫度升溫乘以-0.5。

A為混凝土結構，當梁高H小于400 mm時，A=H-100(單位：mm)；梁高H大于或等于400 mm時，A=300 mm；帶混凝土橋面板的鋼結構A=300 mm；t為混凝土橋面板的厚度(單位：mm)

2.2.5 汽車荷載

汽車活載采用公路-I級汽車荷載，橫橋向考慮偏載布置，即車道荷載在滿足車道間距的前提下盡可能往橋面一側布載，車道橫向折減系數按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)取值。縱向根據各關鍵截面選擇最不利均布荷載qk和集中荷載Pk的加載位置(圖7)，其中工況Z1～工況Z5分別對應關鍵截面1～5的最不利加載情況。

圖7 車道荷載縱橋向布置

3 計算結果及分析

針對5×30 m和5×35 m兩種跨徑，分別取不同梁高進行建模，并對板件尺寸及厚度進行調整，保證不同梁高模型的關鍵截面應力水平相近，使配板結果具有可比性。調整優化后各梁高對應的板件尺寸如表2、表3所示。

表2 5×30 m跨徑優化后各梁高板件尺寸

注：A～I如圖4所示代表5×30 m組合梁不同梁段。

表3 5×35 m跨徑優化后各梁高板件尺寸

注：A～I如圖5所示代表5×35 m組合梁不同梁段。

兩種跨徑橋梁邊跨跨中撓度及單位面積用鋼量隨梁高的變化如圖8、圖9所示。圖8(a)、圖9(a)表明，由于梁高的增加使結構剛度增大，邊跨跨中撓度隨著梁高的增加逐漸減小，且基本呈線性關系，均遠小于《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)第4.2.3條規定的簡支或連續板梁L/500的撓度限值。

圖8(b)、圖9(b)表明，單位面積用鋼量隨著梁高的增加而減少，但當梁高增加到一定程度時，用鋼量的下降速度明顯放緩。結合表2、表3可知，隨著梁高的增加，上下翼緣的寬度減小，但為滿足鋼梁上翼緣剪力釘布置需要，其寬度不可無限制減小，因此若梁高繼續增加用鋼量勢必出現反彈。此外，出于城市橋梁對橋下凈空的限制，梁高的增加會導致路面墊高、引橋加長等一系列附加成本，對橋位處的通行視線和景觀也會造成一定的影響。綜合考慮以上因素，最終分別選擇1.9 m和2.1 m作為5×30 m和5×35 m兩種跨徑的雙主梁鋼板組合梁橋的推薦梁高。

圖8 5×30 m跨徑跨中撓度及用鋼量隨梁高的變化

圖9 5×35 m跨徑跨中撓度及用鋼量隨梁高的變化

4 結論

(1)對于中小跨徑鋼-混組合橋梁，跨中撓度及單位面積用鋼量均隨梁高的增加而減小。其中撓度的減小與梁高的增加基本呈線性關系，而用鋼量的減小速度隨梁高的增加逐漸放緩。

(2)當梁高增加到一定程度時，截面開始受構造要求、視覺效果和城市空間等因素的限制，梁高產生的剛度和經濟性的優勢逐漸消失。

(3)綜合考慮以上因素，最終分別選擇1.9 m和2.1 m作為5×30 m和5×35 m兩種跨徑的雙主梁鋼板組合梁橋的推薦梁高。