大比例邊跨連續梁橋鋼-混凝土組合結構解決方案

徐永成，丁 毅（山東省交通規劃設計院有限公司，山東 濟南 250031）

引言

對于懸臂澆注的大跨度預應力混凝土連續梁橋，合理的跨徑布置取值可以平衡各截面的內力，以滿足設計的要求。目前國內外很多文獻做了相關研究并給出合理取值范圍，變截面連續梁邊中跨比通常在0.5～0.8間取用，大跨度預應力混凝土連續梁可取0.6～0.65，按這個比值分孔，既有利于充分發揮懸臂施工的特點，也對抑制邊跨梁端開裂有利，各跨受力比較均勻。但對于少數大跨徑變截面連續梁橋受地形等條件制約，邊中跨比無法在合理區間取值，有的甚至接近1.0，對邊跨彎矩及剪力影響較大，受力不盡合理，施工也相當困難，給工程人員帶來了很大困擾。對于大比例邊跨連續梁橋計算難的問題，從設計上有兩種解決思路：（1）邊跨采用預應力混凝土結構形式，通過增加梁高，配置體內、體外預應力束聯合分擔荷載受力方案；（2）邊跨采用鋼-混凝土組合梁結構形式，可減輕邊跨的自重，從而有效降低邊跨跨中正彎矩和支座負彎矩。

1 工程背景

武西高速公路桃花峪黃河大橋位于鄭州市西北，鄭州與焦作跨黃河交界處，北接線連接河南省干線公路鄭新高速公路，南接線連接國道主干線連霍高速公路，大橋全長7 702.89 m，該項目于2013年建成通車。其中副橋采用50 m +10×80 m連續-剛構組合梁橋，副橋一側邊中跨比達到1.0，給設計帶來了很大挑戰。

原實施方案按照思路（1）進行設計，80 m大比例邊跨直線段采用普通預應力混凝土結構形式，為了抵抗較大剪力和彎矩，邊跨梁高取4.0 m，采用三向預應力體系。其中80 m大比例邊跨為了滿足結構受力要求，在布置14束15-27體內縱向底板束之外又布置了10束15-22縱向體外束，見圖1。

1.1 方案二：鋼-混凝土組合梁方案設計

鋼-混凝土組合梁橋是中小跨徑公路橋梁中應用最廣泛的組合橋梁結構形式，具有自重輕、承載能力高、構造簡單、施工便捷等優點，因此設計方案中將邊跨等截面的40 m直線段范圍內的預應力混凝土箱梁替換為鋼-混凝土組合梁結構形式，典型斷面見圖2。在恒載及活載作用下，組合梁截面主要承受正彎矩，鋼梁受拉，混凝土橋面板受壓，可充分發揮鋼和混凝土兩種材料的力學性能。

圖2 鋼-混組合方案典型斷面（cm）

由于活載偏心加載作用以及輪壓直接作用在箱梁的頂板上，使得箱梁斷面發生橫向彎曲及畸變變形，為減少鋼箱梁發生這種變形，增加整體剛度，防止過大局部應力，需要在箱梁的支點處和跨中設置橫隔板。鋼箱梁內部橫隔板包括中間橫隔板和支點橫隔板，除限制鋼箱梁的畸變和橫向彎曲外，支點橫隔板還起到分散支點反力的作用，鋼箱梁每4 m布置一道橫隔板，橫隔板斷面見圖3。

圖3 鋼-混組合方案橫隔板斷面（cm）

1.2 方案計算

1.2.1 計算模型及工況

采用Midas Civil建立梁橋計算模型，見圖4。按照實際施工過程考慮計算工況，見表1。

圖4 空間計算模型

表1 計算工況

1.2.2 主要計算結果（1）抗彎計算

兩個方案的組合作用下邊跨彎矩及活載作用下最大變形見表2。可以看出，方案二的邊跨內力低于方案一，活載變形比方案一稍大，可以得出鋼-混凝土組合梁剛度比預應力混凝土梁剛度小，但仍在規范允許的撓跨比范圍內。兩個方案各工況應力及最大變形見表3。結果顯示，鋼梁上翼緣最大壓應力-52.81 MPa，鋼梁底板最大拉應力169.42 MPa，混凝土橋面板上表面最大壓應力-18.03 MPa，均滿足材料的允許應力要求。為減小主梁在正常使用階段出現過大撓曲變形，鋼箱梁在工廠制作時應預先設置預拱度，鋼箱梁預拱度可按恒載+1/2靜活載作用下的主梁撓度設置。

表2 彎矩和活載撓度對比

表3 應力和最大撓度對比

圖1 方案一：大比例邊跨縱向鋼束布置（cm）

（2）抗剪計算

根據Midas計算結果，組合梁最大支座反力為9 840 kN。支點剪力全部由鋼梁腹板承擔：

滿足《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）規范要求。

（3）剪力連接件計算

按照完全剪力連接的極限平衡法驗算所需栓釘數量，極限平衡狀態下混凝土板提供的總拉力：

單個栓釘（直徑22 mm）的極限抗剪承載力：

取Ncv= 95 541 N

栓釘橫橋向間距100 mm，每個翼緣上有6排栓釘，沿縱向間距150 mm，故栓釘總數：

剪力連接程度：

（4）加勁肋計算

腹板高厚比h/t=200＞170235/fy，需配豎向加勁肋和縱向加勁肋。

根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）規定，豎向加勁肋間距滿足下式要求，且不大于2 m。

腹板豎向加勁肋間距選取為1.0 m，豎向加勁肋采用厚度為14 mm的鋼板。

加勁肋伸出肢寬=200 mm＞40+1/30×h=146 mm肢厚=14 mm＞1/15×肢寬=13.3 mm

由于同時采用了豎向加勁肋和橫向加勁肋，豎向加勁肋截面慣性矩：

由于a/h=0.33＜0.85，縱向加勁肋截面慣性矩應滿足：

計算結果顯示鋼-混凝土組合梁方案受力上是可行的。

2 工程造價對比

造價對比基于同等條件下副橋箱梁建安費的比較，未考慮上部荷載變化引起的下部工程量變化，建安費對比結果見表4。

表4 副橋方案建安費

方案一建安費為8 125萬元，方案二建安費為8 411萬元，采用鋼-混凝土組合結構解決方案（方案二）比預應力混凝土解決方案增加造價286萬元，建安費增加比例3.5%，對工程造價影響較小。

3 結語

通過方案設計和受力計算驗證，采用鋼-混凝土組合結構形式滿足大比例邊跨受力需要，可作為大比例邊跨連續梁橋的合理方案。同時結合造價對比，采用鋼-混凝土組合結構增加工程造價有限，若考慮上部荷載減小引起下部工程量減少，可以預見鋼-混凝土組合結構解決大比例邊跨設計難的問題是具有相當競爭力的可行方案。