鋼管混凝土桁架橋結構設計

葛月珍

（山東華科規劃建筑設計有限公司，山東 聊城 252000）

鋼管混凝土（也稱為鋼管套箍混凝土） 是指在鋼管內灌填混凝土而形成的組合構件，它是借鑒了螺旋箍筋鋼筋混凝土柱中螺旋箍筋對核心區混凝土的約束作用，并且結合了型鋼混凝土組合結構的特征演變而成的。

1 工程概況

某橋梁跨越路基寬度為33.5m 的高速公路，由于該橋跨越交通繁忙的高速公路，橋式應具有結構輕盈、橋下視野開闊的特點，同時應便于快速建造，綜合考慮，將該橋設計為PBL 加勁型矩形鋼管混凝土組合桁梁橋。

2 結構設計

2.1 總體布置及支承體系

根據路塹地形與路基寬度，將該橋跨徑布置為（24+40+24） m，為增加橋梁的通透感，橋梁上、下部均采用鋼管混凝土結構。考慮美學設計和結構剛度等因素，該橋采用連續剛構體系，從而實現上、下部結構的無縫轉換，使上、下部結構力流傳遞順暢，整個橋梁體系的桿件線形即為力流傳遞的軌跡。

2.2 上部結構

該橋上部采用矩形鋼管桁架和混凝土行車道板構成的組合桁梁，設置2 片主桁，主桁采用華倫式桁架，桁高2.5m，桁高與跨徑之比為1/16。桁架體系的采用使得上部結構力流的傳遞形式以軸向力形態為主，傳力簡單而高效。

組合桁梁共22 個節間，節間長度為4m。中支點附近13m 節段、邊支點附近2.5m 節段的桁架下弦桿采用300mm×300mm×12mm 的PBL 加勁型矩形鋼管混凝土截面，其余節段下弦桿采用300mm×300mm×12mm 的帶肋空鋼管截面；腹桿采用300mm×200mm×8mm 的空鋼管截面；上弦采用閉口PBL開孔鋼板連接件。混凝土橋面板通過上弦PBL 開孔鋼板連接件與主桁相連。橋面板按普通鋼筋混凝土構件設計，采用C40 微膨脹混凝土，跨中厚度40cm、懸臂端厚度25cm。

2.3 下部結構

橋墩采用與上部結構相匹配的Y 形雙肢矩形鋼管混凝土樹狀橋墩，墩、梁剛接。單肢橋墩采用PBL 加勁型鋼管混凝土截面，截面尺寸400mm×300mm×16mm。雙肢橋墩間橫橋向設置3 道橫撐，橫撐采用帶肋鋼管，截面尺寸為600mm×300mm×16mm。橋墩下設菱形承臺，平面尺寸為7.85m（順橋向） ×5.7m（橫橋向），厚2m，基礎采用4 根直徑1.3m 的鉆孔灌注樁基礎。橋臺采用薄壁輕型橋臺，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

3 設計關鍵技術

3.1 負彎矩區受力性能優化

該橋負彎矩區通過對下弦桿采用雙重組合技術提高鋼管的受壓穩定性，即在下弦桿內設置PBL 縱肋并灌注混凝土，形成PBL 加勁型矩形鋼管混凝土構件，充分發揮鋼管混凝土構件抗壓能力強的優勢。

為驗證雙重組合技術對改善負彎矩區下弦鋼管受壓性能的有效性，對負彎矩區采用雙重組合技術和未采用雙重組合技術的兩種情況進行有限元分析。分析結果表明：在最不利荷載組合作用下，未采用雙重組合技術時下弦桿鋼管的最大應力為253.3MPa，采用雙重組合技術時下弦桿鋼管的最大應力為187.7MPa，采用雙重組合技術后負彎矩區下弦鋼管的應力降低約26%，有效提高了鋼管的抗屈曲性能。

3.2 節點構造優化

節點在組合桁梁橋中起著“關節”的作用，其將弦桿、腹桿連接形成空間整體受力結構。為達到結構最終破壞模式為整體失效的設計意圖，節點必須具有高承載力。為提高該橋PBL 加勁型矩形鋼管混凝土節點的承載力，采取主管內灌注混凝土和支管與主管同寬兩項優化措施。為驗證優化措施的有效性，對主管內未灌注混凝土與灌注混凝土后的節點破壞模式進行對比分析，當主管未灌注混凝土時，節點最典型的失效模式為受壓主管表面塑性失效和側壁鼓曲；主管內灌混凝土后，由于混凝土的局部承壓作用，限制了主管頂板的向內凹曲，節點失效模式轉變為受拉主管表面沖剪失效，此時節點破壞由受拉支管承載力決定。對不同支管與主管寬度比β 下節點的受力性能進行對比分析，當β 為0.5 時，應力集中區域局限在受拉支管與主管相接處的主管表面一隅，應力擴散效應不明顯，受拉支管塑性變形不充分；當β 為1.0，即支管與主管同寬時，應力集中區域已由主管表面轉移到支管全斷面，整個支管受力均勻且已進入屈服階段，表明隨著支管與主管寬度比的增大，應力流通過主管、支管側板傳遞的比例增加，節點傳力效率提高，支管協同受力的能力得以增強。進一步分析不同支管與主管寬度比下受拉支管的荷載～位移曲線，隨著支管與主管寬度比的增大，節點抗拉剛度呈增加趨勢，相比β 為0.5 的不等寬節點，β 為1 的等寬節點極限承載力顯著增加，增幅達64%。

3.3 連接構造優化

1） 橋面板與主桁連接構造。為保證橋面板與主桁連接可靠，主桁上弦設計采用閉口PBL 開孔預埋鋼板連接件，該連接件由2 塊PBL 開孔側板和1 塊PBL 開孔頂板組成，PBL開孔側板上方設置連續鋸齒狀小凹槽，橋面板橫向鋼筋可穿過PBL 開孔側板圓孔和鋸齒狀小凹槽；2） 橋墩承臺連接構造。為保證從鋼結構橋墩到混凝土基礎的傳力可靠，該橋橋墩與承臺的連接構造采用縱、橫向呈方格網絡集中布置的PBL 開孔鋼板，猶如樹根的根須，深插到承臺中，使鋼結構橋墩與混凝土承臺固結。

通透的輕型主桁結構、纖細的Y 形組合橋墩，充分發揮了各部分的結構功能，最直接地傳遞力流，使整個結構具有很高的傳力效率。矩形鋼管混凝土組合桁梁、組合橋墩的采用使整個橋梁建造用時不到6 個月，充分體現了其預制化、工業化和快速建造的特點。可對國內工業化橋梁的大規模建造提供借鑒。