低高度密集型工字形組合梁設計與應用

李熙同

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730010）

1 引言

自20世紀50年代之后，鋼-混凝土組合梁橋得到了迅速發展，從20 m跨徑的中小跨徑梁橋到近千米的斜拉橋，都有鋼混組合梁的應用。國內學者對鋼混組合梁橋進行了深入研究[1]。相比混凝土箱梁，工字形組合梁可以充分發揮鋼結構抗拉強度和混凝土抗壓強度高的特點，具有結構性能優越、跨越能力大、施工周期短等優點。密集型工字形組合梁已在公路、城市橋梁中得到了部分應用，以長沙湘府路快速改造工程高架橋項目為例，全線均采用預制密布工字形鋼混組合梁，標準跨橋寬25 m，布置11片主梁，主梁間距2.3 m，主梁1跨內不設橫向連接系。本文結合實際工程案例對低高度密集型工字形組合梁結構受力進行了研究分析。

2 方案設計

原橋址為1孔20 m簡支混凝土小箱梁，箱梁病害嚴重，且橋下有泄洪要求，新建橋梁采用1×30 m工字形鋼-混凝土組合梁橋，加大跨徑，增加橋下泄洪斷面。由于是舊橋改造項目，要求快速施工，施工周期較短，同時，新建橋梁要利用既有橋臺結構，主梁高度為定值，方案需根據總梁高1 m進行設計，新建橋梁方案一采用密集型工字形組合梁方案，方案二采用雙主梁工字形組合梁方案。

方案一和方案二均采用傳統的先吊裝鋼主梁后澆筑橋面板施工方法，方案二中增加箱間橫梁，箱間橫梁與鋼主梁通過高強螺栓連接，由于橫梁高度較低，截面尺寸較大，作業工作量相對較大；雙主梁結構在適宜高度下，截面尺寸較為合理，由于本橋主梁高度只有0.97 m，鋼主梁頂、底板板厚均超過60 mm，單片主梁質量高達40 t，全橋總用鋼量超過400 kg/m2，而方案一總用鋼量僅為350 kg/m2；方案二雙主梁結構，活載作用下撓度達45 mm，鋼梁底板疲勞應力幅高達50 MPa，雖均滿足設計要求，但對比方案一，結構整體剛度相對較低，活載作用下應力儲備不富裕。

綜合考慮施工工藝、用鋼量、結構剛度和疲勞應力儲備后，新建橋梁采用方案一，即密集型工字形組合梁，如圖1所示。

圖1 30 m密集型工字型組合梁

3 新建方案設計標準

1）橋梁設計汽車荷載等級：公路-Ⅰ級；

2）車道數：雙向兩車道；

3）橋面寬度：9 m，行車道寬8 m，防撞護欄寬各0.5 m；

4）橋面橫坡：雙向2%。

4 組合梁結構設計

工字形組合梁采用等截面設計，為方便施工，降低吊重，采用整體吊裝鋼梁，后澆筑壓型鋼板組合橋面板方案。

如圖2所示，組合梁總梁高0.97 m，由縱橫向頂格狀布置工字鋼梁和混凝土橋面板通過抗剪連接件組成，方案一中，鋼縱梁采用5片主梁，中心梁高0.72 m，縱梁中心間距1.7 m；工字鋼上翼緣寬0.6 m，厚38 mm，底板寬0.9 m，厚48 mm，腹板采用直腹板，厚28 mm；邊梁工字鋼腹板內設置豎向加勁肋，豎向加勁肋標準間距1.0 m，中梁工字鋼不設置豎向和水平加勁肋；密集型工字鋼組合梁無橫向連接系，以腹板、上翼板寬厚比控制結構屈曲應力大于結構強度失效應力，簡化結構構造設計。梁端僅設置端橫梁，增加結構整體剛度和支撐處局部穩定性，端橫梁中心梁高0.72 m，采用箱形截面，箱內布置剪力釘，并灌注混凝土，縱梁和端橫梁上翼緣布置直徑16 mm，高150 mm剪力釘，傳遞縱向剪力。

圖2 密集型工字型組合梁標準斷面圖(單位：mm)

本橋橋面板采用現澆壓型鋼板組合橋面板，板厚0.25 m，橋面板剛度較大，可以兼做主橋縱向、橫向連接系，與鋼主梁形成穩定空間結構，梁間沿縱向設置開口型壓型鋼板，可實現無支架快速澆筑。

5 組合梁主要材料

1）鋼主梁頂、底板、腹板：Q420ME鋼材；

2）鋼橫梁頂、底板、腹板：Q420ME鋼材；

3）其他構造性鋼材：Q235C鋼材；

4）壓型鋼板：Q355B鋼材；

5）混凝土橋面板：C50微膨脹混凝土；

6）端橫梁填充混凝土：C50微膨脹混凝土；

7）伸縮縫預留槽及橋面連續預留槽填充：超高性能接縫混凝土。

6 密集型工字型組合梁計算分析

6.1 結構分析

本橋采用Midas/Civil 2019程序計算。采用梁單元分層結構建立組合梁有限元模型，如圖3所示。

圖3 組合梁有限元模型

6.2 承載能力極限狀態驗算

組合梁抗彎承載力驗算按照JTG 3362—2018《公路鋼結構橋梁設計規范》[2]第11.2.1條規定計算。按基本組合控制，對構件應力進行驗算，應滿足γ0σ≤f（其中，γ0為結構重要性系數；σ為結構彎曲應力；f為結構強度設計值），組合梁剪力全部由鋼梁腹板承擔，不考慮混凝土橋面板抗剪作用。抗彎承載力極限狀態驗算見表1。

表1 抗彎承載能力極限狀態驗算

根據組合梁抗彎承載力驗算公式，當工字鋼梁主梁結構采用Q420鋼材時滿足設計要求。

當工字鋼梁主梁結構采用Q420鋼材時，根據計算應力結果，鋼梁頂板和底板應力均滿足設計要求，腹板應力較小，Q355鋼材也可滿足，但考慮到原材料購買和橋梁規模等因素，主橋工字鋼統一采用Q420鋼材。

6.3 正常使用極限狀態驗算

低高度密集型組合梁變形驗算按照公路鋼結構橋梁設計規范相關規定計算，采用結構力學方法計算汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數為1.0，對于簡支梁計算撓度值不應大于L/500（L為跨度）。

30 m跨度組合梁活載作用下豎向撓度為31 mm，計算結果表明，在不計沖擊力汽車車道荷載作用下，考慮組合梁剪切變形和滑移效應影響，組合梁豎向最大撓度小于L/500=60 mm，滿足規范要求。

組合梁混凝土構件，在作用標準組合下對橋面板正截面混凝土法向壓應力進行驗算，驗算結果應符合JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[3]第7.1.5-1條要求，荷載取標準值，車輛荷載考慮沖擊系數。

組合梁為簡支結構，橋面板受力以壓應力為主，拉應力較小，不控制設計，跨中橋面板壓應力僅為-9.5 MPa，小于設計值-13.4 MPa，滿足設計要求。

6.4 鋼梁疲勞驗算

工字鋼疲勞驗算采用疲勞荷載模型I，根據JTG D62—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》規定，采用疲勞荷載模型I驗算時，簡支結構鋼主梁下緣應力幅值明顯高于上緣應力幅值，即下緣控制。計算得到鋼梁正應力最大幅值為25.5 MPa，鋼梁疲勞應力限值計算值為60.05 MPa，鋼梁疲勞滿足規范要求。

6.5 腹板穩定性

根據公路鋼結構橋梁設計規范規定，腹板最小厚度應滿足：不設豎向加勁肋、縱向加勁肋時，腹板厚度不小于ηhw/60（其中，hw為腹板計算高度；η為折減系數，不得小于0.85）。本橋設計腹板厚度驗算最小厚度為7.9 mm，腹板實際厚度28 mm遠大于最小厚度，滿足規范要求。

6.6 計算結論

根據計算結果可知，密集型組合梁方案，受力明確，跨中截面正彎矩應力最大，支點截面剪力最大，能有效發揮鋼材抗拉壓能力，密集型組合梁抗彎承載力、抗剪承載力、剛度、穩定性及抗疲勞能力等均滿足規范要求。

7 密集型工字形組合梁主要施工工藝

1）施工基礎和橋臺；

2）鋼梁在工廠制造，預拼檢驗合格后，整段運抵橋位或工地鋼梁存放場；

3）在橋位或工地現場焊接多片主梁，形成整跨工字形鋼主梁；

4）設置聯端和墩頂永久支座，整跨鋼梁吊裝就位，吊裝時，每片主梁端部設置一個吊點，利用2臺吊機同時起吊，吊機選擇應滿足吊裝要求；

5）5片鋼主梁安裝到位后，焊接端橫梁；

6）鋪設鋼主梁上部開口型壓型鋼板，綁扎橋面板鋼筋；

7）澆筑端橫梁微膨脹混凝土，加壓灌注保證混凝土灌注密實；

8）端橫梁混凝土強度和彈模達到28 d相應值90%以上，澆筑橋面板微膨脹混凝土；

9）橋面板混凝土強度和彈模達到28 d相應值70%以上時，安裝伸縮縫，伸縮縫槽口內澆筑超高強混凝土；

10）安裝防撞護欄，完成橋面鋪裝及其他附屬工程。

8 結語

1）將低高度密集型工字型組合梁技術應用在要求快速通車工程建設中，能夠充分發揮鋼梁和混凝土板組合優勢，多主梁組合梁結構受力明確，構造簡潔，施工便利，工序簡單，施工進度較快，在部分高度受限、工期較短工程中可得到有效應用。

2）密集型工字形簡支組合梁體系承載能力極限狀態驗算、正常使用極限狀態驗算、鋼梁疲勞驗算、腹板穩定性驗算、剛度驗算均滿足設計規范要求。

3）橋面采用現澆壓型鋼板組合橋面板，梁間設置開口型壓型鋼板，可實現混凝土橋面板一次性無支架澆筑。