簡支組合梁橋的設計分析

趙婷婷

（上海市政工程設計研究總院集團廣東有限公司，廣東 佛山528200）

0 引 言

組合梁橋（Composite girder bridge）是指采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁梁等結構構件和鋼筋混凝土結合成組合截面共同工作的一種復合式結構[1]。組合梁橋主梁上緣的材料通常采用混凝土，主梁下緣則采用鋼材，對于簡支結構，主梁上部受壓、下部受拉，這樣能夠充分發揮工程材料的力學優勢，提高該類橋梁的技術性和經濟性。組合梁橋的鋼梁在工廠預制，再運至現場進行拼裝，橋面板可現澆也可預制。這樣能夠極大地縮減施工時間，提高工程效率。組合梁橋以其整體受力的經濟性、材料優勢發揮的合理性，以及施工方法的便捷性得到了廣泛的應用[2]。

組合梁橋的結構形式主要包括組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合鋼桁梁橋、波折腹板組合梁橋和桁式腹桿組合梁橋。組合鋼板梁橋的結構形式簡單，經濟指標低，適用環境范圍廣泛，其中雙主梁結構的組合鋼板梁橋是應用最廣泛的結構形式。組合鋼箱梁相較于組合鋼板梁整體性能更佳，抗扭剛度大。根據截面形式分為槽型鋼梁和閉口鋼梁。槽形鋼梁結構簡單、受力明確，是最常用的形式；閉口鋼梁則適用于抗扭剛度要求高的情況。組合鋼桁梁橋結構輕巧，跨越能力強，景觀效果好，用鋼量不隨跨徑增大而大幅度增大，在跨徑超過60 m 時經濟性有一定優勢[2]。

1 組合梁橋設計及分析

1.1 工程概況

現介紹某跨徑為40 m 的簡支組合梁橋的設計。該橋梁兩端均與30 m 跨徑的小箱梁相連。汽車荷載為公路—Ⅰ級，橋梁整幅寬度為28 m，雙向六車道，斷面布置如圖1 所示。

圖1 行車道斷面布置圖(單位:mm)

根據組合梁橋不同結構形式的特點，該工程采用槽形鋼箱組合梁，單幅橋采用三個箱室。主梁高度設為2.0 m，高跨比為1/20。其中：混凝土橋面板厚0.25 m，鋼梁高1.75 m。為了保持與兩端小箱梁的外觀一致性，外邊梁腹板外側距橋面板端部距離設為817 mm，內邊梁腹板外側距橋面板端部距離設為808 mm，邊梁外側腹板坡度設置為4∶1，其余腹板均垂直。根據已有的工程經驗，該橋鋼構件尺寸初步擬定為：頂板板厚25 mm，寬600 mm；腹板板厚14 mm；底板在支座8.6 m 范圍內厚度為20 mm。橋面板采用預制吊裝的方式，為了便于工廠的制作，橋面板的橫橋向尺寸可一致化，箱室頂部尺寸和箱室間距均設為2 425 mm，如圖2 所示。

1.2 工況介紹

圖2 橋梁標準斷面圖(單位:mm)

為了研究模型精度、施工方案、材料優化對結構受力的影響，共建立四個模型進行對比分析，相關參數如表1 所列。模型一和模型二對比分析的目的是研究底板加勁肋對結構受力的影響，以此來論述模型建立精度的必要性；模型三基于模型二調整了施工方案，在吊裝橋面板時設置臨時支撐，待到橋面板和鋼主梁完全疊合后再拆除臨時支撐，以此研究施工方案對結構受力的影響；模型四基于模型三進行工程材料的優化，并對結構尺寸進行優化，論述施工方案和優化材料的結合對結構輕型化設計、工程材料使用量的影響。

表1 分析工況信息表

1.3 模型計算對比分析

采用Midas 有限元分析軟件建立橋梁模型，建模之前根據《鋼- 混凝土組合橋梁設計規范》第4.1.5 節計算混凝土橋面板的有效寬度。其中，簡支梁支點處混凝土面板的有效寬度bc應按下列公式計算[3]：

式中，b0為鋼梁腹板上方最外側剪力連接件中心間距，mm；bci為鋼梁腹板一側的混凝土橋面板有效寬度，mm；Lc，i為等效跨徑，mm，簡支梁取計算跨徑。

根據上述方法計算，此模型的混凝土橋面板有效寬度即為其全寬。

1.3.1 模型精度對結構受力的影響

為了研究模型精度對橋梁受力的影響，現將底板加勁肋作為參數，對比分析未模擬底板加勁肋的模型一和模擬底板加勁肋的模型二，兩模型其余參數均設為一致。表2 展示了模型一和模型二在荷載基本組合及標準組合作用下橋梁的受力情況。

由結果可知，底板加勁肋對底板下緣最大拉應力影響較大，對加勁肋進行模擬后，鋼梁底板下緣的最大拉應力減少10.8 MPa，減少幅度為4.72%；由于底板加勁肋屬于底板的局部構件，對混凝土橋面板的受力情況幾乎無影響。鋼梁底板的拉應力是橋梁設計的決定性指標。因此，為了更真實地反映結構的受力情況，優化結構設計，建議在建立橋梁模型時對加勁肋進行模擬，提高建模精度。

表2 模型一和模型二應力對比表

1.3.2 施工方案對結構受力的影響

根據組合截面不同承載情況，組合梁可分為活載組合梁和恒載組合梁。活載組合梁在橋面板施工時未設置臨時支撐，鋼梁自重、橋面施工荷載及混凝土橋面板自重僅由鋼梁承擔，混凝土橋面板不參與共同工作。恒載組合梁在鋼梁架設及橋面板施工時設置臨時支撐，臨時支撐可承擔鋼梁自重、橋面施工荷載及混凝土橋面板自重，待橋面板和鋼梁可共同作用后移除[1]。

模型三基于模型二改變施工方案，在吊裝橋面板時，設置臨時支撐，變活載組合梁為恒載組合梁，其具體施工流程如圖3 所示。

圖3 組合梁施工順序圖

表3 展示了模型二和模型三在荷載基本組合及標準組合作用下橋梁的受力情況。由結果可知，在施工過程中，設臨時支撐相較于未設臨時支撐，鋼梁底板下緣的最大拉應力減少了17.78 MPa，減少幅度為8.38%；同時混凝土頂板上緣最大壓應力增大了3.39 MPa，增大幅度達39.74%。由此可見，臨時支撐的設置對橋梁的受力影響很大，選取合適的施工方案能有效改善結構的受力情況，進而優化結構尺寸。

表3 模型二和模型三應力對比表

1.3.3 施工及材料優化對結構設計的影響

基于上述設計過程，模型四采用更高強度的工程材料，對結構的尺寸進行優化。鋼梁跨中底板厚度由30 m 優化到18 mm，材料用Q420q 代替Q345q，橋面板材料用C60 代替C50。表4 展示了模型二和模型四在荷載基本組合及標準組合作用下橋梁的受力情況。

表4 模型二和模型四應力對比表

由此可知，采用低強度材料，鋼梁底板厚度為30 mm 時，下緣最大拉應力占標準限值的77.1%，采用高強度材料，鋼梁底板厚度為18 mm 時，下緣最大拉應力占標準限值的77.7%，可見在保證相同的安全程度下，經過施工方案改善及材料優化，橋梁結構尺寸有一定幅度的減小。其中，模型二的鋼材用量指標為311.7 kg/m2，模型四的鋼材用量指標為285.7 kg/m2，數量上減少了26 kg/m2，減低幅度為8.34%。由此可見，合適的施工方案和優化材料的結合能使結構設計輕型化，有效地減小工程材料用量。

2 結論與展望

（1）底板加勁肋對底板下緣最大拉應力影響較大，且鋼梁底板拉應力是設計過程的決定性指標。因此，為了精細化結構設計，建議在建立橋梁模型時對底板加勁肋進行模擬。

（2）臨時支撐的設置能有效改善鋼梁的受力，但同時會大幅度地增大混凝土橋面板的壓應力。

（3）合適的施工方案和高強度材料的結合，有益于結構輕型化設計，降低工程材料使用量。