簡支鋼-混組合梁設計與分析

段騰飛

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

組合梁橋是指采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁架等結構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。對于簡支鋼-混組合梁，因為其上緣受壓、下緣受拉的受力特點，可以充分發揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，因此得到廣泛運用。本文通過40m 簡支鋼-混組合梁工程實例，總結出簡支鋼-混組合梁的設計經驗，以供相關工程參考。

1 項目概況

項目位于深圳市龍崗區坂田街道，南起坂銀通道南坪立交節點，經過坂雪崗大道沿環城東路北行至坂瀾大道，再沿坂瀾大道北行，終點接坂李大道。本次環城路快速化改造（吉華路-坂瀾大道）作為整條環城路一期工程，路線長約1.57km。吉華路跨線橋是一期工程中控制性工程，橋長318.5m，跨徑組合為(39.25+40)+3x40+(2x40+39.25)=318.5m，梁高1.8m，寬27m，雙向六車道，橋梁橫斷整幅布置。橋梁部分位于圓曲線段，圓曲線段橋梁中心線半徑644m。上部結構采用簡支橋面連續鋼-混凝土組合梁，下部結構采用大懸臂半隱式蓋梁雙柱墩。

2 橋梁上部結構設計

主橋上部結構采用鋼-混組合梁，結構簡支，橋面連續，單跨梁長為38.42m，梁高為1.8m，橫斷面采用四片組合箱梁，組合梁間距為3.333m，鋼梁采用U 型開口截面，單片鋼箱梁寬度為3m，翼板懸臂長度為2.5m，腹板采用直腹板，腹板上翼緣寬度為0.7m。鋼梁之間通過高0.5m 的工字型鋼橫梁連接，橫梁間距為3m。鋼箱梁采用Q345C，橋面板采用C50。

橋面板采用預制混凝土橋面板，橋面板縱橫向均分塊預制。由于橋梁位于曲線變化段，為適應橋梁曲線變化，盡量減少預制板種類及模板，同時方便吊裝，預制板縱向間距為3m，橫向間距為3/3.333m。橋面板厚度為0.260m，通過剪力釘與鋼箱梁頂板連接，剪力釘采用Φ22 圓柱頭栓釘，鋼箱梁每道上翼緣布置3列栓釘，橫向間距0.2m，沿梁軸線方向間距0.25m。在腹板及橫隔板位置設置濕接縫，通過濕接縫調整內外弧線差，濕接縫全部采用0.26m 厚C50 微膨脹混凝土，橫橋向濕接縫寬度為0.6m，縱橋向濕接縫寬度為0.30～0.42m，如圖1所示[1]。

圖1 組合梁標準斷面（mm）

3 結構建模分析

3.1 計算模型與假定

40m 跨鋼-混組合梁模型取實際梁長38.42m，計算跨徑為37.36m，橋面板等厚0.26m，鋼梁梁高1.54m。組合梁采用預制橋面板，后澆濕接縫。鋼梁鋼板厚度：頂板20mm，底板20～26～32mm，腹板16mm。上部結構架設過程中，在跨中設立一個臨時墩。

計算運用軟件Midas Civil 建立梁格模型，對主橋進行計算分析，計算中根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）相關規定進行內力組合和結構安全驗算[2]。

3.2 計算結果

3.2.1 施工階段計算結果，如表1所示

表1 組合梁施工階段計算結果匯總表

《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）第11.2.1 條，組合梁抗彎承載力應采用線彈性方法計算，并應符合下列規定：

鋼梁最大壓應力：1.1×69.21 = 76.13MPa ＜270MPa；鋼梁最大拉應力：1.1×86.5 = 95.15MPa ＜270MPa；混凝土最大壓應力：1.1×8.72 = 9.59MPa ＜22.4MPa；故，施工階段結構受力能滿足要求。

3.2.2 成橋運營階段計算結果

表2 組合梁極限狀態計算結果匯總表

計算結果表明，鋼-混組合梁在各個工況下受力性能良好，傳力途徑明確，混凝土和鋼材都有一定的強度儲備，能夠滿足規范的各項指標要求。在最不利荷載工況作用下，鋼結構及混凝土橋面板應力及變形滿足規范要求。

3.3 橫向分布系數算法分析

由于本項目組合梁箱間橫梁高度較小，與主梁截面特性相比，未能近似成剛性橫梁，因此，本次計算對跨中截面分別采用鉸接板梁法、剛接板梁法、剛性橫梁法，與Midas 梁格分析結果對比，驗證兩者的差別[3]。

3.3.1 主梁截面特性

邊梁：截面抗彎慣性矩I：0.2502m4，截面抗扭慣性矩It：0.8095m4。

中梁：截面抗彎慣性矩I：0.2337m4，截面抗扭慣性矩It：0.2929m4。

3.3.2 主梁截面特性

表3 組荷載橫向分布系數表

3.3.3 與Midas 的比較

本次計算以鉸接板梁法與Midas 梁格進行對比。

從下圖2、圖3 可知，對邊梁跨中，Midas 計算結果與鉸接板梁法計算結果比值：2171/1788=1.214；對中梁跨中，Midas 計算結果與鉸接板梁法計算結果比值：1632/1660=0.983。

圖2 Midas 梁格汽車荷載下鋼梁彎矩（kN·m）

圖3 鉸接板梁法汽車荷載下鋼梁彎矩（kN·m）

通過兩種算法對比可以看出，對于邊梁，較鉸接板梁法高估了箱間橫梁的傳力，計算出的邊梁內力較實際偏小。對于中梁，鉸接板梁法計算出的內力與中梁實際受力情況比較相近。因此，針對本項目宜采用梁格法進行主橋結構驗算。

4 結語

項目上部結構簡支鋼-混組合梁高跨比約1/21，用鋼量為277kg/m2，主梁應力及變形均處于較合理的水平。上部結構施工過程中，通過架設臨時墩可有效降低鋼梁應力，從而降低用鋼量。另外，由于剪力釘一般是在工廠與鋼梁焊接好，再運輸至現場，由于預制橋面板鋼筋與剪力釘布置均較密，在安裝預制橋面板過程中，橋面板預埋鋼筋很容易與剪力釘沖突，影響施工效率及質量，因此在設計過程中應注意橋面板鋼筋合理布置，避免與剪力釘沖突。