鋼混組合梁橋橫向分布 及抗彎承載力研究

曾俊彥

隨著科學技術的不斷發展及社會的不斷進步，我國國內的橋梁施工工程項目越來越多，橋梁工程項目也是推動我國國內經濟不斷發展的重要因素之一，隨著科技的不斷發展，我國橋梁建造施工工藝也有了很大的進步，尤其是近幾年出現的鋼混組合梁橋施工工藝是我國運用最多的橋梁建造體系。鋼混組合梁橋能夠最大程度地發揮混凝土的優越性，本文結合坦洲快線工程項目中的鋼混組合梁橋的橋梁結構，從其橫向分布系數及抗彎承載力計算方法進行了細致的研究。此外結合工程手冊，在鋼混組合梁橋橫向分布及抗彎承載力研究方面，比較了彈性力學分析法及塑化分析法的適用條件，并根據上述的兩種理論推導了鋼混組合梁橋的橫向應力分布系數與抗彎曲承載力的計算方法。通過研究發現塑性承載力比彈性承載力提高了30%左右。

鋼混組合梁由于能夠最大程度地發揮鋼材及混凝土相關的力學性能，在我國及世界各國均被廣泛地應用在橋梁施工中，在20世紀初，鋼混組合梁施工技術最早出現在英國，在鋼混組合梁問世后，英國就開始對其進行研究，在20世紀30年代鋼混組合梁結構體系得到了一些實驗成功，并建立了一套相對全面的彈性理論設計方法。我國于20世紀50年代開始對鋼混組合梁進行研究，之后鋼混組合梁便被廣泛地應用在橋梁，高樓建筑項目當中。同時鋼混組合梁與其他的非組合梁結構相比還具有很多的優點，采用鋼混組合梁結構能夠最大程度地節約鋼材，還能有效地降低梁的高度且提升了梁的剛度與承載力，梁的使用壽命也有了很大程度的提高。

一、鋼混組合梁研究的背景與意義

現今我國建筑工程項目中使用最多的建材就是鋼材與混凝土，鋼材具有自重輕，抗拉強度高的優點，但其疲勞強度問題較為突出，混凝土建材自重較大，抗拉強度遠遠高于鋼材抗拉強度的特點，由于混凝土的自重較大，且通過使用混凝土造成的構件尺寸也較大，在使用時不需要考慮受壓失穩的問題，因此更適合做受壓構件。采用鋼材與混凝土相結合構造的梁能夠互相彌補其的缺點，使建造的結構更加穩定。縱觀世界的橋梁建造情況，現今我國純鋼結構的橋梁擁有量較低，西方的發達國家中的純鋼結構橋梁在其本國中早已普及。由于采用純鋼建造的橋梁造價昂貴，我國經濟水平還未發展到使用純鋼建造橋梁的水平，基于此種原因我國的純鋼橋梁長期使用較少，純鋼橋梁占不到全國橋梁數的0.5%。

隨著改革開發的力度不斷加大，我國在社會上各領域都取得了很大的成就，國家的經濟實力也得到了很大的提升，但是這些提升還無法支撐我國大力發展建設純鋼結構橋梁，由是鋼混組合梁便成為了我國現今修建中小跨徑橋梁采用最多的橋梁建造方式，由于鋼混組合梁具有的優點很多且其有著很高的經濟性，因此鋼混組合梁將成為我國當下橋梁建造行業發展的趨勢。

近年來我國也相繼出臺了關于鋼混組合梁具體的施工工藝要求及相關的技術標準，這些技術標準及施工工藝的出臺很大程度上規范促進了鋼混組合梁的發展，但是由于我國國土面積大，不同省份發展也不相同，同時由于國內可供參考的真實施工案例較少，鋼混組合梁的設計理念與構造系列還有待進一步研究。

鋼混組合梁橋的基本概念：

鋼混組合梁橋的結構一般由外漏的鋼梁或者鋼結構通過焊接與混凝土橋面結合而成，按照鋼梁結構的不同可以分為以下三種:鋼板組合梁橋，鋼箱組合梁橋，鋼架組合梁橋，具體結構見圖1。

當下由于鋼組合梁橋的各種優點（便于施工，造價便宜等）在我國得到了廣泛地應用。

二、鋼混組合梁橋的發展現狀

在鋼混組合梁橋設計之初，會在鋼板之間添加很多橫向支撐梁，致使使用的鋼材量比較大，因為鋼材使用量大導致在進行焊接工作及后期的維修工作也比較復雜，焊接帶來的焊接疲勞問題也很突出。德國從20世紀70年代就建造了大量的中小跨徑的鋼混組合梁橋，在建造的過程中逐漸簡化鋼混組合梁橋的施工建造過程，鋼混組合梁橋發展至今已不再設置橫撐和腹板縱向加勁肋，同時還使用了更加先進的焊釘群工藝來解決混凝土橋梁面板施加應力剛梁受力不均勻的現象，鋼混組合梁至從國外引進我國也有多年，在這期間我國的橋梁建設研究人員通過不斷的研究也逐漸優化了鋼混組合梁橋的力學結構，例如，在建造時采用雙主梁及多鋼梁的結構進行建造，采用這種結構進行鋼混組合梁橋的建造，不僅有效提高了橋梁的耐久性及各種力學性能，還在一定程度上降低了橋梁的建造費用，給后期的橋梁維護工作也降低了難度。

三、鋼混組合梁橫向分布研究

對坦洲快線項目中的鋼混組合梁的橫向分布研究可以發展坦快項目中修建的鋼混組合梁橋。

坦快全線為高架橋，設特大橋、大橋：21907.5m/14座（含互通主線），主線地面橋共設小橋 18m/1座；主線輔道設中橋140m/2座；小橋 123m/7座；主線（含互通主線）橋梁占路線總長為79.3%。坦快主線采用雙向六車道一級公路兼顧城市快速路標準建設，主線設計速度為80km/h，高架橋斷面寬度26m，輔道設計速度40km/h，輔道斷面寬度根據交通需求選擇。整體式路基寬度33-64.5m。

該項目中的大橋對于組合梁橋，橫向分布計算原理與我國目前修建的普通常規橋梁相同，唯一不同的地方就是鋼混組合梁橋結構特性計算相對復雜，不能完全按照傳統橋梁橫向應力進行計算，需要在其基礎上進行修改，修改過后才能建立一套成熟的適合鋼混組合梁橋的橫向應力計算方式。

1.具體的研究內容

（1）鋼混組合梁橋橫向應力分布及常用的計算方式對比研究

由于鋼混組合梁橋不同于傳統梁橋的設計及構造方法，因此適用于傳統梁橋計算方式的杠桿法，鋼行橫梁法并不適用于鋼混組合梁橋橫向應力的計算，當下建筑界沒有很好地適用于鋼混組合結構橋梁的計算方法，因此本文將通過傳統梁橋的計算方式與有限單元計算方式的對比建立一套安全實用的適合鋼混組合梁橋橫向應力的計算方式，以便用于更好地設計鋼混組合梁橋。

（2）鋼混組合梁橋的橫向應力分布及影響因素

由于現今鋼混組合梁橋大部分采用鋼栓鏈接，采用這種鏈接方式雖然能夠降低工程量，但是卻帶來了鋼結構與混凝土橋面之間存在截面移滑的問題，雖然在鋼混組合梁橋的設計時那些移滑現象不予考慮，基本可以忽略不計，但是在真實的施工建造現場中就必須要對移滑現象帶來的問題進行處理，因此在今后鋼混組合梁橋的設計時應將移滑現象帶來的影響考慮進去，同時在施工現場中，鋼混組合梁橫向連接結構的布置位置，及橋面混凝土的厚度對鋼混組合梁橋的橫向應力影響研究并不完整因此需要進行研究。

四、鋼混組合梁橋橫向應力分布系數的概念及計算方式

鋼混組合梁橋的橫向應力分布系數的提出是為了將工程實際中出現的空間受力分析問題化簡為平面實際問題，從而有效提高橫向應力分布系數的計算效率，對于鋼混組合梁橋的橫向分布應力系數的計算方式與傳統常規性橋梁的計算方式相同，唯一不同的就是鋼混組合梁橋需要考慮鋼材與混凝土的移滑現象及鋼混組合梁獨特的結構特性，因此需要對稍微傳統的常規橋梁應力計算方式進行修改，然后建立一套安全成熟的鋼混組合梁橋橫向應力分布系數的計算方式。

1.鋼混組合梁橋的結構及橫向應力分布計算方式

坦快主線采用雙向六車道一級公路兼顧城市快速路標準建設，主線設計速度為80km/h，高架橋斷面寬度26m，輔道設計速度40km/h，輔道斷面寬度根據交通需求選擇。整體式路基寬度33-64.5m。橫向應力分布系數計算方法與步驟如下:

（1）首先通過真實的數據計算得到各分支梁的橫向應力影響分布曲線圖。

（2）通過在計算機平臺對跨中橫橋向集中力進行加載，然后求出各施工段的荷載橫向應力分布系數。

2.鋼混組合梁橋橫向分布及抗彎承載力影響因素分析

（1）鋼栓鏈接受移滑現象的影響。根據結合坦快主線的施工實例研究發現，鋼混組合梁的鏈接件的產生的移滑現象對鋼混組合梁的橫向分布及抗彎承載力影響很大，產生移滑現象的主要原因就是使用鋼栓的抗剪承載力達不到鋼混結構鏈接所需的力，因此在今后建造鋼混組合梁橋時首要解決的問題就是解決所使用的鋼栓的抗剪切力。

（2）橫梁設置的個數對橫向分布及抗彎承載力影響的影響。根據坦快主線的鋼混組合梁橋修建的橫梁數研究發現，修建的橫梁數越多，鋼混組合梁橋的橫向應力分布及抗彎承載力系數越小，因此在今后的鋼混組合梁橋施工時可以適當增加橫梁數量。

（3）混凝土橋面厚度對橫向分布及抗彎承載力的影響。混凝土橋面的厚度直接會影響到鋼混組合結構橋梁的剛度，因此對橫向分布及抗彎承載力造成影響，通過研究發現，試圖增加混凝土橋面的厚度來降低橫向分布及抗彎承載力的方式是不可取的。

五、結語

鋼混組合梁在我國的橋梁道路建設工程中應用多年，已積累了一些與施工相關的經驗技術，但隨著時代的發展，對修建的橋梁的要求越來越高，現今掌握的技術已不能滿足今后的建筑要求，因此鋼混組合梁需要我們不斷加深理論內容的研究。