大跨徑簡支鋼-混凝土組合梁橋設計及計算分析

臺州市交通勘察設計院有限公司，浙江 臺州 318000

鋼結構橋梁具有跨越能力強、結構自重輕、建筑高度小、施工方便、周期短、對交通影響小等優點，而鋼-混凝土組合梁橋除具有鋼結構橋梁的優點外，還具有節省鋼材、增加結構剛度和穩定性、減少鋼梁腐蝕等優點，近年來得到了廣泛的應用，但其也存在工程造價高、后期維護費用高等不足。鋼-混凝土組合梁橋可分為鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋、鋼桁架組合梁橋和波形鋼腹板組合梁橋等，其施工過程一般是先由工廠制作鋼梁節段，運至現場后進行吊裝，拼裝完成后施工橋面板，橋面板可采用預制和現澆兩種施工方法制作。鋼-混凝土組合梁橋施工過程及施工方法的不同會影響最終主梁結構受力，可通過一些措施改善橋梁受力狀況。

1 工程概況

臺州路橋機場進場道路工程為雙向四車道一級公路，設計速度為80km/h，路基寬度為28m，預留遠期拓寬條件。路線總體呈南北走勢，起點位于椒江區下陳街道，與椒新路平交，終點位于路橋區蓬街鎮，與東方大道相交，路線全長約5.2km。

2 橋梁方案選擇

小伍份立交橋需要跨越石八線與青龍浦，由于石八線位于青龍浦北側岸邊，兩者之間無設墩條件，橋梁與被交路和河流交叉角度約為124°，受通航凈空限制，水中無條件設墩，需要采取一跨跨越。而且橋梁與被交路交叉角度較小，預應力混凝土懸臂澆筑箱梁因承臺占地空間需要，最小跨徑為60m；鋼-混凝土組合梁因其結構自重輕，可采用柱式墩，一跨跨越的距離為55m。該項目施工工期緊張，采用懸澆箱梁施工周期較長，因此最終主跨采用1～55m簡支鋼-混凝土組合梁橋方案，引橋采用先簡支后連續預應力混凝土T梁，下部結構采用柱式墩、座板臺。

3 結構設計

橋梁全寬28m，為雙幅布置，單幅橋面寬度為13.75m，兩側防撞護欄各0.5m，橋面凈寬12.75m。采用雙箱單室等高度鋼-混凝土組合箱梁，梁間距為7m，槽型鋼梁寬度為3.5m，混凝土橋面板懸臂長1.635m。組合梁中心線處梁高3.15m，鋼梁高度為2.75m。

4 主梁及橋面板構造

槽型鋼梁由上翼緣板、底板、腹板、橫隔板、支點橫梁、底板加勁肋、腹板加勁肋組成，鋼梁上翼緣板厚30mm、寬600mm；底板厚30mm、寬3560mm；腹板厚20mm。腹板設置豎向加勁肋，布置間距為1000mm；底板設置縱向加勁肋，布置間距為500mm，加勁肋形式均為板式。箱室內設橫隔板，板厚14mm，并設豎向加勁肋，橫隔板預留800mm×600mm人孔，縱向間距按3000mm布置。梁端橫梁由3道橫隔板組成，橫梁中間橫隔板厚度為24mm，兩端橫隔板厚度為20mm。每片鋼梁一端設雙支座，支座橫向間距為2000mm，縱向距離梁端780mm。槽型鋼梁間采用箱間橫梁連接，箱間橫梁為工字型，高1900m、厚16mm；頂板寬320mm、厚24mm；箱間橫梁每隔600mm設置1條豎向加勁肋，縱向布置間距為6000mm；鋼梁主材均采用Q355D。混凝土橋面板采用C55補償收縮混凝土，橋面板全寬13.75m，懸臂長度為163.5cm，跨中厚度為25cm，與鋼梁頂板連接處厚度為40cm，設置50cm×15cm承托，懸臂端部厚度為20cm，橋面板配置普通鋼筋。橋面板與鋼主梁之間通過布置與鋼梁頂板的剪力鍵連接，焊釘連接件直徑為22mm，長度為200mm。每片鋼梁一側頂板橫向布置4根剪力釘，剪力釘縱向間距按150mm布置，局部間距進行調整；梁端橫梁范圍內橫隔板頂板均布置剪力釘，縱橫向間距均按150mm布置。

5 結構計算及施工方案

鋼-混凝土組合梁橋施工過程為工廠制作后運至施工現場，搭建臨時支撐后進行吊裝焊接，鋼梁吊裝完成后進行混凝土橋面板澆筑。為了方便鋼梁運輸吊裝，該橋1～55m跨槽型鋼梁分A、B、C三個節段進行制作，A、C段長度都為14.5m，B段長度為26m，如圖1所示。

圖1 鋼梁分段示意圖（單位：cm）

5.1 混凝土橋面板有效寬度計算

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTJ/T D64-01—2015）（以下簡稱《規范》）中5.3.2條規定，對混凝土橋面板進行計算，跨中截面混凝土板有效寬度按下式計算：

支點截面混凝土板有效寬度按下式計算：

式中：b0為外側剪力連接件中間的距離；bef,i為外側剪力連接件一側的混凝土板有效寬度；Le,i為等效跨徑；bi為外側剪力連接件至相鄰鋼梁腹板上方的外側剪力連接件中心的距離的一半，或外側剪力連接件中心至混凝土板自由邊間的距離。

該橋計算跨徑為53.44m，簡支梁等效跨徑為計算跨徑Le,i，對于跨中截面，bef,i=8.91m ＞bi，取bef,i=bi；對于支點截面，計算得出βi=1.42＞1.0，取βi=1.0，得出bef,i=8.91m＞bi，取bef,i=bi，混凝土橋面板全截面有效。

5.2 結構計算參數及模型

該橋采用MIDAS/Civil有限元結構分析軟件空間梁格模型進行計算，模型如圖2所示，鋼梁與混凝土橋面板之間采用施工階段聯合截面，主梁之間通過橫梁和虛擬橋面板連接。全橋模型共108個節點，207個單元。計算永久作用包括結構自重、二期恒載、混凝土收縮徐變，可變作用取公路-Ⅰ級汽車荷載及溫度梯度作用。

圖2 結構計算模型

5.3 施工階段

（1）施工方案擬定。對于鋼-混凝土組合結構，施工工序的不同，使混凝土橋面板和鋼梁組合截面參與受力的階段也各不相同，導致各階段主梁受力狀態不同。為分析施工方案對結構受力及變形的影響，文章對以下四種施工方案進行對比分析。

方案一：現場搭建臨時墩→鋼梁節段吊裝并焊接→拆除臨時墩→整體澆筑橋面板→施工橋面系。

方案二：現場搭建臨時墩→鋼梁節段吊裝并焊接→整體澆筑橋面板→橋面板混凝土達到設計強度后拆除臨時墩→施工橋面系。

方案三：現場搭建臨時墩→鋼梁節段吊裝并焊接→澆筑A、C段橋面板→A、C段橋面板混凝土達到設計強度后澆筑B段橋面板→B段橋面板混凝土達到設計強度后拆除臨時墩→施工橋面系。

方案四：現場搭建臨時墩→鋼梁節段吊裝并焊接→澆筑B段橋面板→B段橋面板混凝土達到設計強度后澆筑A、C段混凝土橋面板→A、C段橋面板混凝土達到設計強度后拆除臨時墩→施工橋面系。

（2）施工階段結果分析。方案一、方案二施工速度均較快，但方案一在鋼梁吊裝焊接完成后即可拆除臨時墩，對橋下交通影響最小；方案三和方案四需要的施工周期相對較長。施工階段應力如表1所示。方案一是在鋼梁無支撐條件下進行橋面板澆筑，施工階段應力均明顯大于其他方案，經計算，其成橋階段鋼梁應力大于270MPa，因此不予采用；方案二、方案三、方案四在施工階段的內力均接近，方案三受力性能最優。施工階段鋼梁最大拉應力為90MPa，最大壓應力為103.6MPa，橋面板最大壓應力為4.1Mpa，均滿足《規范》要求。

表1 施工階段跨中截面正應力 單位：MPa

5.4 使用階段

（1）鋼梁使用階段承載力計算。根據《規范》第7.2.1條規定，使用階段應力計算結果如圖3所示，組合梁基本組合作用下鋼主梁最大拉應力為175MPa，應力驗算滿足要求。

圖3 使用階段鋼梁應力圖

根據《規范》第7.2.2款第1條，組合梁的豎向抗剪承載力計算如下：

式中：fvd為鋼梁腹板抗剪強度設計值；Aw為鋼梁腹板面積。

組合梁端支點最大剪力Vvd=6375.7kN，結構重要性系數γ0為1.1，則γ0Vvd=7013.3kN＜Vvu，豎向抗剪承載力滿足要求。

（2）混凝土橋面板縱向承載力及裂縫計算。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）規定，在基本組合作用下，橋面板最大壓應力為13.7MPa，小于C55混凝土抗壓設計值24.4MPa，橋面板縱向承載力滿足規范要求。

（3）混凝土橋面板縱向抗剪計算。該橋橋面板橫向鋼筋采用HRB400鋼筋，直徑為22mm，縱向間距為15cm，承托處加強筋直徑與通長鋼筋相同。根據《規范》第6.3條規定，對橋面板縱向抗剪承載力進行驗算，混凝土板縱向抗剪界面如圖4所示。

圖4 混凝土板縱向抗剪界面

在圖4中，At為混凝土板上緣單位長度內垂直于主梁方向的鋼筋面積總和，單位為mm2/mm；Ab、Abh為混凝土板下緣、承托底部單位長度內垂直于主梁方向的鋼筋面積總和，單位為mm2/mm。取單片梁梁端最大剪力計算鋼梁與混凝土板之間水平剪力：

式中：V為形成組合截面之后作用于組合梁的豎向剪力，N；S為混凝土板對組合截面中性軸的面積矩，mm3；Iun為組合梁未開裂截面慣性矩，mm4。

單位長度上a-a斷面縱向剪力計算如下：

式中：V1作用引起的單位長度內鋼和混凝土結合面上的縱向剪力。

單位長度上d-d斷面縱向剪力計算如下：

單位長度內混凝土板縱向抗剪承載力計算如下式：

式中：bf為縱向抗剪截面在垂直于主梁方向上的長度；Ae為單位長度內垂直于主梁方向上的鋼筋面積。

對于a-a斷面，bf=250mm，Ae=4.56mm2/mm，經計算V1Rd=1525N＞V1d，滿足規范要求；對于d-d斷面，bf=906mm，Ae=4.56mm2/mm，經計算V1Rd=2403N＞V1d，滿足規范要求。

5.5 組合梁穩定計算

5.6 組合梁撓度計算及預拱度設置

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）第4.3.3節規定，由汽車荷載（不計沖擊力）所引起的簡支或連續梁的豎向撓度不應超過計算跨徑的1/600，當結構自重和靜活載產生的撓度超過計算跨徑的1/1600時，橋跨結構應設置預拱度，其值等于結構重力和1/2靜活載所產生的豎向撓度之和，預拱度線形應采用平順曲線。組合梁撓度及預拱度如表2所示。

表2 組合梁撓度及預拱度 單位：mm

6 結束語

通過對小伍份立交橋1～55m簡支鋼-混凝土組合梁橋的計算分析可以得出，對于大跨徑簡支鋼-混組合梁橋，混凝土橋面板有效寬度一般為全截面。同時，鋼-混組合梁橋受力及變形與施工方法密切相關，設計中應根據施工條件合理制訂施工方案。在臨時支撐條件下，混凝土橋面板施工順序對結構受力影響不大，橋面板從兩端向中間的施工順序對結構受力較為有利，大跨徑簡支鋼-混組合梁宜在橋面板施工完成并達到設計強度后拆除臨時支撐。

該橋主跨采用了1～55m鋼-混凝土組合梁橋方案，下部結構采用普通的柱式墩即可滿足受力需要，極大地方便了下部結構施工，有效地縮短了橋梁施工周期。