大跨徑簡支鋼-混組合梁結構設計研究

魯 聰 江 輝

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

公路橋梁上部結構盡量選擇標準化、裝配化的結構形式，通常以預應力混凝土空心板、小箱梁、T梁為主，具有造價低、施工速度快，產品質量高等優點，但是跨越能力通長在40 m以下，50 m T梁由于受到吊裝難度的限制，實際工程中使用較少。橋梁跨越通航河流時，橋梁主跨根據通航等級確定，由于受到堤防等級和防洪要求的限制，常規預制結構一般難以跨越，根據河堤距離航跡線位置的不同，通常采用適當加大通航主跨利用邊跨跨越或單獨設置連續梁跨越，增大了施工難度，同時提高了工程造價，因此采用新的結構形式是非常必要的。

本文以國道207跨河橋梁為背景，采用midas Civil 2019軟件建立簡支鋼-混組合梁結構有限元分析模型，對施工及成橋階段進行受力分析，以確定合理的結構形式和橋梁方案。

1 依托工程概況

國道207是公安縣的南北向交通大動脈，溝通公安縣城與各鄉鎮之間的交通聯系，采用雙向四車道一級公路，設計速度80 km/h，路基寬度24.5 m。本項目需要跨越虎度河、松東河、蘇支河3條河流，原設計采用2×56 m等截面預應力現澆箱梁跨越河堤。

在實際施工時，根據防洪及堤防要求，河堤上不容許搭設支架，采用移動模架施工法對56 m等截面預應力現澆箱梁的上構進行施工難度較大，同時存在一定的風險。因此為了便于施工，降低施工難度，提出采用一跨56 m簡支鋼-混組合梁頂推法跨越河堤+2×28 m混凝土連續小箱梁方案。目前常規簡鋼-混組合梁跨徑均為50 m以下，因此，56 m簡支鋼-混組合梁結構受力為本次研究的重點。

2 簡支鋼-混組合梁結構設計方案確定

簡支鋼-混組合梁具有自重輕、承載能力高，構造簡單、施工便捷等優點，是中小跨徑公路橋梁和城市橋梁中應用最廣泛的組合橋梁結構形式。在恒載及活載作用下，簡支組合梁的各截面主要承受正彎矩，鋼梁受拉，混凝土橋面板受壓，可充分利用鋼和混凝土2種材料的受力性能[1]，經濟適用，造價較低。鋼主梁采用工廠加工，運輸至現場采用吊裝或頂推施工，能較好適應各種復雜施工條件，施工工期短。鋼-混組合梁的截面由鋼筋混凝土橋面板和鋼梁組成。針對本項目現場實際情況，綜合考慮結構形式、施工方案及工期、工程造價，以及對周邊環境的影響，擬采用工字鋼梁作為鋼梁截面，通過剪力釘與混凝土橋面板組成組合截面共同受力，現場采用頂推法施工。

主梁主體部分均采用Q345qD鋼材。組合梁斷面采用3根焊接工字鋼并列，腹板間距為4 000 mm。主梁梁高2 500 mm，頂底板厚度均為60 mm，腹板厚度20 mm，腹板沿橋梁縱向設置間距為1.5 m豎向加緊肋，板厚為20 mm。組合梁橋在施工過程中，鋼梁的側向剛度及抗扭剛度較小，在施工階段的各荷載作用下易發生整體彎扭失穩，因此需要設置一定數量的臨時或永久橫梁來保證結構的穩定性。成橋狀態下，為了更有效地橫向分配活荷載來提高結構的整體承載能力，也需要設置橫梁[2]。主梁間采用間距為6 000 mm的型號為450×500×16×16及500×500×16×16的上下工字鋼橫梁加強主梁橫向聯系，鋼-混組合梁標準橫斷面圖見圖1。

圖1 鋼-混組合梁標準橫斷面(單位：mm)

導梁采用Q235鋼材，導梁長36.4 m，斷面采用3根焊接工字鋼并列，腹板間距與主梁保持一致并一一對應連接。

3 簡支鋼-混組合梁結構受力研究

組合梁的施工方法對彈性階段應力分布及變形均有很大的影響，因此組合梁必須考慮施工條件及過程。李立峰等[3]對不同施工順序下鋼-混組合梁受力進行專門研究，根據施工順序及受力分析，組合梁應按兩階段受力構件進行設計和驗算。施工階段由鋼梁承擔自身重量、濕混凝土重量和施工荷載，待混凝土達到設計強度后，鋼梁與混凝土面板形成組合截面共同承擔二期恒載和可變荷載[4]。根據堤防要求不允許在河堤上搭設支架，故本橋采用頂推施工方案，本次對施工階段、成橋階段、橋面板及剪力連接件進行受力分析。

根據工程施工工序，在有限軟件中定義施工階段，見表1，并用midas Civil 2019建立有限元分析模型，見圖2。

表1 組合梁施工階段定義

圖2 鋼-混組合梁有限元分析模型

3.1 組合梁各階段受力特性

在橋梁由開始施工到最后成橋運營的整個過程里，主梁截面的內力需要始終保持在安全的范圍內，才能保證結構的安全；同時頂推施工過程中所用到的導梁也需要滿足結構受力的要求。整個過程中的主要荷載包括鋼梁自重、混凝土濕重(施工過程中存在)、二期恒載等。

結合表1中施工順序，計算的各階段主梁及導梁撓度和應力分別見表2。

表2 各階段主梁、導梁應力 MPa

在頂推法施工過程中，當導梁處于最大懸臂狀態時(階段2)，導梁所受正應力均達到最大值，繼續向前推進，當導梁即將上墩，主梁與導梁懸臂最大時(階段3)，主梁上緣拉應力達到最大。隨著導梁逐漸向前推進，主梁也逐步架設，頂推到位之后拆除導梁，主梁架設完成(階段6)，開始澆筑鋼筋混凝土橋面板(階段7)，此時由于混凝土尚未達到強度，結構所有自重由鋼梁承擔，待混凝土達到設計強度后橋面板和鋼梁形成組合截面共同受力。最后進行橋面鋪裝施工(階段9)，完成后通車，成橋和運營階段的組合梁在汽車荷載下豎向撓度見圖3。

圖3 汽車荷載下豎向撓度(單位：mm)

施工完成達到成橋階段后，橋梁進入運營通車狀態。橋梁在正常使用狀態下需要滿足撓度和內力兩方面的要求，保證運營過程中車輛通過的舒適性和安全性。按照《公路鋼結構橋梁設計規范》的規定，簡支梁的跨中撓度不能超過跨徑的1/500，同時鋼主梁截面的內力不能超過所使用Q345鋼材對應的設計強度。

根據計算結果，組合梁施工及成橋運營階段鋼梁受力均能滿足規范要求；同時在汽車荷載作用下，主梁跨中最大撓度為45.2 mm，撓跨比為1/1 238.9<1/500，本聯剛度滿足規范要求。

3.2 橋面板分析

橋面板可視為和鋼梁連接在一起的普通鋼筋混凝土構件，因為在組合梁截面中橋面板和鋼梁共同受力，存在連接件的截面上會出現較大的剪力，組合截面不僅需要承受剪力的作用，也需要保證在橫橋向不能出現過大的裂縫。

鋼梁與混凝上板的組合作用依靠抗剪連接件的縱向抗剪實現，由于縱向剪力集中分布于鋼梁上翼緣布置有連接件的狹長范圍內，需要合理進行橫向配筋控制裂縫發展。因為橫橋向混凝土板的懸挑長度較大，本工程橋面板內配置雙層橫向鋼筋，頂層和底層橫向鋼筋布置均為HRB400，間距100，各16根。

為詳細研究橋面板實際受力情況，建立鋼-混組合梁平面框架分析模型，通過平面框架模型再次進行驗算復核。

3.2.1橋面板縱向抗剪驗算

組合梁基本組合下形成組合截面后組合豎向剪力包絡圖見圖4。

圖4 基本組合下形成組合截面后組合梁豎向剪力圖包絡圖(單位：kN)

組合梁最大豎向剪力V=2.334×106N，混凝土板對組合截面中心軸面積距S=1.29×108mm3,組合梁未開裂截面慣性矩I=4.243 4×1011mm4，鋼梁梁與混凝土板之間單位長度最大縱向剪力V1=V×S/I=710.0 N/mm。橋面板2個可能的破壞截面見圖5。對a-a截面和b-b截面所承受的剪力進行計算。

圖5 橋面板縱向抗剪驗算界面

經計算：a-a截面剪力設計值小于縱向界面單位長度抗剪承載力(V1d

3.2.2橋面板橫向抗彎承載力驗算

本橋鋼主梁采用3片工字梁組成的斷面，因此橫橋向有較長的懸臂部分。橋面板與鋼主梁通過剪力釘形成連接后，位于主梁懸臂部分的兩側橋面板簡化為懸臂板，主梁中間部分的橋面板簡化為簡支板結構。

1) 懸臂抗彎驗算。選取縱橋向的單位長度橋面板進行承載力驗算，彎矩設計值為

M0=-75.5 kN·m

懸挑部分端部正截面抗彎承載力為

Mu=122.9 kN·m

Mu>1.1×M0，懸挑板滿足正截面抗彎承載力要求。

2) 梁間抗彎驗算。

M0=98.6 kN·m

跨中正截面抗彎承載力為

Mu=122.9 kN·m

綜合上述分析可得Mu>1.1×M0，梁間板滿足正截面抗彎承載力要求。

3.2.3橋面板橫向抗裂驗算

跨中和支點截面橫向雙層配筋布置為HRB400，間距100，各16根，裂縫寬度驗算過程見表3。由表3可見，由于正常使用極限狀態橫向鋼筋應力很低，因此裂縫寬度完全滿足要求。

表3 橋面板裂縫寬度驗算表

3.3 剪力連接構件

在鋼-混凝土組合結構中，需使用連接件把兩者結合在一起，其主要用于承擔鋼梁與混凝土橋面板間的剪力。連接件稱為剪力釘、剪力鍵、剪力連接件等，最常見的連接件是圓柱頭焊釘，其力學性能不具有方向性，即不必考慮受力方向進行設置，且施工方便，質量容易保證[5]。為保證混凝土板與剛主梁的有效連接，防止相互錯動，本橋采用直徑×長度為22 mm×180 mm焊釘連接件連接。

3.3.1焊釘連接件的抗剪承載力

焊釘連接件的抗剪承載力按照JTG/T D64-01-2015 《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[6]9.3.4-1條公式計算

Vsud=85.1 kN

根據GB 50917-2013《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》[7]第7.2.1條，分別考慮發生栓釘剪斷破壞時和混凝土壓碎破壞時計算焊釘連接件的抗剪承載力并取最小值，為102.8 kN。

通過對比，《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》計算結果與《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》的計算方法得到的剪力件承載力相接近，基于偏安全考慮，采用《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》計算結果，即Vsud=85.1 kN。

3.3.2剪力釘剪力分布

根據結構計算，橋面板與鋼箱梁之間的剪力在梁端及中支點位置較大，在跨中部分較小。擬在每個頂板設置11排焊釘(跨中13排)，間距100 mm，縱向按照150 mm布置，橫、縱向布置圖分別見圖6、圖7。

圖6 焊釘連接件橫向布置圖(單位：mm)

圖7 焊釘連接件縱向布置圖(單位：mm)

3.3.3剪力釘剪力分布計算

根據上文計算結果，單片工字鋼梁上端部每延米抗剪承載力

跨中每延米抗剪承載力

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》組合梁連接件作用組合考慮以下2種情況。

1) 組合后結構重力+汽車荷載+混凝土橋面板升溫。

2) 收縮變形+混凝土橋面板降溫。

上述結果可得：由混凝土升溫溫差產生的混凝土板與鋼梁的端部剪力

Tmax=-540.75 kN/m

由混凝土收縮+降溫溫溫差產生的混凝土板與鋼梁的端部剪力

Tmax=2 137.3 kN/m

3.3.4混凝土與鋼主梁間剪力包絡圖

通過上述計算，可以得到混凝土與鋼主梁間剪力包絡圖，見圖8。

圖8 混凝土與鋼主梁間剪力包絡圖(單位：kN)

由圖8可知，剪力件提供的剪力承載力均大于實際產生的最大剪力值，剪力件布置滿足設計要求。

4 結語

本文對一跨56 m跨鋼-混組合梁結構進行分析計算，施工及成橋階段受力均能滿足規范要求；造價對比，本橋原設計方案建安費為2 041萬元，變更后費用為1 919.8萬元，較原方案減少121.2萬元。目前本橋主梁已架設完成，正在進行橋面系施工，施工工期與原計劃基本一致，通過上述分析研究，充分說明本方案經濟可行，同時得出如下結論。

1) 鋼-混組合梁結合了鋼材和混凝土各自的優點，充分發揮混凝土抗壓性能好和鋼材抗拉性能好的特點，具有較好的經濟性。

2) 根據頂推中受力分析，施工過程中組合梁及導梁受力均能滿足規范要求，同時架設完成的鋼主梁可作為澆筑橋面板的底模，具有較強的可實施性，能夠有效地解決施工時河堤禁止搭設支架的問題。

3) 本方案采用一跨簡支結構，無需設置邊跨，對通航河流的主橋跨徑布置干擾較小，對于同時滿足通航、防洪要求的橋梁具有很強的適用性。