裝配式鋼混組合梁設計計算研究

管永偉

(山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

裝配式鋼混組合梁是鋼梁與混凝土板同截面共同受力，充分利用鋼板的抗彎性能和混凝土的抗壓性能而產生的一種組合梁。19世紀末出于對結構防銹蝕、防火等方面的考慮就已經出現鋼混組合梁，當時未考慮到兩種材料的配合會使得構件整體剛度、強度大幅度增強，但這在無形中產生了鋼與混凝土組合而成的新結構形式[1]。

隨著鋼混組合梁的不斷研究，該結構的優點不斷被發掘出來，其在大中跨徑橋梁建設中的作用也越來越重要。鋼與混凝土的完美結合，相比于傳統鋼筋混凝土梁，減輕了主梁的重量，提高了構件的承載能力和延性，大大提高了結構的抗震性能。與傳統鋼梁相比，提高了橋梁的整體剛度與穩定性，同時也降低了鋼用量，有效降低了造價[2]。

近年來，國務院辦公廳發布的《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》以及2022年交通運輸部發布的《公路裝配式混凝土橋梁設計規范》均體現了橋梁向裝配化發展的方向，隨著住房和城鄉建設部和各省裝配式鋼混組合梁通用圖的發布與實施，已建鋼混組合梁暴露出明顯病害，如混凝土翼緣板縱向開裂、橋面板產生疲勞裂紋和橫向裂縫、剪力釘破損、鋼梁銹蝕等[3]。

要從根本上控制病害，就應該對裝配式鋼混組合梁的設計計算進行研究。本文通過標準圖示例，利用midas Civil有限元軟件從施工階段劃分、各施工階段考慮的作用及各個作用的組合三個方面分析了裝配式鋼混組合梁的設計要點。

1 項目概況

根據2018年浙江省公路工程設計標準圖——45 m組合梁橋通用圖，參照《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)和《公路橋涵設計通用規范》(JTJ d60—2015)，確定45 m鋼板組合簡支梁橋的主要技術標準如下：

(1)公路等級：一級公路或城市快速路；

(2)結構設計安全等級：一級，結構重要性系數：1.1；

(3)橋梁跨徑：計算跨徑44.92 m，標準跨徑(含80 mm伸縮縫)45 m；

(4)橋面寬度：單幅三車道，16.5 m寬；

(5)橋梁結構設計基準期：100年；

(6)汽車荷載等級：公路-I級、城-A級。

該橋跨徑布置：45 m簡支梁；主梁形式：三主梁工字鋼組合鋼板梁，主梁間6 m，梁高2.8 m(2.4 m鋼主梁+0.4 m混凝土板)。

2 施工階段分析

裝配式鋼混組合梁是鋼梁與混凝土板在工廠預制完成后現場拼裝的一種組合梁。待墩身、橋臺與蓋梁完成后，其施工階段由以下幾部分構成：

(1)組合梁鋼板梁拼裝；

(2)橫梁與鋼主梁連接；

(3)組合梁混凝土橋面板吊裝；

(4)瀝青鋪裝、安裝防撞護欄、橋面排水等附屬設施，全橋竣工。

以標準圖為例，采用midas Civil有限元軟件考慮以上施工階段，可分為以下三個階段。

在形成組合截面后，可施加橋面二期荷載，考慮混凝土的收縮徐變時間，一般考慮10年，完成施工階段分析。

3 各施工階段考慮的作用

在進行內力計算時，需考慮一期恒載(橋面板重量和鋼梁重量)、施工荷載、二期恒載(瀝青鋪裝+欄桿)、汽車活載、汽車疲勞荷載、收縮徐變、溫度作用、沉降[4]。

根據以上有限元施工分析的劃分，可將施工階段劃分為兩大階段：純鋼梁階段和鋼混組合梁階段。一期恒載、施工荷載由鋼梁承擔，待施工完成后施工荷載取消，在形成二期恒載(鋪裝+欄桿)、汽車活載及收縮徐變由組合梁截面承擔。具體分類及計算方法如表1所示。

表1 施工階段各作用分類及計算方法

將各個作用按以上表格計算方法計算得出，然后作用到不同施工階段的截面上就可以完成計算建模分析。可得到組合梁在各個施工階段的內力、應力、撓度等數據。如在架設鋼梁階段，荷載作用在鋼梁截面。

圖5 一期恒載作用下鋼梁彎矩內力圖(單位：kN·m)

4 作用組合

在進行組合梁承載能力驗算時，首先要進行內力組合計算，然后計算出各個斷面的截面特性，對其進行應力計算。而應力計算的結果決定了各個截面承載力能否通過。

4.1 內力組合

當鋼-混凝土組合梁進行承載能力極限狀態計算、穩定計算、局部連接件抗剪計算時，作用組合應按照公路橋梁通規的基本組合進行考慮；對鋼-混凝土組合梁進行混凝土抗裂驗算時應按照公路橋梁通規的頻遇組合及準永久組合；抗疲勞計算和抗傾覆穩定計算作用效應組合應采用標準組合[4]。

(1)基本組合

(作用效應按照線性關系考慮)

(1)

式中：Sud為承載能力極限狀態下作用基本組合的效應組合設計值[4]；γ0為結構重要性系數，取1.1；γGi、Gik為第i個永久作用效應的分項系數和標準值，γGi=1.2(1.0)；γQ1，Q1k分別為相應汽車荷載作用下的分項系數和標準值，γQ1=1.4；γQj、Qjk分別為除汽車荷載外的其它可變作用效應的分項系數和標準值；ψc=0.75[4]。

(2)頻遇組合：永久作用標準值、車荷載頻遇值和他可變作用準永久值相結合。

(2)

Sfd為作用短期效應組合設計值；ψf1：汽車荷載(不計汽車沖擊力)頻遇值系數，ψf1=0.7；ψfj：第j個可變作用準永久值系數；人群：f2j=0.4；溫度梯度：f2j=0.8；其它作用：f2j=1.0。

(3)準永久組合：永久作用標準值與可變作用準永久值相組合

(3)

Sqd：為長期效應組合作用設計值；ψfj：第j個可變作用準永久值系數；f2j=0.4；人群：f2j=0.4；溫度梯度：f2j=0.8；其它作用：f2j=1.0。

根據以上公式，考慮1.1倍的結構重要性系數，按以上所述承載能力極限狀態下的基本組合，為1.2倍的恒載(含收縮徐變)，1.4倍汽車活載效應，溫度活載取1.4×0.75=1.05。形成四個荷載組合。

①1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體升溫+1.05梯度升溫

②1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體降溫+1.05梯度升溫

③1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體升溫+1.05梯度降溫

④1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體降溫+1.05梯度降溫

根據以上四個荷載組合取各個施工階段最不利內力對截面進行承載力計算。對于該三片工字型組合簡支梁，對邊梁和中梁分別分析，計算跨中最大彎矩和支點最大剪力，對其對應截面進行承載力分析。

4.2 應力組合

主梁應力計算以最具代表性的跨中截面和支點截面進行計算。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》11.2.1和11.2.2規定進行計算。

《公路鋼結構橋梁設計規范》11.2.1抗彎計算指出，在進行組合梁抗彎計算時，應按施工方法及順序，對施工過程進行抗彎驗算，作用效應組合按《公路橋涵設計通用規范》規定執行，即3.1所述。

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》11.2.2，組合梁抗剪計算應符合以下規定：

(1)組合梁截面的剪力應全部由鋼梁腹板承擔，不考慮混凝土板的抗剪作用。

(2)組合梁截面抗剪驗算應符合以下規定

γ0Vd≤Vu

(4)

Vu=fvd·Aw

(5)

其中，γ0為結構重要性系數，取1.1；Vd為組合梁截面的剪力設計值；Vu為組合梁截面的抗剪承載力；fvd為鋼材的抗剪強度設計值；Aw為鋼梁腹板的截面面積。

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計設計》(GB 50917—2013)對鋼-混組合梁正常使用極限狀態進行短暫狀況驗算和持久狀況驗算，應力驗算采用荷載標準組合；承載能力極限狀態驗算采用基本組合[5]。應力驗算荷載組合如表2所示。

表2 應力荷載組合

在持久狀況下，根據規范，在對鋼-混凝土組合梁進行應力計算時，應滿足以下規定。

(1)在對混凝土橋面板進行正應力驗算時，其壓應力最大不宜大于0.50fck(混凝土軸心抗壓強度標準值)。

(2)鋼結構應力不應大于75%的強度設計值，且應滿足穩定的要求。

在短暫狀況下，在對鋼-混凝土組合梁進行應力計算時，應滿足以下規定。

(1)在對混凝土橋面板進行正應力驗算時，其壓應力最大不宜大于0.70fck。

(2)在對鋼結構進行應力驗算時，其最大應力不應大于80%的材料強度設計值，且應滿足結構穩定性的要求[5]。

5 結 語

裝配式鋼混組合梁因其巧妙的利用了混凝土和鋼材的材料優勢，表現出優良的抗震性能、裝配程度高、結構造價低、綠色環保等優點，在國內外大中跨徑橋梁中得到廣泛應用。隨著裝配式鋼混組合梁的推廣應用，在實際工程中也暴露出了一些可以控制的病害，因此如何從設計上控制病害的發生是本文重點研究的內容，本文有以下三個創新點。

(1)根據裝配式鋼混組合梁的成橋過程，通過midas Civil有限元軟件對其進行施工階段劃分。

(2)根據實際施工階段，對各個施工階段的荷載進行了分析并列出了計算方法。

(3)結合規范，對各個施工階段的荷載組合方式進行了研究，重點對內力和應力的抗彎和抗剪組合進行了歸納總結。