中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁閉口與開口截面對比分析

張雅杰，汪維安

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國交通事業不斷發展，鋼鐵產量持續增加，我國開始大力推廣在橋梁結構中應用鋼材[1]。鋼箱-混凝土組合梁橋因其整體性能好，抗震性能優，承載能力強，能充分發揮兩種材料的優勢，且鋼結構自重輕，便于運輸吊裝，施工工期短，對既有公路影響小等優勢，越來越多地被應用于實際工程，尤其是中小跨徑的跨線橋中。

本文基于高速公路鋼混組合梁通用圖，以中小跨徑鋼箱-混凝土組合梁為例，對其受力過程開展理論分析研究，對閉口鋼箱截面和開口鋼箱截面下該類組合梁的應力、撓度、用鋼量增量和焊縫減少量進行了分析，為我國中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的設計和建設應用提供參考。

1 鋼箱-混凝土組合梁結構

鋼箱-混凝土橋面板組合梁橋主要由鋼箱主梁(或鋼箱主梁+ 工字型小縱梁)、鋼橫梁、加勁板、邊側板、拼接板和螺栓、混凝土橋面板及其底鋼板等組成（見圖1）。

圖1 鋼箱- 混凝土組合梁構造示意圖

圖2 中b1 為頂板有效寬度范圍，截面（a）中b2與b1 等厚度，頂板為整塊鋼板，b1 與b2 間無焊縫。截面（b）中b2 采用8 mm 厚底鋼板，b2 與b1 不等厚，b1 與b2 間采用焊接連接。截面（c）為頂板按局部穩定折減后的計算截面。

圖2 鋼箱截面形式

2 鋼梁頂板有效寬度

施加混凝土橋面板濕重階段，鋼梁頂板由于寬厚比過大，鋼板將發生屈曲現象，構件發生局部失穩。此時，部分板件屈曲后退出工作，頂板有效寬度減小，截面承載能力減小。為保證截面有效寬度，在頂板上側設置加勁肋，改善頂板局部失穩現象，保證截面強度和承載能力。頂板局部穩定屈曲模型見圖3。

圖3 頂板局部穩定屈曲模型

鋼板有效寬度計算方法按《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）[2]中5.1.6 和5.1.7 條執行。頂板縱向加勁肋分為剛性加勁肋和柔性加勁肋，根據表1 可知，本文實例分析中的頂板縱向加勁肋為柔性加勁肋，板的局部穩定折減系數ρ 取0.45。

表1 剛性、柔性加勁肋判斷

3 鋼箱-混凝土組合梁力學行為過程

中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的建設可不設臨時支墩，而是通過分段澆筑混凝土橋面板的方法來達到控制主梁應力和變形的目的，從而實現組合梁快速施工，并避免了臨時支墩施工對周邊環境的影響。中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的施工步驟主要分為以下幾個階段（見圖4）：

圖4 計算模型

（1）鋼梁架設，包括鋼構件焊接和縱、橫向節段拼接等。

（2）整體澆筑或分段澆筑混凝土橋面板。

（3）鋼梁與混凝土橋面板形成整體，施加防撞墻、橋面鋪裝等二期荷載。

（4）結構完成收縮徐變，結構投入運營開始承擔移動活載。

考慮鋼梁頂板有效寬度折減后，對于閉口箱形截面（a），在鋼梁架設過程中，由開口箱形截面承擔結構自重；在澆筑混凝土橋面板過程中，由開口箱形截面承擔混凝土橋面板濕重；在施加二期荷載和成橋階段，由閉口箱形截面承擔混凝土橋面板濕重（見圖5）。

圖5 閉口鋼箱受力截面變化形式（未示出頂板加勁肋）

對于開口箱形截面（b），在鋼梁架設過程中，由開口箱形截面承擔結構自重；在澆筑混凝土橋面板過程中，由開口箱形截面承擔混凝土橋面板濕重；在施加二期荷載和成橋階段，由開口箱形截面承擔混凝土橋面板濕重（見圖6）。

圖6 開口鋼箱受力截面變化形式（未示出頂板加勁肋）

4 閉口、開口鋼箱受力對比

利用通用有限元軟件Midas Civil 建立整體模型，采用梁單元和施工階段聯合截面建立梁格模型。通過Midas FEA 建立局部模型，采用板殼單元模擬鋼板屈曲，并結合手算和ABAQUS 確定鋼板局部穩定折減系數。

4.1 截面和材料

鋼箱- 混凝土組合梁采用L=50 m，B=12.6 m 的直線橋，主次橫梁間距分別為5 m，主次橫梁交叉布置，鋼纖維混凝土橋面板180 mm，鋼梁腹板均為12 mm 厚鋼板，懸臂寬1 m，箱室寬2 m，橋寬范圍內共設兩個主箱，不設工字小縱梁，頂板設柔性加勁肋，圖7、圖8 寬度范圍以外的頂板板厚采用8 mm。取3 種板厚截面進行對比分析，詳見表2。

表2 截面板厚對應

圖7 閉口截面尺寸

圖8 開口截面尺寸

4.2 荷載

一期恒載，即為自重，按材料容重加載，加勁肋重量單獨加載。二期恒載包括防撞護欄、橋面鋪裝，按均布荷載施加，單側防撞護欄取10 kN/m。鋼纖維混凝土橋面板按濕重荷載施加。汽車活載按照汽車荷載公路-I 級標準取值。整體溫度、梯度溫度、收縮徐變均按規范要求進行加載[3]。

4.3 應力對比

本文通過分別對3 種不同尺寸的閉口鋼箱截面和開口鋼箱截面進行計算，獲得各截面上、下緣及腹板分別在不同施工階段和荷載作用下的應力結果，并對其進行對比分析。圖9 至圖11 中給出了不同階段應力數值，單位均為MPa。

圖9 不同截面、不同工況下鋼梁上翼緣應力圖

由圖9 可以看出，鋼梁頂底板采用相同厚度時，閉口截面鋼梁上翼緣應力小于開口截面，約減小10～20 MPa。鋼梁上翼緣應力差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁上翼緣在二期恒載、溫度、活載、收縮徐變作用下的應力差別不大。跨中位置閉口截面與開口截面上翼緣應力差值，較支點位置閉口截面與開口截面上翼緣應力差值更小。

由圖10 可以看出，鋼梁頂底板采用相同厚度時，支點位置閉口截面鋼梁下翼緣應力小于開口截面，約減小0～10 MPa。鋼梁下翼緣應力差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁下翼緣在二期恒載、溫度、活載、收縮徐變作用下的應力差別不大。跨中位置閉口截面與開口截面下翼緣應力相差不大。

圖10 不同截面、不同工況下鋼梁下翼緣應力圖

由圖11 可以看出，鋼梁頂底板采用相同厚度，閉口截面鋼梁腹板剪切應力略小于開口截面鋼梁腹板剪切應力。鋼梁腹板剪切應力差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁腹板在二期恒載、活載作用下的剪切應力差別不大。

圖11 腹板剪切應力

4.4 撓度、用鋼量與焊縫增量對比

由圖12 可以看出，鋼梁頂底板采用相同厚度，閉口截面鋼梁撓度略小于開口截面鋼梁撓度。鋼梁撓度差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁在二期恒載、活載作用下的撓度差別不大。

圖12 主梁撓度對比圖

由表3、表4 可知，相同板厚下，相比開口截面，閉口截面以增加少量用鋼量為代價，來換取鋼梁應力水平的降低和焊縫數量的減少。

表3 用鋼量增量與焊縫增量B=2 m（以2.5 m 長節段計算）

表4 用鋼量增量與焊縫增量B=12.6 m（以2.5 m 長節段計算）

5 結語

（1）對鋼箱- 混凝土組合梁，相同板厚下，閉口截面鋼梁應力較開口截面更小，尤其是鋼梁上翼緣應力減小較多，鋼梁下翼緣正應力和腹板剪切應力減小較少；支點位置鋼梁應力減小幅度大于跨中位置。

（2）對鋼箱- 混凝土組合梁，相同板厚下，閉口截面鋼梁撓度略小于開口截面鋼梁撓度。

（3）鋼梁上下翼緣應力、腹板剪切應力和主梁撓度差異均主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，而在二期恒載、活載、溫度及收縮徐變作用下的差別不大。

（4）相同板厚下，相比開口截面，閉口截面雖增加少量用鋼量（橋面全寬范圍內該增量還將大大減小），但鋼梁應力水平降低較多，且焊縫數量大大減少。由于工人技術、環境等因素影響，鋼結構焊接質量難以有效控制[4]，組合梁結構應用中焊接問題較為突出，采用閉口截面能夠減少焊縫數量，進而減少過多集中焊接量，可適當避免焊接質量問題。另外，由于閉口截面應力水平低于開口截面，采用閉口截面時可適當降低鋼梁頂底板厚度，進而在相同應力水平下，閉口截面與開口截面用鋼量能夠基本保持一致。

（5）本文按規范給出了鋼板有效寬度計算方法，對鋼箱- 混凝土組合梁的受力過程開展了詳細的理論分析，并對閉口鋼箱截面和開口鋼箱截面進行了對比分析，為今后中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的設計和建設提供了參考。