S型曲線小半徑連續窄箱室鋼混組合梁設計要點及受力研究

摘要：文章依托某項目4 m×45 m連續窄箱室鋼混組合梁，介紹了連續窄箱室鋼混組合梁的構造設計，采用有限元軟件進行數值分析。設計出一種窄箱式鋼梁和有承托混凝土橋面板結合的鋼混組合梁截面形式。鋼混組合梁增大了組合截面的剛度，減小了梁的撓度；提高了梁的基頻，利于結構的抗震設計；整個截面重心的抬高，鋼梁的腹板較大一部分處于受拉區，避免鋼梁腹板產生“呼吸效應”。文章總結了鋼混組合梁較常規結構的優缺點，構造上經優化后可為同類型橋梁方案提供設計參考。

關鍵詞：連續鋼混組合梁；窄箱室鋼混組合梁；小曲線半徑；設計與計算

中圖分類號：U442.5文獻標志碼：A

0引言

近年來，鋼混組合梁以良好的受力性能，越來越多地應用在橋梁建設中。鋼混組合梁是由鋼主梁、混凝土橋面板及剪力連接鍵組成的一種新結構，能充分發揮混凝土受壓、鋼材受拉的特性，在橋梁全壽命周期中有著良好的技術經濟效益［1］。

1項目概況

橋梁平面呈S型，曲線段，曲線半徑100m；最大橫坡為5%，全橋均位于超高漸變段上，橋梁縱坡為+3.101%～-3.0%。結合現場的地形、地貌等情況，選用一聯4孔連續梁橋（見圖1）。

2結構比選

上部結構有鋼箱梁、鋼混組合梁、預應力砼連續箱梁等。

考慮到預應力砼箱梁梁高高、自重大，需采用滿堂支架施工，影響下穿主線橋橋下凈空、交通組織，不予考慮。

相對鋼箱梁，鋼-混組合結構經濟性好；此外，橋面板采用混凝土結構，可直接采用瀝青混凝土作為鋪裝層，鋼箱梁則大多采用混凝土鋪裝層+瀝青混凝土。雖然近年來亦多采用鋼橋面板+UHPC（超高性能混凝土）組合鋪裝，但存在造價高的問題；同時，橋梁位于超高漸變段上，考慮到鋼箱梁頂板、底板、腹板的高度及厚度隨橫坡連續變化，加工難度大，因此不予選擇。

開口槽型鋼混組合梁，加工難度大，同時其抗扭性不如閉口箱型鋼梁；工字型鋼板梁則是構造上受限于小曲線半徑的抗扭要求，整體穩定性較差，均不予考慮。

綜上，本橋采用一聯4m×45m連續窄型室鋼混組合梁設計。

3設計要點

3.1結構方案

橋梁斷面采用分離式閉口窄箱梁+混凝土橋面板［1］。鋼梁高度2m，高跨比為1/22.5，單梁支點處橋面板厚度0.35m，鋪裝層0.1 m，總高2.45m；橋面板現澆，懸臂長度與箱間長度比為0.42。支座間距為5.6m，傾覆力矩有效地減小。

兩個窄箱梁之間設置橫梁，形成框架結構，間距4.3m；超高段橫坡通過兩片鋼梁的高差調節，鋼梁高度、鋼梁翼緣及底板保持水平，減小加工難度，主梁的頂、底板變厚處理，減少自重。

3.2主梁中支點特殊構造設計

中支點處受力特殊，在中支點處左右兩側各約1/8L（L為梁的跨度）范圍內布置連續的實腹式橫隔板；同時在中支點底板拉壓交替區及受壓區，腹板靠近上翼緣部分的縱向加勁肋FZ3斷開，在中支點兩側各約L/4內范圍內布置一道靠近底板的腹板縱向加勁肋FZ4。

3.3主梁設計

橋面總寬10.5m，橫向設置2道主梁［2］，支點處設置1道橫梁，邊跨每隔2.769m設置1道實腹式橫隔板，中跨每隔2.813m設置1道實腹式橫隔板，2道實腹式橫隔板之間設置1道橫肋。主梁頂底板保持水平不變，箱室頂板寬1.4m，底板寬1.5m，頂板厚20～40mm，底板厚24～64mm；腹板選用直腹板，厚度16mm，在跨中及端部頂部區域設置1道縱向加勁肋，在中支點附近靠近頂底部位各設置一道縱向加勁肋，如圖2所示。

橋面板橫向支承在主梁上頂板，通過剪力連接鍵與主梁連接，按單向受力處理，標準段厚25cm，鋼梁頂板上方的混凝土橋面板厚度保持35cm不變。

3.4橋面板設計

目前，橋面板的設計原則由原來的拉應力限值理論轉變為裂縫寬度限值理論，這是組合梁未來的設計趨勢。負彎矩區域不施加預應力，采用高配筋，配筋率可達3％～5％，在混凝土名義應力高達7MPa時，最大裂縫小于0.15mm，同時可與支座頂升、預加荷載法結合使用。

4計算分析

4.1有限元分析

采用Midas Civil 2019有限元軟件建立全橋模型，采用雙層單元法，窄箱室鋼梁及混凝土橋面板均采用梁單元，鋼梁和橋面板之間采用剛性連接，支撐為彈性連接，全橋離散成2010個單元，1096個節點，橋面板采用橋博V4.0計算分析［3］。

4.2荷載取值及作用組合

按JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》等規范規定。

4.3計算分析方法

4.3.1組合梁基本計算原理

（1）有效寬度。與混凝土梁橋類似，組合梁混凝土橋面板同樣存在剪力滯效應［4］，橋面板的橫向跨度較大。考慮到遠離鋼梁腹板處混凝土橋面板的壓應力很小，因此設計時把混凝土橋面板參與鋼梁共同受力的寬度限制在一定的范圍內，即為橋面板的有效計算寬度beff，并且假定在beff范圍內壓應力是均勻分布的。

（2）截面特性。鋼梁與混凝土橋面板之間連續牢固地結合在一起，不考慮滑移；發生彎曲時，截面符合平截面假定原則；材料服從胡克定律。根據結構的合力不變和應變相等的原則，將混凝土截面按混凝土與鋼兩者彈性模量的比值n換算成等效的鋼截面，用材料力學公式直接求得的應力就是假定的鋼截面應力。

（3）截面剛度計算。混凝土橋面板按普通鋼筋混凝土構件設計，采用開裂分析法，在中支點兩側各0.15L范圍內，鋼混組合梁的截面剛度應取開裂截面剛度EIcr，其余部分的截面剛度取未開裂截面剛度EIun。同時，在計算截面的開裂截面慣性矩Icr時，考慮混凝土板有效寬度內縱向鋼筋的作用，不考慮受拉區混凝土對剛度的影響。

進行等效換算，開裂截面中混凝土橋面板的彈性模量為E＇=EsAsAc（E＇、Es分別為混凝土、鋼材彈性模量，Ac、As分別為混凝土、鋼材截面面積）。

4.3.2施工階段過程模擬

施工階段劃分：鋼梁架設、施加橋面板濕重、橋面板剛度形成、施加二期恒載、模擬橋面板開裂、收縮徐變10年。

5計算結果及處理

5.1承載能力極限狀態驗算

5.1.1鋼主梁抗彎承載能力驗算

控制截面處主梁應力如表1所示。

經驗算，主梁上緣應力162MPa＜［fd］=270MPa（t=16～40mm），主梁下緣應力165MPa＜［fd］=260MPa（t=40～63mm），均滿足規范要求。

5.1.2鋼梁腹板抗剪承載能力驗算

控制截面處主梁剪應力如表2所示。

經驗算，鋼梁剪應力66.3MPa＜［τd］=155MPa（t=16～40mm），滿足規范要求。

5.2正常使用極限狀態驗算

5.2.1橋面板裂縫寬度驗算

根據程序計算可知，在最不利荷載組合作用下，橋面板鋼筋的應力約為104.8MPa，裂縫寬度為0.122mm＜0.15mm。

經驗算，混凝土橋面板裂縫寬度滿足規范中規定的混凝土構件在正常使用極限狀態下裂縫寬度不大于0.2mm的要求，在設計時裂縫寬度控制值按照偏保守處理，較規范取值偏小在實際工程中更為有利。

5.2.2撓度驗算

鋼梁在汽車荷載作用下最大撓度約為1.15×32.9mm=37.8mm

5.3結果處理

主梁驗算：根據規范可知，組合梁在承受彎矩和剪力共同作用時，應考慮兩者耦合的影響，驗算腹板的折算應力。由連續梁的受力特性可知，最大彎曲正應力和最大剪應力同時發生在中支點處，則有σ2+3τ2≤1.1fd，則有165.62+3×66.32=201.5 MPa≤1.1fd=297 MPa，鋼混組合梁的強度滿足要求。

6結語

在中等跨徑橋梁設計中，鋼混組合梁橋由于自身構造簡單，加工方便，能適應各種現場施工條件，對比常規的鋼箱梁和預應力混凝土梁，它的優點可以概括如下。

（1）能充分發揮鋼材和混凝土材料的特性，同時鋼混組合梁截面高度相對較小，在凈空受限的條件下比混凝土結構（高跨比1/20～1/18）有較大的優勢。

（2）相比鋼箱梁，組合梁可以利用鋼梁為支撐，搭設模板澆筑混凝土橋面板，節省施工材料，經濟性較好；相比混凝土箱梁橋施工，機械化程度較高，可加快施工速度。

（3）由于混凝土橋面板增大了組合截面的剛度，梁的撓度也會相應減小，整體性能更好。此外，由于混凝土橋面板的自重相比鋼橋面板更大，還可以提高上部梁的基礎自振頻率，有利于結構的抗震設計。

（4）由于混凝土橋面板的設置，一方面，增大了組合梁的側向剛度，可以防止主梁在荷載作用下產生扭轉失穩；另一方面，使得整個截面的重心抬高，鋼梁的腹板較大一部分處于受拉區，有利于避免鋼梁腹板產生“呼吸效應”。

（5）本文以實際工程項目為例，介紹了窄箱室連續鋼混組合梁的構造設計要點和計算分析，闡述了窄箱室鋼混凝土組合梁的結構布置、設計原則、計算方法，并總結了鋼混組合梁相較于其他結構的優缺點，可作為同類橋梁結構設計參考。

參考文獻

［1］施新欣， 陳莎莎， 崔小建， 等. 基于BIM和快速施工的城市高架預制鋼混組合梁橋設計系統研發［J］. 土木工程學報， 2023（10）： 67-77.

［2］周倩茹. 城市鋼混組合梁橫向分布系數研究分析［J］. 城市道橋與防洪， 2020（1）： 140-142.

［3］蘇慶田， 劉玉擎， 曾明根. 鋼混組合箱梁橋受力的有限元仿真分析［J］. 橋梁建設， 2006（5）： 28-31.

［4］張立奎， 邵真寶， 孫曉彤， 等. 考慮滑移影響的雙主梁鋼混組合梁剪力滯后效應研究［J］. 公路， 2022 （12）： 219-224.

（編輯編輯姚鑫）

Design points and stress analysis of S-shaped curved small radius continuous narrow box room steel-concrete composite beam

Huang ?Xuan

（China Ralyway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Nanjing

Design Institute， Nanjing 210000，China）

Abstract： This paper relies on a 4 m×45 m continuous narrow box room steel-concrete composite beam on ramp A. It introduces the structural design of steel-concrete composite beam with continuous narrow box room and carries out numerical analysis with finite element software. A cross-section form of steel-concrete composite beam combining narrow box steel beam and supported concrete bridge deck is designed. The steel-concrete composite beam increases the stiffness of the composite section and reduces the deflection of the beam. It improves the fundamental frequency of the beam and is beneficial to the seismic design of the structure. With the elevation of the center of gravity of the whole section， a large part of the web of the steel beam is in the tension zone， so as to avoid the “respiratory effects” of the web of the steel beam. This paper summarizes the advantages and disadvantages of steel-concrete composite beams compared with conventional structures， which can provide reference for similar bridge schemes after structural optimization.

Key words： continuous steel-concrete composite beam; narrow box room steel-concrete composite beam; radius of minor curve; design and calculation

作者簡介：黃軒（1991—），男，工程師，碩士；研究方向：橋梁結構設計與計算。