基于国外规范的多跨钢混叠合梁桥的设计与分析计算

廖圆圆，蒋 望

（1.湖南省高速公路建设开发总公司，湖南 长沙 410001；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

随着中国工程在海外市场的不断拓展，一些国外的工程项目被国内的设计单位承接，国内桥梁设计师很少采用国外设计规范进行海外项目的设计，缺乏这方面的设计经验［1－4］.因此，结合欧洲规范，作者拟提出多跨钢—混叠合梁桥的设计方法，并在非洲乍得共和国的乍得大桥上获得成功运用，以供同行借鉴与参考.

1 工程概述

乍得共和国的乍得大桥，是从喀麦隆进入乍得的门户.乍得大桥是一座7跨连续钢—混叠合梁桥，全长223m、其中中跨跨径为33m，边跨跨径为28m，桥宽9m，双向两车道.钢梁由2根工字型的钢主梁通过横隔板联结而成，钢主梁横向间距5m、高1.5m；上翼缘板宽0.7m、板厚0.044m，下翼缘板宽0.7m、板厚0.060m，腹板厚0.016m，钢主梁腹板根据稳定性计算布置水平和竖向加劲肋；支座处横隔板腹板厚0.016m，其余横隔板腹板厚0.012m.混凝土桥面板厚0.25～0.3m，沥青混凝土桥面铺装厚0.06m.桥梁的下部结构采用钢筋混凝土薄壁墩结构，墩顶宽1.2m，墩底宽1.8m；基础采用钻孔灌注桩，桩径1.0m，总体布置如图1所示.因乍得共和国曾为法属殖民地，故乍得大桥设计需按欧洲规范和法国规范进行设计.

图1 乍得大桥总体布置（单位：cm）Fig.1 General arrangement of Chad large bridge（unit：cm）

2 基本设计参数取值

混凝土与钢材等材料的容重、弹性模量及设计抗压（拉）强度等基本参数均按欧洲规范ENV 1992—2和ENV 1993—2规定取值.

2.1 混凝土材料

桥面板和防撞栏杆基座混凝土强度等级为B35，桥头搭板混凝土强度等级为B40，桥台、桥墩、承台及桩基混凝土强度等级为B30.钢筋混凝土容重为25kN／m3；桥面铺装沥青混凝土容重为22kN／m3；混凝土抗压强度设计值为fc＝（其中：θ＝1.0，r＝1.5，f为混凝土bc2828d抗压强度）；混凝土抗拉强度设计值ft＝0.6＋0.06fc28；混凝土弹性模量Ec＝11000.按公式计算所得的混凝土材料设计参数见表1.

表1 混凝土材料设计参数Table 1 Design parameter of concrete materials

2.2 钢材

钢板、钢筋容重为78.5kN／m3.钢材其他设计参数见表2.

表2 钢材设计参数Table 2 Design parameter of steel product

3 法国规范规定的荷载、荷载组合横向分布系数与冲击系数的取值

3.1 荷载

1）汽车活载

汽车活载包括［5－9］：① Bc标准卡车荷载；②Mc120体系的军事荷载；③ 特殊负荷：型号NIGER的车队，定义为：半挂车42t，4个车轴分别为13，13，9.5和6.5t，分别间隔1.5，4和3m，在连续卡车之间纵向平移的距离为12.90m.3种汽车荷载纵横向布置如图2所示.

2）人群荷载

人行道的长度l＝100m，则人群荷载为：

在欧洲公路设计标准颁布以前，由于法国在欧洲的主导地位，常常以法国的荷载标准作为欧洲公路设计标准.因此桥梁结构荷载按照法国标准（CPC第Ⅱ章分册61：道路桥梁荷载及检测大纲）的规定选取.

3）二期恒载

二期恒载包括6cm桥面铺装、栏杆等共计为：13.4kN／m.

4）施工阶段荷载

包括支架（钢梁支撑）、模板、人员及施工设备等，施工荷载取值为6.0kN／m；施工荷载引起的偶然作用力不计.

5）温度荷载［10］

整体温度变化：少见情况＋50°C和－10°C；常见情况＋30°C和－6°C.截面温度梯度：少见温度的差异：±10°C，常见温度的差异：±5°C，即T1＝±10°C（±5°C），T2＝0°C.

6）支座不均匀沉降：按1.0cm取值.

图2 汽车荷载布置示意（单位：m）Fig.2 Design parameter of motor vehicle loading（unit：m）

3.2 荷载组合

1）正常使用状态下的作用力结合

①少见组合：Gmax＋Gmin＋1.2Qr＋Tf；②常见组合：Gmax＋Gmin＋0.72Qr；③建设阶段：Gmax＋Gmin＋Qpra＋Qprc＋Tf

2）承载能力极限状态下的作用力结合

①基本组合：1.35Gmax＋Gmin＋1.35Qrp；②建设阶段：1.35Gmax＋Gmin＋Qprc＋1.3Qpra；③偶然组合：Gmax＋Gmin＋FA.其中：Gmax为不利的持久作用力的集合；Gmin为有利的持久作用力的集合；Tf为由常见热效应引起的作用力的集合；TR为由少见热效应引起的作用力的集合；FA为偶然的作用力；Qr为Bc系列、Niger车队荷载引起的作用力Qrp为Mc120体系军事荷载引起的作用力；Qpra为施工荷载引起的偶然作用力；Qprc为施工荷载引起的已知作用力.

3.3 荷载横向分布系数及冲击系数

1）活载横向分布系数计算

选取横向1／2结构（一片钢梁）进行有限元分析，利用杠杆法来计算单片叠合梁的活载横向分布系数.

图3 Bc系列车轮横向布置及横向分布的影响线Fig.3 Influence line of Bc wheel transverse distribution

图4 Mc120系列车轮横向布置及横向分布的影响线Fig.4 Influence line of Mc120wheel transverse distribution

①Bc系列汽车荷载的横向分布系数，车轮横向布置及横向分布影响线竖向坐标如图3所示.则Bc系列汽车荷载的横向分布系数为：

②Mc120系列军事荷载的横向分布系数，车轮横向布置及横向分布影响线竖向坐标如图4所示.则Mc120系列军事荷载的横向分布系数为：

2）冲击系数计算

式中：L1为边跨跨径；L2为中跨跨径；G为永久性荷载；S为系统中最大荷载.

4 有限元分析模型

根据设计图纸中的结构布置和结构尺寸，取全桥1／2上部结构进行有限元分析.整个有限元模型采用两类截面进行模拟，截面的详细尺寸如图5所示.A，B类截面在结构上的分布如图6所示.有限元分析模型如图7所示.

混凝土板有效宽度按边跨跨中区域、中跨跨中区域与中间支点区域分别进行计算.1）边跨跨中区域

式中：b0为工字钢腿宽度.

因此，混凝土板有效宽度取全宽.

图5 截面类型（单位：mm）Fig.5 Section type（unit：mm）

图6 两类截面在结构上的分布（单位：m）Fig.6 Structural distribution of the two Section type（unit：m）

2）中跨跨中区域

因此，混凝土板有效宽度取全宽.

3）中间支点区域

因此，混凝土板有效宽度取全宽.

图7 乍得大桥上部结构有限元离散图Fig.7 The superstructure finite element discrete picture of Chad Large Bridge

5 计算结果

5.1 承载力极限状态荷载组合结果

按法国规范确定的荷载组合，承载力极限状态荷载组合下主梁的弯矩包络图如图8所示，其中主梁跨中最大正弯矩为12910kN·m，支点最大负弯矩为－14154kN·m；承载力极限状态荷载组合下主梁的剪力包络图如图9所示，最大剪力为－2784kN.

图8 承载力极限状态弯矩包络图（单位：kN·m）Fig.8 Bending moment envelope of limit state load carrying capacity（unit：kN·m）

图9 承载力极限状态剪力包络图（单位：kN）Fig.9 Shear force envelope of limit state load carrying capacity（unit：kN·m）

5.2 正常使用极限状态荷载组合结果

按法国规范确定的荷载组合，正常使用极限状态荷载组合下主梁的弯矩包络图如图10所示，主梁跨中最大正弯矩为9384kN·m，支点最大负弯矩为－11026kN·m；正常使用极限状态荷载组合下主梁的剪力包络图如图11所示，最大剪力为－2085kN.正常使用极限状态荷载组合下，主梁跨中截面钢梁下缘最大应力为162.0MPa，混凝土板上缘最大应力为－5.5MPa；支点截面钢梁下缘最大应力为－158.0MPa，混凝土板上缘最大应力为1.5MPa.

图10 正常使用极限状态弯矩包络图（单位：kN·m）Fig.10 Bending moment envelope of service ability limit state（unit：kN·m）

图11 正常使用极限状态剪力包络图（单位：kN）Fig.11 Shear force envelope of service ability limit state（unit：kN·m）

5.3 汽车活载作用下结果

汽车活载作用下，主梁各跨跨中最大挠度为－0.021m，小于L／600，满足规范关于结构刚度的要求.

3种活载作用下主梁各跨跨中最大挠度分别为Bc体系－0.020m；Mc120体系－0.021m；Niger－0.007m.

5.4 顶推计算结果

顶推施工中，工字钢主梁采用直接顶推施工不采用钢导梁，每次顶推长度为1m，总共需要顶进240.8m，顶推过程如图12所示.顶推过程采用有限元软件Midas进行模拟，计算出在工字钢主梁顶进过程中，工字钢主梁所有截面出现的最大拉应力，如图13，14所示.在整个顶推过程中，工字钢主梁最大挠度为210mm；最大拉应力约为83MPa.

图12 顶推过程示意Fig.12 Sketch of incremental launching process

图13 顶推过程中工字钢主梁最大拉应力（单位：MPa）Fig.13 The biggest tensile stress of I－beam steel in incremental launching process

图14 顶推过程中导梁前端挠度变化Fig.14 The deflection change of the front launching nose in Incremental launching process

6 结语

介绍了采用欧洲规范对多跨钢—混叠合连续梁桥进行设计和分析计算的方法，可使广大桥梁工程师了解欧洲规范与中国规范的不同之处和差别.其主要差别体现在材料参数的取值不同，冲击系数的计算公式不同，以及对汽车活载和荷载组合类型的规定不同.通过了解中外规范之间的差别，可为国内桥梁工程师从事类似海外工程项目提供有益的参考.

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