预应力钢管混凝土组合桁架简支梁桥设计研究

付 宏

（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006）

钢—混组合梁因能充分发挥材料力学性能，承载力利用系数高，跨越能力强而被广泛采用。其中钢管混凝土作为一种复合材料运用于受压柱、主拱圈等承压构件中已体现出一定的经济技术优势。近年来，钢管混凝土作为压弯构件在桥梁结构中的运用也有所发展。湖北秭归县向家坝大桥，四川雅安干海子大桥的建设均表明钢管混凝土组合桁梁桥施工方便，材料用量少，力学性能良好。

钢管混凝土组合桁梁是由填充混凝土的下弦杆与空腹杆构成空间四角锥稳定桁架体系，在桁架上浇筑混凝土桥面板，形成钢管混凝土桁架—混凝土桥面板组合梁。与传统钢桁梁相比，在下弦杆中填充混凝土能提高节点刚度与承载力，减少用钢量；与钢箱梁相比，在桁架上设置混凝土桥面板能提高主梁整体刚度，混凝土桥面板上做铺装层能有效解决钢梁桥面铺装易产生病害的问题；与混凝土梁相比，自重轻，承载力利用系数高。

随着交通网络的发展，在重要交通线上修建跨线桥要求跨径大，建筑高度小，施工速度快，对交通影响小。基于此，本文进行了一座预应力钢管混凝土组合桁架简支梁桥的试设计探索，以期能为跨线桥建设提供一种思路。

1 预应力组合桁梁的概念

1.1 结构组成

预应力钢管混凝土组合桁架简支梁由预应力钢管混凝土下弦杆、腹杆、桥面板、上弦杆及平联等几部分组成，杆件之间通过相贯焊接节点连接，桁架与桥面板固结，上弦杆与平联嵌固于桥面板中。窄桥可采用单片桁梁，宽桥可采用多片桁梁组拼，横向设置联接系（图1）。

图1 结构组成示意图

a）下弦杆 下弦钢管设置PBL剪力连接键[1]，并设置预应力束钢波纹管定位钢筋，灌填钢纤维混凝土后张拉预应力。波纹管硬度应高于普通波纹管，防止张拉过程中钢管内混凝土变形。下弦管可按简支梁弯矩变化规律采用不同的壁厚以减小用钢量。

b）腹杆 一个节点处设置4根腹杆，呈倒四角锥形布置。腹杆可按简支梁剪力变化规律采用不同的规格。

c）桥面板 与钢桁连接节点部位设置板托，桥面板横向钢筋从上弦杆预留孔洞穿入并锚固。

d）上弦杆及平联 与腹杆焊接连接。上弦杆在满足桥面板施工时受力要求的前提下可适当减小尺寸，桥面板形成强度后上弦杆作为劲性骨架参与受力。

1.2 施工工艺

a）钢桁梁组拼 可节段预制，施工现场组拼[2]。若运输条件受限，可工厂制作标准杆件，现场焊接，对于大型非标管件还可现场卷制[3]。下弦管制作要增设PBL剪力连接键和预应力束定位钢筋。

b）钢桁梁架设 平整两岸场地后，边组装边顶推，对于大跨径桥梁需设置少量临时墩，中小跨径桥梁可实现无临时支架顶推施工。

c）灌填混凝土 钢桁梁架设调整就位后，下弦管灌填钢纤维混凝土，为确保灌填密实，应事先做节段灌填试验。

d）张拉预应力 预应力分批次张拉，混凝土桥面板施工前与施工过程中分别张拉一部分，施工完成并达到设计强度后张满余下预应力。

e）浇筑桥面板 桥面板可现浇也可预制[4]。现浇桥面板以钢管混凝土桁梁为支撑系统，同时可在桥面板下搭设防护工棚，避免浇筑混凝土掉渣或器物掉落影响桥下交通，全过程无需在主梁下搭设额外支架。

2 试设计探讨

2.1 工程背景

某在建高速公路跨线桥采用1×60 m钢—混叠合梁，桥宽30 m，主梁高2.7 m，分别在1/3跨、2/3跨处搭设临时支架，节段钢梁吊装上架后在临时支架上焊接（图2）。为避免浇筑桥面板混凝土影响桥下行车安全，在预留车道上搭设临时防护工棚。施工全过程高速公路进行4次交通导改，2次中断交通，中断交通总时长达10 h。

试设计方案拟采用预应力钢管混凝土组合桁架简支梁，保留原方案下部结构及一道临时支撑。临时支撑设在跨中部位，基础布置在高速公路中央分隔带内（图2）。

图2 在建跨线桥方案示意图（单位：cm）

2.2 结构设计

试设计方案采用双幅布置，单幅桥面宽度15 m，四车道通行。单幅桥横向由两片桁梁组拼而成。混凝土桥面板一般厚度为22 cm，加腋处厚度50 cm。下弦钢管设置4道PBL剪力连接键，宽150 mm，厚15 mm；单根下弦钢管混凝土张拉4束19×φs15.2预应力束，预留孔道直径为10 cm。腹杆按剪力变化规律设置3种壁厚。主梁布置如图3～图4所示，各杆件尺寸及材料用量列于表1。

图3 组合桁梁1/2立面布置图（单位：cm）

图4 组合桁梁1/2横断面布置图（单位：cm）

2.3 受力分析

受力分析采用有限元软件Midas civil进行计算。钢管混凝土用共节点双单元进行模拟，钢桁杆件均采用梁单元，各杆件交叉处共节点处理。桥面板采用梁格模拟，纵梁节点与钢桁上弦节点之间刚性连接。全桥分幅对称布置，仅取半幅进行验算，有限元模型如图5所示。

图6为正常使用极限状态下混凝土桥面板上、下缘的应力包络图。从图中可看出桥面板全截面受压，压应力在允许范围内。

表1 杆件截面尺寸与材料用量表

图5 有限元模型

图6 正常使用极限状态下桥面板应力包络图

偏于保守的计算，钢管混凝土受拉时不计混凝土的抗拉作用，图7为正常使用极限状态下钢管混凝土下弦杆的应力包络图，由图可看出施加预应力后下弦钢管应力包络图下移，跨中拉应力减小。腹杆主要传递剪力，应力在支点截面附近较大，介于-189.3～170.1 MPa之间，均小于容许应力295 MPa。移动荷载作用下跨中最大挠度为30 mm＜L/800，主梁刚度满足要求。

图7 正常使用极限状态下弦钢管混凝土应力包络图

3 经济技术指标分析

原钢—混叠合梁方案与试设计方案上部结构主要材料用量如表2所示。预应力钢管混凝土组合桁梁钢材用量相比原方案减小1 065.9 t，混凝土用量增加231.1 m3，预应力钢材用量增加18.5 t，总重量减轻469.6 t。由于空钢管桁架自重轻，便于顶推，顶推到位后又可作为下弦杆与桥面混凝土的支架系统，在下部结构与临时支撑上花费少，对桥下交通影响小。不足之处在于主梁高跨比略大，但相比钢管混凝土组合桁梁要小很多。

表2 主要材料用量对比表

4 结语

在钢管混凝土组合桁架简支梁下弦杆中施加预应力形成预应力组合桁梁结构，通过对这种结构进行试设计探索表明其力学性能良好，运用在桥梁上部结构中还具有以下优点：

a）自重轻，便于顶推施工，施工过程中所需的临时支撑系少，作为跨线桥建设对桥下交通影响小。

b）相比钢管混凝土组合桁梁，能充分利用钢管混凝土的受压性能，有效减小主梁建筑高度。

c）钢材用量与钢—混叠合梁相比大大减小，使得这种桥型更为经济。