大横梁组合钢板梁桥设计与计算研究

孙一鸣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 大横梁组合钢板梁桥简介

组合钢板梁桥是一种常用结构，设计和建造的适用条件广泛，市内或乡村环境均可用，跨径范围可达30 m至130 m，总长从几十米至上千米，桥宽可以达到20 m左右，是一种非常经济和耐久的结构，见图1。

图1 大横梁组合钢板梁桥实桥

大横梁组合钢板梁和小横梁组合钢板梁相比，主要差别在于横梁的形式不同。所谓“大横梁”是指横梁与桥面板连接并支撑桥面板，与桥面板结合共同受力，这样可以降低桥面板厚度并适应更宽的桥面。少数桥梁从桥梁景观考虑而采用具有大横梁的结构。

2 结构设计实例

（1）桥梁总体布置

一座双幅对称布置的，单幅宽度为13.25 m的高架桥，直线段跨路口处拟采用32 m+40 m+32 m跨径。

根据单幅桥宽，桥梁上部结构采用大横梁形式的双主梁组合钢板梁，桥面宽度13.05m，横坡2%。总体横断面布置见图2。

图2 支点橫断面图（单位：m）

（2）钢主梁构造

主梁钢结构梁高1.65 m，主梁横向间距7.05 m，主梁外带有外挑钢梁。下翼缘宽度900 mm，上翼缘宽度700 mm，翼缘水平。中横梁高度650 mm，桥面板厚度250 mm，见图3。

图3 主梁一般横梁横断面图（单位：mm）

钢梁顶板厚度32～90 mm，底板厚度50～90 mm，腹板厚度16～25 mm。

（3）中间横梁构造

立面上中横梁间距4.0 m，与主梁立面线形垂直，平面上与主梁平面线形垂直，横断面上与横坡平行，见图4。横向上外挑钢梁端部与混凝土桥面板端部齐平，外挑钢梁末端高度300 mm。

图4 中间横梁局部剖面图（单位：mm）

（4）支点横梁构造

主梁支点横梁横断面见图5。

图5 主梁支点横梁横断面图（单位：mm）

支点横梁在主梁之间部分相比中间横梁适当加高，高度1 200 mm，与地面铅垂，见图6。

图6 支点横梁局部剖面图（单位：mm）

3 钢主梁强度验算

纵向整体计算采用双层梁模型，纵向为活载组合梁，考虑组合梁施工过程，中支点混凝土开裂，见图7。

图7 纵向整体计算双层梁模型图

直接从Midas Civil读取基本组合结果时考虑结构重要性系数，荷载组合如下：1.32恒载+1.1收缩徐变（有或无包络）+1.54汽车+1.16温度梯度+1.16整体升降温+1.1沉降。

模型计算结果为：主梁钢梁顶板最大拉应力199.57 MPa，最大压应力169.76 MPa。小于材料设计强度265 MPa。底板最大拉应力184.67 MPa，最大压应力201.62 MPa，小于材料设计强度265 MPa。腹板弯曲剪应力最大值93.71 MPa，小于材料设计强度155 MPa。

根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015），7.2.2的规定：

组合梁承受弯矩和剪力共同作用时，应考虑两者耦合的影响，腹板最大折算应力应按下式验算：

上述公式中正应力剪应力值不考虑结构重要性系数，直接从Midas Civil读取基本组合结果时采用基本组合系数：1.2恒载+1.0收缩徐变（有或无包络）+1.4汽车+1.05温度梯度+1.05整体升降温+1.0沉降。

验算公式计算值如下（单位：MPa）：

满足规范要求。

4 大横梁组合钢板梁区别于小横梁组合钢板梁的设计计算要点[1-6]

（1）主梁侧扭失稳设计验算

依据公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015）7.3.1条的规定，连续的大横梁组合钢板梁中支点下翼缘受压，且无可靠约束，应进行侧扭稳定性验算。

中国规范只规定了无中间横梁的双主梁组合钢板梁桥主梁侧倾稳定验算方法，对于有中横梁的结构，无法采用公式计算。

本例按欧规EN1993-2,6.3.4.2计算：

计算假定下翼缘为在墩、台处简支，其余部分由中横梁提供侧向弹性支撑的受压柱，因此，横向稳定验算首先应计算由中横梁、主梁和桥面板组成的框架的刚度。计算假定主梁与顶板铰接，框架其余节点均为刚性节点，见图8、图9。

图8 横向框架模型及其几何特性符号

图9 横向框架刚度计算图示

受压杆件考虑稳定的承载能力折减系数为：

式中：αLT为与截面形式有关的系数，对焊接工字形截面，取 αLT=0.76。

Ncril为弹性稳定临界荷载，为简化计算，可偏安全的认为轴压力NED沿构件长度为常数，Ncril可按下式计算：

（1）由横梁几何参数：

由上，支点两侧仅采用普通中横梁亦通过侧扭失稳验算。

（2）主梁上翼缘与横梁上翼缘连接处疲劳

主梁上翼缘与横梁上翼缘连接构造见图10。

图10 主梁上翼缘与横梁上翼缘连接构造（单位：mm）

此处属于焊接附连件后主材的疲劳细节。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）附录C，若将横梁上翼缘采用倒半径大于150 mm的圆弧，此处疲劳等级为90，无圆弧过渡疲劳等级为40。由于倒圆弧的构造造价高，可通过计算确定有无必要实施或具体实施的区段。

疲劳荷载模型按《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）5.5.2条规定。

采用疲劳荷载模型Ⅰ加载时，主梁上翼缘应力幅由以下最大最小应力得到，见图11。

图11 疲劳荷载模型Ⅰ下最大、最小应力（单位：MPa）

采用疲劳荷载模型Ⅰ时按《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）5.5.4条规定，验算如下：

查表可知细节类别为40，ks=1，m=3。

故不满足疲劳荷载模型Ⅰ要求，下面按模型Ⅱ验算：

采用疲劳荷载模型Ⅱ加载时，主梁上翼缘应力幅由以下最大最小应力得到，见图12。

图12 疲劳荷载模型Ⅱ下最大、最小应力（单位：MPa）

采用疲劳荷载模型Ⅱ时按《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015，5.5.5条规定验算如下：

在采用疲劳荷载模型Ⅱ加载时，不满足规范要求。

故横梁与主梁上翼缘连接无圆弧过渡时在中支点附近的主梁上翼缘疲劳强度不足，须采用倒圆弧连接的构造，验算如下：

查表可知细节类别为90，ks=1，m=3。

满足疲劳荷载模型Ⅰ要求。

由以上计算，本桥在中支点附近须采用倒圆弧的横梁上翼缘与主梁上翼缘连接，考虑经济性因素可以进一步计算确定须倒圆角连接的范围。

（3）桥面板受力

大横梁组合钢板梁的混凝土桥面板支撑于纵横梁之上，其第二体系作为板构件受力。本桥横梁间距为4.0 m，主梁间距7.05 m，实为双向板。纵向上靠近结构中心线位置的板条作为单向板考虑，内力按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）4.1章节计算，靠近主梁钢梁的桥面板为双向板采用Midas Civil建局部板和实体模型计算。承载能力按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）5.2章节计算。

a.靠近结构中心线处的桥面板第二体系承载力：

计算跨度取横梁的中心距4.0 m，见图13、表1。

图13 第二体系纵向单向桥面板计算车轮加载平面示意图

表1 第二体系纵向单向桥面板承载能力验算表

纵桥向靠近结构中心线部分桥面板承载力验算满足要求。

b.靠近主梁腹板处的桥面板第二体系承载力

双向受力桥面板计算采用板和实体单元建局部模型计算，钢梁采用板单元，桥面板采用实体单元：

靠近主梁钢梁的桥面板为双向板采用Midas Civil建局部板和实体模型计算。加载轮载位置考虑2种布置情况，见图14、图15。

图14 轮载布置1（单位：m）

图15 轮载布置2（单位：m）

Midas Civil局部板和实体模型计算得到桥面板应力结果见图16～图19。

图16 轮载布置1时基本组合桥面板底顺桥向应力（单位：MPa）

图17 轮载布置1时基本组合桥面板顶横桥向应力（单位：MPa）

图18 轮载布置2时基本组合桥面板底顺桥向应力（单位：MPa）

图19 轮载布置2时基本组合桥面板顶横桥向应力（单位：MPa）

当轮载布置在靠近靠近钢梁较近位置时，桥面板第二体系基本组合拉应力值在4MPa以下，通过适当配筋承载力可以容易地满足规范要求。

值得注意的是：

钢梁附近的桥面板纵桥向钢筋可以适当优化，相比结构中心线处配筋适当减少；

桥面板在挑臂末端纵桥向应力较大，可以在挑臂末端设置小纵梁改善其受力；

桥面板在主梁上方横桥向应力较大，横桥向钢筋在纵梁上方应适当加强。

5 结语

从本文设计实例可以看出，大横梁组合钢板梁在保持经济性优势的前提下，可以做到比小横梁组合钢板梁更宽的桥宽（三车道）。大横梁组合钢板梁与小横梁相比有新的构造细节，设计时应考虑周到。对于双主梁的结构型式，如此宽的桥面使钢梁应力水平较高，桥面板剪力滞折减、正应力剪应力共同作用、整体侧扭失稳、腹板局部弯剪失稳、支承局部计算等问题都应仔细验算。

另外本文总结了大横梁组合钢板梁区别于小横梁组合钢板梁的3个设计计算要点：

（1）主梁侧扭失稳设计验算，比小横梁组合钢板梁更不利。

（2）主梁上翼缘与横梁上翼缘连接处疲劳细节处理。

（3）桥面板受力有单向板和双向板两块区域。