新型钢-混组合梁桥设计分析

杨代林

摘 要：钢-混组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量。对某新型钢-混组合梁桥的方案比选、结构设计和整体计算进行了分析和总结。

关键词：钢-混组合梁桥;设计;结构分析

钢-混组合梁桥由钢主梁和钢筋混凝土桥面板形成组合截面共同受力，充分发挥了钢梁受弯性能好和混凝土受压性能好的特点，有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量，所以近年来在国内得到了快速的发展和应用。[1-2]

钢-混组合梁桥分为不同形式，包括钢箱组合梁、钢桁组合梁和钢板组合梁等，随着计算水平的提升和施工工艺的进步，钢-混组合梁桥的构造得到了极大的简化，当桥面宽度不是很大时，少主梁形式的钢-混组合梁桥使现场工作量大幅降低，也使其在施工性能和管养维护方面，相比预应力混凝土桥梁及钢筋混凝土桥梁具有极大的竞争力。[3]

近年来钢-混组合梁桥在中小跨径公路桥梁中有广泛的应用。安徽、浙江、广东、湖南、陕西等地都积极开展了相关探索，在高速公路主线、匝道桥和跨线桥结构中都进行了尝试。本文对某4×35m钢-混组合梁桥的方案比选、结构设计和整体计算进行了分析和总结。

一、桥型方案比选

本工程为某高速公路桥梁，桥梁结构形式采用钢板组合梁桥，基本跨径为35m，4跨一联，每联两端设置伸缩缝。本桥为直桥，设置2%的横坡和0.3%的纵坡。桥梁宽度为12.25m，分幅布置，为双向四车道，外侧设3m的路肩。设计时速为80～120公里/小时。

根据对钢板组合梁桥常见类型和已有设计方案的调研，提出了三个初步方案如表2。

对不同方案结果表明：不同的主梁形式，双主梁结构性能较好，施工方便，钢梁制造费用低，经济性更优，管养工作量较小，选择双主梁。不同的横梁形式，非支承横梁在主梁间距较大时横向受力较不利，但对桥面板施加横向预应力后能达到较好的受力性能，且现场连接方便、施工快速，经济性和管养情况也更优，选择非支承横梁。不同的桥面板形式，全宽预制桥面板受力性能好，横向预应力束可提前张拉，现场工作量少，施工快速，经济性上两种桥面板基本相当，但全宽预制桥面板的整体性和水密性好，管养压力较小，选择全宽预制桥面板。

综合结构受力性能、施工便利性、经济性和管养要求的比较结果，最终选择方案三——主梁采用双工字钢板组合梁，横梁采用非支撑横梁，桥面板采用全宽预制混凝土桥面板。

二、钢-混组合梁结构设计

（一）结构设计

本桥的标准断面构造见图1。主梁高度是钢板组合梁桥最为重要的设计参数，对桥梁的强度、刚度等主要性能起决定作用。在30～50m跨径范围内，主梁高跨比大约在1/27～1/18之间，本桥跨径为35m，钢主梁梁高定为1750mm，总梁高为2150mm。

主梁的腹板首先要满足抗剪的强度设计要求，其次需要考虑结构的屈曲稳定性要求。本桥腹板高厚比控制在120以内，跨中腹板厚度取为18～20mm，支点附近加厚到28mm。翼缘板是主梁抗弯受力的关键部件，除满足强度条件外，还要满足稳定要求。本桥上翼缘板宽取为800mm，下翼缘板宽取为960mm，根据《公路钢结构桥梁设计规范》中规定，受压翼缘宽厚比不大于12，受拉翼缘宽厚比不大于16。

本桥仅设置竖向加劲肋，间距2.3～2.4m设置一道，在中支点和端支点处加设2道。为方便钢主梁的加工制作，加劲肋尺寸统一，厚度均为16mm，跨中宽度为280mm，在横梁处为方便连接，加宽至350mm。在悬臂部分刚度、强度满足时，主梁间距主要考虑桥面板横向受力均匀，根据国内几座钢板组合梁桥的设计经验，本桥的主梁间距定为6.75m，两端悬臂长度为2.65m，组合梁总宽度为12.05m。

非支撑横梁的钢板组合梁桥桥面板横向受力近似于双悬臂梁，桥面板横向采取变厚度的设计，悬臂部分厚度为240mm，跨中部分厚度为270mm，与钢主梁连接端部为400mm，并设置1000mm的变厚度区。

（二）施工方法设计

连续梁对于小跨径钢板组合梁桥，一般的施工方法有整体吊装法和顶推法，本桥采用架桥机逐孔架设的施工方法。

主要施工步骤可按照如下方案执行：1、基础、桥墩施工完毕;2、搭设第一联1～2跨支架，吊装基础跨钢梁并连接，拼装架桥机，同时预制桥面板，加工钢板梁节段;3、拆除基础跨支架，安装预制桥面板，一次性浇筑基础跨现浇混凝土（不包含墩顶湿接缝）;4、架桥机移至下一孔，在基础跨上拼装钢梁;5、钢梁下放到位后，连接钢梁，用运梁车将预制桥面板运送到位，安装桥面板，一次性完成该跨现浇混凝土浇筑;6、依次类推重复步骤四和步骤五，完成全联上部结构施工，一次性张拉全联未张拉的横向预应力;7、铺设防水层及桥面铺装，完成附属设施安装。

三、钢-混组合梁结构性能分析

结构受力分析可按线弹性理论进行分析。整体计算采用MIDASCIVIL2018进行有限元分析。桥面板采用实体单元，钢主梁上下翼缘采用梁单元，腹板采用板单元。

承载能力极限状态验算包括组合梁的抗弯承载能力验算、抗剪承载能力验算、整体和局部稳定性验算。荷载采用基本组合，采用如下的组合系数：1.2恒载+1.4汽车+1.05体系升/降温+1.05梯度升/降温+1.0支座沉降。

从钢梁最不利工况应力包络云图可得知，钢主梁上下翼缘均满足设计要求。最大应力出现在边跨0.4L处及中支点处。在翼缘变厚处存在应力突变。从腹板竖向剪应力计算结果可知，最大竖向剪力发生在支座位置处，且均满足抗剪设计强度。

正常使用阶段验算使用频遇组合与准永久组合。荷载组合系数分别为，频遇组合：1.0恒载+0.7移动荷载+1.0支座沉降+1.0收缩徐变+1.0整体温度+0.8梯度温度，准永久组合：1.0恒载+0.4移动荷载+1.0支座沉降+1.0收缩徐变+1.0整体温度+0.8梯度温度。

从计算结果可知，最大挠度为2.5cm，考虑截面滑移影响，挠度应该修正为2.5×1.15=2.88cm，小于允许值l/500=3500/500=7cm。按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》6.4.3条与《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》7.5.2条规定计算混凝土桥面板的最大裂缝宽度为0.12mm。

四、结语

以某4×35m钢板组合梁桥的方案比选、结构设計为例，总结了中小跨径钢板组合梁桥的设计要点。通过结构受力分析证明组合梁桥受力合理，结构尺寸拟定合适，材料较为经济。综合来看，钢板组合梁桥的结构受力性能较好，便于工业化建设，有较好的应用前景。

参考文献：

[1] 刘玉擎. 组合结构桥梁[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[2] 刘玉擎. 组合结构桥梁的发展与展望[A]. 中国公路学会桥梁和结构工程分会、杭州湾大桥工程指挥部.中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集[C].中国公路学会桥梁和结构工程分会、杭州湾大桥工程指挥部：，2005：7.

[3] 邵长宇.组合结构桥梁的发展与应用前景[J].城市道桥与防洪，2016（09）：11-15.