简支热轧型钢组合梁设计

付玉辉 马森

本文提出将成品热轧H 型钢作为简支钢梁，与混凝土桥面板形成组合截面共同受力，具备了组合梁的优点。为小跨径桥梁桥型选择提供解决方案。本文介绍了简支型钢组合梁的整体设计思路，详细阐述了其构造设计及相关计算。

钢混组合梁由钢梁和混凝土桥面板形成组合截面共同受力，充分发挥混凝土的受压性能以及钢材的受弯性能，使钢混组合梁具有延性好、抗震能力高、承载能力大的优点。

钢混组合结构最早产生于20 世纪初期。自20 世纪50 年代之后得到了迅速的发展，从20 ～25m 跨径的中小跨径梁桥到跨径近千米的斜拉桥，都有组合梁的应用。在我国，近20 年来已得到迅速发展。跨径一般在30 ～50m 范围内，1993 年，北京国贸桥首次采用钢混组合梁结构。

在中小桥梁中，空心板是常用的上部结构型式。但空心板桥随着使用时间的延长，受自然侵蚀、养护条件等因素的影响，出现材料性能退化、裂缝显现、铰缝损坏等病害，大大降低了空心板梁桥的耐久性，随着病害的不断累积和发展，将严重损伤桥梁的承载性能并危及运营安全。

本文提出将成品热轧H 型钢作为钢梁，与混凝土桥面板形成组合截面。代替小跨径空心板结构，解决空心板结构铰缝破坏发生的单板受力及耐久性降低。为小跨径桥梁桥型选择提供解决方案。

一、结构形式的确定

1.横断面组成及布置

简支钢混组合梁，一般由钢筋混凝土桥面板、抗剪连接件和钢梁3 部分组成。钢梁通过抗剪连接件与混凝土桥面板形成组合梁，混凝土桥面板是组合梁的承压件，同时保证结构整体稳定，一般采用现浇混凝土板、预制混凝土板、压型钢板混凝土板、混凝土叠合板等形式。

钢梁在组合梁中主要承受剪力及拉力，一般采用焊接工字形钢梁、U 形钢梁、热轧H 型钢等形式，可根据跨径、荷载及现场施工条件选用。

在桥梁结构的跨径以及竖向承载能力保持不变的前提下，如调整纵梁间距，则型钢的尺寸必然随之变化，纵梁间距与用钢量和结构高度存在较强的相关性。本课题组通过有限元软件对热轧型钢组合梁进行系统的空间计算分析，从理论上建立主梁间距与用钢量之间的关系曲线，从而确定最优方案，最大限度的成本。

本课题组以设计速度100km/h 路基宽度26m 高速公路为标准，桥面净宽11.45m，两侧各设0.5m 钢护栏。桥面铺装采用100mm 沥青混凝土+80mmC40 桥面铺装混凝土。采用有限元分析软件对13m、16m、20m 三种跨径热轧H 型钢组合梁进行了建模分析。根据结构受力、梁高、用钢量等指标确定主梁片数为6 片、合理梁间距2230mm。1-13m 简支梁采用热轧H 型钢型号为HN758x303x16x28，1-16m 简支梁采用热轧H 型钢型号为HN858x301x17x31，1-20m 简支梁采用热轧H 型钢型号为HN1008x302x21x40。

其横断面布置如图1 所示。

2.联结系设置分析

由多片纵梁组成的结构中，横梁的作用在于横向分配恒载、保持各纵梁共同受力。在传统预制T 梁中，横梁是不可缺少的重要构件。在20m 以下的型钢组合梁中，采用6 主梁，梁间距较小，桥面板的相对刚度较大，桥面板在荷载的横向分配中所起到的作用逐渐加大，其设置方式与传统T 梁应该有所区别。

图1 横断面布置图（单位：mm）

本课题组运用有限元分析软件Midas Civil，建立有限元分析模型，分别采用实体单元模型及空间梁格模型，通过有无横梁对比分析，得出以下结论：设置中横梁与否，对型钢底面应力及桥面板的应力影响很小，可忽略不计。但支撑处横向联结系具有抵抗桥梁整体扭转的显著作用，故支承处需设置大刚度的横向联结系。故端横梁必须设置，中横梁设置的影响经计算分析可忽略不计。

二、热轧型钢组合梁设计与计算

采用单梁模型，横向分布系数支点处采用杠杆法，跨中处采用刚接板梁法计算确定，设计采用弹性分析法，分阶段计算结构在恒活载、温度、收缩徐变等荷载作用下的受力，并对结构的强度、刚度和稳定进行验算。图2 为所建立的有限元单梁模型。

图2 结构模型（单位：m）

荷载组合：根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》的规定：组合梁的持久状况按承载能力极限状态的要求，进行承载力及稳定性验算，作用组合采用作用基本组合；同时应按正常使用极限状态要求，进行组合梁的抗裂和挠度的验算，作用组合采用频遇、准永久组合；

组合梁的短暂状况设计应对组合梁在施工过程各阶段的承载能力进行验算，作用组合采用作用的基本组合；

施工阶段划分如下：

第一阶段：架设钢梁；

第二阶段：浇筑桥面板；

第三阶段：桥面板参与受力；

第四阶段：施加二期恒载；

第五阶段：收缩徐变（3650 天）；

1.强度、稳定和变形计算

（1）强度计算

钢混组合梁主要进行强度的计算，采用弹性法分析。

型钢组合梁截面抗弯承载力采用弹性法进行计算。组合梁的剪力假定全部由钢梁腹板承受。承载能力极限状态以计算截面的边缘应力达到材料强度设计值为标志，同时考虑施工方法、混凝土桥面板剪力滞后效应等影响。承受动应力的钢梁和剪力键同时应进行疲劳强度验算。

（2）稳定计算

待桥面板硬化后，混凝土桥面板能够有效组织钢梁受压翼缘的侧向位移及扭转，不需要预算简支型钢组合梁的整体稳定性问题，但钢梁各板件需满足局部稳定性要求。

（3）变形计算

型钢组合梁的变形应分阶段叠加，为工厂阶段变形和施工及使用阶段变形的叠加。工厂阶段的变形为钢梁自重挠度及混凝土桥面板挠度，施工阶段的挠度为二期恒载挠度，使用阶段的挠度为组合断面在活载、温度、收缩徐变等作用下的挠度。

变形计算根据构件刚度按结构力学方法计算，计算长期变形及刚度时应考虑滑移效应的影响，对换算截面刚度进行折减。 预拱度的设置以桥面板变厚度来实现。

2.抗剪连接件设计

在钢混组合梁设计中，抗剪连接件必须满足以下条件：

（1）传递混凝土与钢梁间的剪力。

（2）提供一定的抗拔力，防止混凝土板与钢梁间的竖向分离。

（3）安装简便，施工快捷，成本合理。

根据连接件的工作性质和破坏形态，分为柔性和刚性两大类。栓钉柔性连接件目前应用广泛，其综合受力性能及施工性能也最好。对于采用极限状态设计法进行设计时，型钢组合梁在承载能力极限状态时的界面纵向剪力分布将趋于均匀，连接件在正常使用极限状态下受力大，必须具备足够的变形能力，必须采用柔性抗剪连接件。抗剪连接件的设计应进行承载能力和正常使用极限状态下的抗剪验算。

连接件的塑性重分布能力较大，使得界面剪力沿梁长度方向分布趋于均匀。当型钢梁达到承载能力极限状态时，各区段内界面上各抗剪连接受力相等，可均匀布置。

3.混凝土收缩、徐变计算

热轧型钢组合梁混凝土收缩徐变效应的计算采用简化分析方案。

混凝土收缩采用等效温降计算，混凝土徐变采用等效弹性模量方法。考虑徐变时，考虑长期效应的有效模量比结合混凝土徐变系数发展曲线确定。

三、结语

钢混组合梁与钢筋混凝土结构的不同在于它的组合特性。首先确定组合结构的设计思路及分析方法，重视钢构件的疲劳强度验算，考虑桥面板与钢梁的滑移、抗剪连接件的塑性重分布及混凝土收缩徐变等的影响。

本文不同于一般的钢混组合梁而是采用成品热轧H型钢作为钢梁，与混凝土桥面板形成组合截面。将其代替空心板结构，用于小跨径桥梁。目前已完成标准图的设计工作，下一步将开展实桥验证工作。