低高度密集型工字形组合梁设计与应用

李熙同

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730010）

1 引言

自20世纪50年代之后，钢-混凝土组合梁桥得到了迅速发展，从20 m跨径的中小跨径梁桥到近千米的斜拉桥，都有钢混组合梁的应用。国内学者对钢混组合梁桥进行了深入研究[1]。相比混凝土箱梁，工字形组合梁可以充分发挥钢结构抗拉强度和混凝土抗压强度高的特点，具有结构性能优越、跨越能力大、施工周期短等优点。密集型工字形组合梁已在公路、城市桥梁中得到了部分应用，以长沙湘府路快速改造工程高架桥项目为例，全线均采用预制密布工字形钢混组合梁，标准跨桥宽25 m，布置11片主梁，主梁间距2.3 m，主梁1跨内不设横向连接系。本文结合实际工程案例对低高度密集型工字形组合梁结构受力进行了研究分析。

2 方案设计

原桥址为1孔20 m简支混凝土小箱梁，箱梁病害严重，且桥下有泄洪要求，新建桥梁采用1×30 m工字形钢-混凝土组合梁桥，加大跨径，增加桥下泄洪断面。由于是旧桥改造项目，要求快速施工，施工周期较短，同时，新建桥梁要利用既有桥台结构，主梁高度为定值，方案需根据总梁高1 m进行设计，新建桥梁方案一采用密集型工字形组合梁方案，方案二采用双主梁工字形组合梁方案。

方案一和方案二均采用传统的先吊装钢主梁后浇筑桥面板施工方法，方案二中增加箱间横梁，箱间横梁与钢主梁通过高强螺栓连接，由于横梁高度较低，截面尺寸较大，作业工作量相对较大；双主梁结构在适宜高度下，截面尺寸较为合理，由于本桥主梁高度只有0.97 m，钢主梁顶、底板板厚均超过60 mm，单片主梁质量高达40 t，全桥总用钢量超过400 kg/m2，而方案一总用钢量仅为350 kg/m2；方案二双主梁结构，活载作用下挠度达45 mm，钢梁底板疲劳应力幅高达50 MPa，虽均满足设计要求，但对比方案一，结构整体刚度相对较低，活载作用下应力储备不富裕。

综合考虑施工工艺、用钢量、结构刚度和疲劳应力储备后，新建桥梁采用方案一，即密集型工字形组合梁，如图1所示。

图1 30 m密集型工字型组合梁

3 新建方案设计标准

1）桥梁设计汽车荷载等级：公路-Ⅰ级；

2）车道数：双向两车道；

3）桥面宽度：9 m，行车道宽8 m，防撞护栏宽各0.5 m；

4）桥面横坡：双向2%。

4 组合梁结构设计

工字形组合梁采用等截面设计，为方便施工，降低吊重，采用整体吊装钢梁，后浇筑压型钢板组合桥面板方案。

如图2所示，组合梁总梁高0.97 m，由纵横向顶格状布置工字钢梁和混凝土桥面板通过抗剪连接件组成，方案一中，钢纵梁采用5片主梁，中心梁高0.72 m，纵梁中心间距1.7 m；工字钢上翼缘宽0.6 m，厚38 mm，底板宽0.9 m，厚48 mm，腹板采用直腹板，厚28 mm；边梁工字钢腹板内设置竖向加劲肋，竖向加劲肋标准间距1.0 m，中梁工字钢不设置竖向和水平加劲肋；密集型工字钢组合梁无横向连接系，以腹板、上翼板宽厚比控制结构屈曲应力大于结构强度失效应力，简化结构构造设计。梁端仅设置端横梁，增加结构整体刚度和支撑处局部稳定性，端横梁中心梁高0.72 m，采用箱形截面，箱内布置剪力钉，并灌注混凝土，纵梁和端横梁上翼缘布置直径16 mm，高150 mm剪力钉，传递纵向剪力。

图2 密集型工字型组合梁标准断面图(单位：mm)

本桥桥面板采用现浇压型钢板组合桥面板，板厚0.25 m，桥面板刚度较大，可以兼做主桥纵向、横向连接系，与钢主梁形成稳定空间结构，梁间沿纵向设置开口型压型钢板，可实现无支架快速浇筑。

5 组合梁主要材料

1）钢主梁顶、底板、腹板：Q420ME钢材；

2）钢横梁顶、底板、腹板：Q420ME钢材；

3）其他构造性钢材：Q235C钢材；

4）压型钢板：Q355B钢材；

5）混凝土桥面板：C50微膨胀混凝土；

6）端横梁填充混凝土：C50微膨胀混凝土；

7）伸缩缝预留槽及桥面连续预留槽填充：超高性能接缝混凝土。

6 密集型工字型组合梁计算分析

6.1 结构分析

本桥采用Midas/Civil 2019程序计算。采用梁单元分层结构建立组合梁有限元模型，如图3所示。

图3 组合梁有限元模型

6.2 承载能力极限状态验算

组合梁抗弯承载力验算按照JTG 3362—2018《公路钢结构桥梁设计规范》[2]第11.2.1条规定计算。按基本组合控制，对构件应力进行验算，应满足γ0σ≤f（其中，γ0为结构重要性系数；σ为结构弯曲应力；f为结构强度设计值），组合梁剪力全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土桥面板抗剪作用。抗弯承载力极限状态验算见表1。

表1 抗弯承载能力极限状态验算

根据组合梁抗弯承载力验算公式，当工字钢梁主梁结构采用Q420钢材时满足设计要求。

当工字钢梁主梁结构采用Q420钢材时，根据计算应力结果，钢梁顶板和底板应力均满足设计要求，腹板应力较小，Q355钢材也可满足，但考虑到原材料购买和桥梁规模等因素，主桥工字钢统一采用Q420钢材。

6.3 正常使用极限状态验算

低高度密集型组合梁变形验算按照公路钢结构桥梁设计规范相关规定计算，采用结构力学方法计算汽车车道荷载频遇值，频遇值系数为1.0，对于简支梁计算挠度值不应大于L/500（L为跨度）。

30 m跨度组合梁活载作用下竖向挠度为31 mm，计算结果表明，在不计冲击力汽车车道荷载作用下，考虑组合梁剪切变形和滑移效应影响，组合梁竖向最大挠度小于L/500=60 mm，满足规范要求。

组合梁混凝土构件，在作用标准组合下对桥面板正截面混凝土法向压应力进行验算，验算结果应符合JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]第7.1.5-1条要求，荷载取标准值，车辆荷载考虑冲击系数。

组合梁为简支结构，桥面板受力以压应力为主，拉应力较小，不控制设计，跨中桥面板压应力仅为-9.5 MPa，小于设计值-13.4 MPa，满足设计要求。

6.4 钢梁疲劳验算

工字钢疲劳验算采用疲劳荷载模型I，根据JTG D62—2015《公路钢结构桥梁设计规范》规定，采用疲劳荷载模型I验算时，简支结构钢主梁下缘应力幅值明显高于上缘应力幅值，即下缘控制。计算得到钢梁正应力最大幅值为25.5 MPa，钢梁疲劳应力限值计算值为60.05 MPa，钢梁疲劳满足规范要求。

6.5 腹板稳定性

根据公路钢结构桥梁设计规范规定，腹板最小厚度应满足：不设竖向加劲肋、纵向加劲肋时，腹板厚度不小于ηhw/60（其中，hw为腹板计算高度；η为折减系数，不得小于0.85）。本桥设计腹板厚度验算最小厚度为7.9 mm，腹板实际厚度28 mm远大于最小厚度，满足规范要求。

6.6 计算结论

根据计算结果可知，密集型组合梁方案，受力明确，跨中截面正弯矩应力最大，支点截面剪力最大，能有效发挥钢材抗拉压能力，密集型组合梁抗弯承载力、抗剪承载力、刚度、稳定性及抗疲劳能力等均满足规范要求。

7 密集型工字形组合梁主要施工工艺

1）施工基础和桥台；

2）钢梁在工厂制造，预拼检验合格后，整段运抵桥位或工地钢梁存放场；

3）在桥位或工地现场焊接多片主梁，形成整跨工字形钢主梁；

4）设置联端和墩顶永久支座，整跨钢梁吊装就位，吊装时，每片主梁端部设置一个吊点，利用2台吊机同时起吊，吊机选择应满足吊装要求；

5）5片钢主梁安装到位后，焊接端横梁；

6）铺设钢主梁上部开口型压型钢板，绑扎桥面板钢筋；

7）浇筑端横梁微膨胀混凝土，加压灌注保证混凝土灌注密实；

8）端横梁混凝土强度和弹模达到28 d相应值90%以上，浇筑桥面板微膨胀混凝土；

9）桥面板混凝土强度和弹模达到28 d相应值70%以上时，安装伸缩缝，伸缩缝槽口内浇筑超高强混凝土；

10）安装防撞护栏，完成桥面铺装及其他附属工程。

8 结语

1）将低高度密集型工字型组合梁技术应用在要求快速通车工程建设中，能够充分发挥钢梁和混凝土板组合优势，多主梁组合梁结构受力明确，构造简洁，施工便利，工序简单，施工进度较快，在部分高度受限、工期较短工程中可得到有效应用。

2）密集型工字形简支组合梁体系承载能力极限状态验算、正常使用极限状态验算、钢梁疲劳验算、腹板稳定性验算、刚度验算均满足设计规范要求。

3）桥面采用现浇压型钢板组合桥面板，梁间设置开口型压型钢板，可实现混凝土桥面板一次性无支架浇筑。