简支钢-混组合梁设计与分析

段腾飞

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州510000）

0 引言

组合梁桥是指采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁架等结构和钢筋混凝土结合成组合截面共同工作的一种复合式结构。对于简支钢-混组合梁，因为其上缘受压、下缘受拉的受力特点，可以充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，因此得到广泛运用。本文通过40m 简支钢-混组合梁工程实例，总结出简支钢-混组合梁的设计经验，以供相关工程参考。

1 项目概况

项目位于深圳市龙岗区坂田街道，南起坂银通道南坪立交节点，经过坂雪岗大道沿环城东路北行至坂澜大道，再沿坂澜大道北行，终点接坂李大道。本次环城路快速化改造（吉华路-坂澜大道）作为整条环城路一期工程，路线长约1.57km。吉华路跨线桥是一期工程中控制性工程，桥长318.5m，跨径组合为(39.25+40)+3x40+(2x40+39.25)=318.5m，梁高1.8m，宽27m，双向六车道，桥梁横断整幅布置。桥梁部分位于圆曲线段，圆曲线段桥梁中心线半径644m。上部结构采用简支桥面连续钢-混凝土组合梁，下部结构采用大悬臂半隐式盖梁双柱墩。

2 桥梁上部结构设计

主桥上部结构采用钢-混组合梁，结构简支，桥面连续，单跨梁长为38.42m，梁高为1.8m，横断面采用四片组合箱梁，组合梁间距为3.333m，钢梁采用U 型开口截面，单片钢箱梁宽度为3m，翼板悬臂长度为2.5m，腹板采用直腹板，腹板上翼缘宽度为0.7m。钢梁之间通过高0.5m 的工字型钢横梁连接，横梁间距为3m。钢箱梁采用Q345C，桥面板采用C50。

桥面板采用预制混凝土桥面板，桥面板纵横向均分块预制。由于桥梁位于曲线变化段，为适应桥梁曲线变化，尽量减少预制板种类及模板，同时方便吊装，预制板纵向间距为3m，横向间距为3/3.333m。桥面板厚度为0.260m，通过剪力钉与钢箱梁顶板连接，剪力钉采用Φ22 圆柱头栓钉，钢箱梁每道上翼缘布置3列栓钉，横向间距0.2m，沿梁轴线方向间距0.25m。在腹板及横隔板位置设置湿接缝，通过湿接缝调整内外弧线差，湿接缝全部采用0.26m 厚C50 微膨胀混凝土，横桥向湿接缝宽度为0.6m，纵桥向湿接缝宽度为0.30～0.42m，如图1所示[1]。

图1 组合梁标准断面（mm）

3 结构建模分析

3.1 计算模型与假定

40m 跨钢-混组合梁模型取实际梁长38.42m，计算跨径为37.36m，桥面板等厚0.26m，钢梁梁高1.54m。组合梁采用预制桥面板，后浇湿接缝。钢梁钢板厚度：顶板20mm，底板20～26～32mm，腹板16mm。上部结构架设过程中，在跨中设立一个临时墩。

计算运用软件Midas Civil 建立梁格模型，对主桥进行计算分析，计算中根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）相关规定进行内力组合和结构安全验算[2]。

3.2 计算结果

3.2.1 施工阶段计算结果，如表1所示

表1 组合梁施工阶段计算结果汇总表

《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）第11.2.1 条，组合梁抗弯承载力应采用线弹性方法计算，并应符合下列规定：

钢梁最大压应力：1.1×69.21 = 76.13MPa ＜270MPa；钢梁最大拉应力：1.1×86.5 = 95.15MPa ＜270MPa；混凝土最大压应力：1.1×8.72 = 9.59MPa ＜22.4MPa；故，施工阶段结构受力能满足要求。

3.2.2 成桥运营阶段计算结果

表2 组合梁极限状态计算结果汇总表

计算结果表明，钢-混组合梁在各个工况下受力性能良好，传力途径明确，混凝土和钢材都有一定的强度储备，能够满足规范的各项指标要求。在最不利荷载工况作用下，钢结构及混凝土桥面板应力及变形满足规范要求。

3.3 横向分布系数算法分析

由于本项目组合梁箱间横梁高度较小，与主梁截面特性相比，未能近似成刚性横梁，因此，本次计算对跨中截面分别采用铰接板梁法、刚接板梁法、刚性横梁法，与Midas 梁格分析结果对比，验证两者的差别[3]。

3.3.1 主梁截面特性

边梁：截面抗弯惯性矩I：0.2502m4，截面抗扭惯性矩It：0.8095m4。

中梁：截面抗弯惯性矩I：0.2337m4，截面抗扭惯性矩It：0.2929m4。

3.3.2 主梁截面特性

表3 组荷载横向分布系数表

3.3.3 与Midas 的比较

本次计算以铰接板梁法与Midas 梁格进行对比。

从下图2、图3 可知，对边梁跨中，Midas 计算结果与铰接板梁法计算结果比值：2171/1788=1.214；对中梁跨中，Midas 计算结果与铰接板梁法计算结果比值：1632/1660=0.983。

图2 Midas 梁格汽车荷载下钢梁弯矩（kN·m）

图3 铰接板梁法汽车荷载下钢梁弯矩（kN·m）

通过两种算法对比可以看出，对于边梁，较铰接板梁法高估了箱间横梁的传力，计算出的边梁内力较实际偏小。对于中梁，铰接板梁法计算出的内力与中梁实际受力情况比较相近。因此，针对本项目宜采用梁格法进行主桥结构验算。

4 结语

项目上部结构简支钢-混组合梁高跨比约1/21，用钢量为277kg/m2，主梁应力及变形均处于较合理的水平。上部结构施工过程中，通过架设临时墩可有效降低钢梁应力，从而降低用钢量。另外，由于剪力钉一般是在工厂与钢梁焊接好，再运输至现场，由于预制桥面板钢筋与剪力钉布置均较密，在安装预制桥面板过程中，桥面板预埋钢筋很容易与剪力钉冲突，影响施工效率及质量，因此在设计过程中应注意桥面板钢筋合理布置，避免与剪力钉冲突。