枣木东延线枣庄高架桥1-55m简支钢-混凝土组合梁设计

杨相展

(创辉达设计股份有限公司 长沙市 410004)

近年来，随着交通运输部钢结构桥梁建设的推进和环保理念的加强，钢结构桥梁开始在公路工程项目尤其是中小跨径桥梁中得到推广应用。这其中，钢-混组合桥梁因为能充分发挥钢材与混凝土材料的各自优势，节省材料，施工方便，更是受到日益重视和推广。

目前已建成的组合结构桥梁基本应用在斜拉桥、悬索桥等大跨桥梁结构中，如上海杨浦大桥、芜湖长江大桥、南京大胜关大桥、广东佛山东平桥等。在数量庞大的中、小跨度桥梁中，目前混凝土及预应力混凝土的桥梁仍占据绝对数量优势，钢-混组合结构桥梁较少，导致了对中小跨径组合结构桥梁的研究工作不够系统、深入，技术水平落后于国际先进水平，我国组合结构桥梁的研究、实践与国际先进水平有明显差距。

1 工程概况

枣木东延线枣庄高架桥中心桩号为K20+198.9，全桥共42 联，桥梁全长4792m，上部结构共有五跨钢-混凝土组合简支梁，分别为第6联(55m)、第21联(55m)、第31联(55m)、第36联(60m)、第41联(60m)。钢-混凝土组合梁选用箱形截面。其余联采用预应力混凝土 (后张)简支小箱梁，桥面连续；下部结构桥台采用肋板台，桥墩采用柱式墩，墩台采用桩基础。选取第21联55m跨简支钢-混凝土组合梁作为分析对象。桥型布置图及主梁断面图如图1和图2所示。

图2 主梁断面图

2 有限元模型

2.1 结构与材料

1-55m简支钢-混凝土组合梁采用双箱单室结构，两箱之间设置横系梁连接，全桥共设置10道横系梁。梁高2.6m，钢箱梁顶、底板厚度分别为35mm和30mm，腹板厚度22mm。钢材采用Q345qD，全桥钢结构部分按三段在工厂焊接完成后，运输到桥位，现场采用高强螺栓连接，采用大六角头高强螺栓，螺栓等级为10.9 级，为摩擦型高强螺栓。栓钉采用Φ25 圆柱头栓钉，长度180mm，全桥的剪力连接件均在工厂焊接完成。

采用midas Civil程序进行计算，根据桥梁跨径及主梁横断面的刚度计算横向分布系数，简化为单梁模型进行计算。全桥共划分42个单元，45节点。静力计算有限元模型图如图3所示。

图3 桥梁有限元模型

2.2 施工节段划分

全桥钢结构部分按三段在工厂焊接完成后，运输到桥位，现场采用高强螺栓连接，节段划分如图4所示。

图4 桥梁节段划分

2.3 施工顺序

本桥共划分为7个施工阶段，分别为：

(1)浇筑桥墩，临时支架。

(2)钢箱梁现场吊装。

(3)钢箱梁现场拼装，安装横向联系梁。

(4)铺设预制混凝土桥面板。

(5)浇注混凝土后浇层，从中间向两侧浇注。

(6)待混凝土达到设计强度后，拆除临时支撑。

(7)施工桥面铺装、护栏、伸缩缝等。

3 计算荷载

3.1 恒载

一期恒载：混凝土容重取26kN/m3，钢材容重78.5kN/m3。

二期恒载：桥面铺装+护栏人行道，取23.2kN/m。

3.2 汽车荷载

采用公路Ⅰ级，车道荷载横向分布调整系数经计算采用1.35。

汽车荷载冲击系数，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)取用。

3.3 温度荷载

采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)4.3.12规定的温度荷载，包括结构的整体温度升降和梯度温度升降。整体温度升降工况中，取结构最高温度39℃，最低温度-15℃，成桥温度15℃。主梁截面温差根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)第4.3.12条取10cm厚沥青铺装，计算T1=14℃，T2=5.5℃，负温差为T1=-7℃，T2=-2.75℃。

4 应力验算

对桥梁各阶段进行了应力计算，各阶段计算结果如表1和表2所示。

表1 钢箱梁应力计算结果

由以上结果可知：成桥阶段钢主梁上缘最大压应力为126.3MPa，下缘最大拉应力为121.4MPa，小于钢材容许应力210MPa，结构安全可靠；承载能力极限状态基本组合下钢主梁上缘最大压应力为152.6MPa，下缘最大拉应力为213.7MPa，小于Q345qD级钢材抗压及抗拉强度设计值为275MPa，结构安全可靠；正常使用极限状态标准值组合下钢主梁上缘最大压应力为139.6MPa，下缘最大拉应力为172.3MPa，小于Q345qD级钢材容许应力210MPa，结构安全可靠。

由以上结果可知：成桥阶段混凝土桥面板顶缘最大压应力为5.4MPa，小于压应力允许值16.2MPa，结构安全可靠。正常使用极限状态混凝土桥面板顶缘最大压应力为12.8MPa，小于压应力允许值16.2MPa，结构安全可靠。

5 其它验算

5.1 主梁抗剪验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013)第5.2.1条规定：钢-混凝土组合梁的抗剪承载力可根据γ0V≤hwtwfvd计算。承载能力极限状态基本组合下，主梁支点位置剪力设计值为5650kN，钢梁腹板高度为2052mm，腹板厚度22mm，抗剪强度设计值为155MPa，主梁抗剪承载力为13994.6kN,大于剪力设计值5960kN，主梁抗剪验算满足要求。

5.2 主梁刚度验算

移动活载作用下，梁最大挠度为39.0mm，挠跨比为1/1410，小于1/600，结构刚度验算满足要求。

5.3 抗剪连接件验算

本桥钢梁与混凝土桥面板之间采用Φ25×180栓钉连接件，腹板上翼缘板横向配置5根栓钉，间距100mm，栓钉顺桥向间距为150mm，半跨范围内共配置1840根栓钉。按照《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB50917-2013)第7.2.1条，单个栓钉抗剪连接件的抗剪承载力设计值采用下式较小值：

(1)当发生栓钉剪断破坏时：

(2)当发生混凝土压碎破坏时：

根据计算可知：半跨范围内纵向剪力设计值为69143.3 kN，剪承载力

6 结语

按照规范对1-55m简支钢-混组合梁进行了详细计算，计算结果表明强度、刚度等均满足要求，目前该项目已经通车，为今后大跨径钢-混组合梁设计提供参考和借鉴。