钢混组合梁桥横向分布及抗弯承载力研究

2021-03-31曾俊彦

中华建设 2021年8期

曾俊彦

随着科学技术的不断发展及社会的不断进步，我国国内的桥梁施工工程项目越来越多，桥梁工程项目也是推动我国国内经济不断发展的重要因素之一，随着科技的不断发展，我国桥梁建造施工工艺也有了很大的进步，尤其是近几年出现的钢混组合梁桥施工工艺是我国运用最多的桥梁建造体系。钢混组合梁桥能够最大程度地发挥混凝土的优越性，本文结合坦洲快线工程项目中的钢混组合梁桥的桥梁结构，从其横向分布系数及抗弯承载力计算方法进行了细致的研究。此外结合工程手册，在钢混组合梁桥横向分布及抗弯承载力研究方面，比较了弹性力学分析法及塑化分析法的适用条件，并根据上述的两种理论推导了钢混组合梁桥的横向应力分布系数与抗弯曲承载力的计算方法。通过研究发现塑性承载力比弹性承载力提高了30%左右。

钢混组合梁由于能够最大程度地发挥钢材及混凝土相关的力学性能，在我国及世界各国均被广泛地应用在桥梁施工中，在20世纪初，钢混组合梁施工技术最早出现在英国，在钢混组合梁问世后，英国就开始对其进行研究，在20世纪30年代钢混组合梁结构体系得到了一些实验成功，并建立了一套相对全面的弹性理论设计方法。我国于20世纪50年代开始对钢混组合梁进行研究，之后钢混组合梁便被广泛地应用在桥梁，高楼建筑项目当中。同时钢混组合梁与其他的非组合梁结构相比还具有很多的优点，采用钢混组合梁结构能够最大程度地节约钢材，还能有效地降低梁的高度且提升了梁的刚度与承载力，梁的使用寿命也有了很大程度的提高。

一、钢混组合梁研究的背景与意义

现今我国建筑工程项目中使用最多的建材就是钢材与混凝土，钢材具有自重轻，抗拉强度高的优点，但其疲劳强度问题较为突出，混凝土建材自重较大，抗拉强度远远高于钢材抗拉强度的特点，由于混凝土的自重较大，且通过使用混凝土造成的构件尺寸也较大，在使用时不需要考虑受压失稳的问题，因此更适合做受压构件。采用钢材与混凝土相结合构造的梁能够互相弥补其的缺点，使建造的结构更加稳定。纵观世界的桥梁建造情况，现今我国纯钢结构的桥梁拥有量较低，西方的发达国家中的纯钢结构桥梁在其本国中早已普及。由于采用纯钢建造的桥梁造价昂贵，我国经济水平还未发展到使用纯钢建造桥梁的水平，基于此种原因我国的纯钢桥梁长期使用较少，纯钢桥梁占不到全国桥梁数的0.5%。

随着改革开发的力度不断加大，我国在社会上各领域都取得了很大的成就，国家的经济实力也得到了很大的提升，但是这些提升还无法支撑我国大力发展建设纯钢结构桥梁，由是钢混组合梁便成为了我国现今修建中小跨径桥梁采用最多的桥梁建造方式，由于钢混组合梁具有的优点很多且其有着很高的经济性，因此钢混组合梁将成为我国当下桥梁建造行业发展的趋势。

近年来我国也相继出台了关于钢混组合梁具体的施工工艺要求及相关的技术标准，这些技术标准及施工工艺的出台很大程度上规范促进了钢混组合梁的发展，但是由于我国国土面积大，不同省份发展也不相同，同时由于国内可供参考的真实施工案例较少，钢混组合梁的设计理念与构造系列还有待进一步研究。

钢混组合梁桥的基本概念：

钢混组合梁桥的结构一般由外漏的钢梁或者钢结构通过焊接与混凝土桥面结合而成，按照钢梁结构的不同可以分为以下三种:钢板组合梁桥，钢箱组合梁桥，钢架组合梁桥，具体结构见图1。

当下由于钢组合梁桥的各种优点（便于施工，造价便宜等）在我国得到了广泛地应用。

二、钢混组合梁桥的发展现状

在钢混组合梁桥设计之初，会在钢板之间添加很多横向支撑梁，致使使用的钢材量比较大，因为钢材使用量大导致在进行焊接工作及后期的维修工作也比较复杂，焊接带来的焊接疲劳问题也很突出。德国从20世纪70年代就建造了大量的中小跨径的钢混组合梁桥，在建造的过程中逐渐简化钢混组合梁桥的施工建造过程，钢混组合梁桥发展至今已不再设置横撑和腹板纵向加劲肋，同时还使用了更加先进的焊钉群工艺来解决混凝土桥梁面板施加应力刚梁受力不均匀的现象，钢混组合梁至从国外引进我国也有多年，在这期间我国的桥梁建设研究人员通过不断的研究也逐渐优化了钢混组合梁桥的力学结构，例如，在建造时采用双主梁及多钢梁的结构进行建造，采用这种结构进行钢混组合梁桥的建造，不仅有效提高了桥梁的耐久性及各种力学性能，还在一定程度上降低了桥梁的建造费用，给后期的桥梁维护工作也降低了难度。

三、钢混组合梁横向分布研究

对坦洲快线项目中的钢混组合梁的横向分布研究可以发展坦快项目中修建的钢混组合梁桥。

坦快全线为高架桥，设特大桥、大桥：21907.5m/14座（含互通主线），主线地面桥共设小桥 18m/1座；主线辅道设中桥140m/2座；小桥 123m/7座；主线（含互通主线）桥梁占路线总长为79.3%。坦快主线采用双向六车道一级公路兼顾城市快速路标准建设，主线设计速度为80km/h，高架桥断面宽度26m，辅道设计速度40km/h，辅道断面宽度根据交通需求选择。整体式路基宽度33-64.5m。

该项目中的大桥对于组合梁桥，横向分布计算原理与我国目前修建的普通常规桥梁相同，唯一不同的地方就是钢混组合梁桥结构特性计算相对复杂，不能完全按照传统桥梁横向应力进行计算，需要在其基础上进行修改，修改过后才能建立一套成熟的适合钢混组合梁桥的横向应力计算方式。

1.具体的研究内容

（1）钢混组合梁桥横向应力分布及常用的计算方式对比研究

由于钢混组合梁桥不同于传统梁桥的设计及构造方法，因此适用于传统梁桥计算方式的杠杆法，钢行横梁法并不适用于钢混组合梁桥横向应力的计算，当下建筑界没有很好地适用于钢混组合结构桥梁的计算方法，因此本文将通过传统梁桥的计算方式与有限单元计算方式的对比建立一套安全实用的适合钢混组合梁桥横向应力的计算方式，以便用于更好地设计钢混组合梁桥。

（2）钢混组合梁桥的横向应力分布及影响因素

由于现今钢混组合梁桥大部分采用钢栓链接，采用这种链接方式虽然能够降低工程量，但是却带来了钢结构与混凝土桥面之间存在截面移滑的问题，虽然在钢混组合梁桥的设计时那些移滑现象不予考虑，基本可以忽略不计，但是在真实的施工建造现场中就必须要对移滑现象带来的问题进行处理，因此在今后钢混组合梁桥的设计时应将移滑现象带来的影响考虑进去，同时在施工现场中，钢混组合梁横向连接结构的布置位置，及桥面混凝土的厚度对钢混组合梁桥的横向应力影响研究并不完整因此需要进行研究。

四、钢混组合梁桥横向应力分布系数的概念及计算方式

钢混组合梁桥的横向应力分布系数的提出是为了将工程实际中出现的空间受力分析问题化简为平面实际问题，从而有效提高横向应力分布系数的计算效率，对于钢混组合梁桥的横向分布应力系数的计算方式与传统常规性桥梁的计算方式相同，唯一不同的就是钢混组合梁桥需要考虑钢材与混凝土的移滑现象及钢混组合梁独特的结构特性，因此需要对稍微传统的常规桥梁应力计算方式进行修改，然后建立一套安全成熟的钢混组合梁桥横向应力分布系数的计算方式。