大跨径简支钢-混组合梁结构设计研究

鲁 聪 江 辉

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

公路桥梁上部结构尽量选择标准化、装配化的结构形式，通常以预应力混凝土空心板、小箱梁、T梁为主，具有造价低、施工速度快，产品质量高等优点，但是跨越能力通长在40 m以下，50 m T梁由于受到吊装难度的限制，实际工程中使用较少。桥梁跨越通航河流时，桥梁主跨根据通航等级确定，由于受到堤防等级和防洪要求的限制，常规预制结构一般难以跨越，根据河堤距离航迹线位置的不同，通常采用适当加大通航主跨利用边跨跨越或单独设置连续梁跨越，增大了施工难度，同时提高了工程造价，因此采用新的结构形式是非常必要的。

本文以国道207跨河桥梁为背景，采用midas Civil 2019软件建立简支钢-混组合梁结构有限元分析模型，对施工及成桥阶段进行受力分析，以确定合理的结构形式和桥梁方案。

1 依托工程概况

国道207是公安县的南北向交通大动脉，沟通公安县城与各乡镇之间的交通联系，采用双向四车道一级公路，设计速度80 km/h，路基宽度24.5 m。本项目需要跨越虎度河、松东河、苏支河3条河流，原设计采用2×56 m等截面预应力现浇箱梁跨越河堤。

在实际施工时，根据防洪及堤防要求，河堤上不容许搭设支架，采用移动模架施工法对56 m等截面预应力现浇箱梁的上构进行施工难度较大，同时存在一定的风险。因此为了便于施工，降低施工难度，提出采用一跨56 m简支钢-混组合梁顶推法跨越河堤+2×28 m混凝土连续小箱梁方案。目前常规简钢-混组合梁跨径均为50 m以下，因此，56 m简支钢-混组合梁结构受力为本次研究的重点。

2 简支钢-混组合梁结构设计方案确定

简支钢-混组合梁具有自重轻、承载能力高，构造简单、施工便捷等优点，是中小跨径公路桥梁和城市桥梁中应用最广泛的组合桥梁结构形式。在恒载及活载作用下，简支组合梁的各截面主要承受正弯矩，钢梁受拉，混凝土桥面板受压，可充分利用钢和混凝土2种材料的受力性能[1]，经济适用，造价较低。钢主梁采用工厂加工，运输至现场采用吊装或顶推施工，能较好适应各种复杂施工条件，施工工期短。钢-混组合梁的截面由钢筋混凝土桥面板和钢梁组成。针对本项目现场实际情况，综合考虑结构形式、施工方案及工期、工程造价，以及对周边环境的影响，拟采用工字钢梁作为钢梁截面，通过剪力钉与混凝土桥面板组成组合截面共同受力，现场采用顶推法施工。

主梁主体部分均采用Q345qD钢材。组合梁断面采用3根焊接工字钢并列，腹板间距为4 000 mm。主梁梁高2 500 mm，顶底板厚度均为60 mm，腹板厚度20 mm，腹板沿桥梁纵向设置间距为1.5 m竖向加紧肋，板厚为20 mm。组合梁桥在施工过程中，钢梁的侧向刚度及抗扭刚度较小，在施工阶段的各荷载作用下易发生整体弯扭失稳，因此需要设置一定数量的临时或永久横梁来保证结构的稳定性。成桥状态下，为了更有效地横向分配活荷载来提高结构的整体承载能力，也需要设置横梁[2]。主梁间采用间距为6 000 mm的型号为450×500×16×16及500×500×16×16的上下工字钢横梁加强主梁横向联系，钢-混组合梁标准横断面图见图1。

图1 钢-混组合梁标准横断面(单位：mm)

导梁采用Q235钢材，导梁长36.4 m，断面采用3根焊接工字钢并列，腹板间距与主梁保持一致并一一对应连接。

3 简支钢-混组合梁结构受力研究

组合梁的施工方法对弹性阶段应力分布及变形均有很大的影响，因此组合梁必须考虑施工条件及过程。李立峰等[3]对不同施工顺序下钢-混组合梁受力进行专门研究，根据施工顺序及受力分析，组合梁应按两阶段受力构件进行设计和验算。施工阶段由钢梁承担自身重量、湿混凝土重量和施工荷载，待混凝土达到设计强度后，钢梁与混凝土面板形成组合截面共同承担二期恒载和可变荷载[4]。根据堤防要求不允许在河堤上搭设支架，故本桥采用顶推施工方案，本次对施工阶段、成桥阶段、桥面板及剪力连接件进行受力分析。

根据工程施工工序，在有限软件中定义施工阶段，见表1，并用midas Civil 2019建立有限元分析模型，见图2。

表1 组合梁施工阶段定义

图2 钢-混组合梁有限元分析模型

3.1 组合梁各阶段受力特性

在桥梁由开始施工到最后成桥运营的整个过程里，主梁截面的内力需要始终保持在安全的范围内，才能保证结构的安全；同时顶推施工过程中所用到的导梁也需要满足结构受力的要求。整个过程中的主要荷载包括钢梁自重、混凝土湿重(施工过程中存在)、二期恒载等。

结合表1中施工顺序，计算的各阶段主梁及导梁挠度和应力分别见表2。

表2 各阶段主梁、导梁应力 MPa

在顶推法施工过程中，当导梁处于最大悬臂状态时(阶段2)，导梁所受正应力均达到最大值，继续向前推进，当导梁即将上墩，主梁与导梁悬臂最大时(阶段3)，主梁上缘拉应力达到最大。随着导梁逐渐向前推进，主梁也逐步架设，顶推到位之后拆除导梁，主梁架设完成(阶段6)，开始浇筑钢筋混凝土桥面板(阶段7)，此时由于混凝土尚未达到强度，结构所有自重由钢梁承担，待混凝土达到设计强度后桥面板和钢梁形成组合截面共同受力。最后进行桥面铺装施工(阶段9)，完成后通车，成桥和运营阶段的组合梁在汽车荷载下竖向挠度见图3。

图3 汽车荷载下竖向挠度(单位：mm)

施工完成达到成桥阶段后，桥梁进入运营通车状态。桥梁在正常使用状态下需要满足挠度和内力两方面的要求，保证运营过程中车辆通过的舒适性和安全性。按照《公路钢结构桥梁设计规范》的规定，简支梁的跨中挠度不能超过跨径的1/500，同时钢主梁截面的内力不能超过所使用Q345钢材对应的设计强度。

根据计算结果，组合梁施工及成桥运营阶段钢梁受力均能满足规范要求；同时在汽车荷载作用下，主梁跨中最大挠度为45.2 mm，挠跨比为1/1 238.9<1/500，本联刚度满足规范要求。

3.2 桥面板分析

桥面板可视为和钢梁连接在一起的普通钢筋混凝土构件，因为在组合梁截面中桥面板和钢梁共同受力，存在连接件的截面上会出现较大的剪力，组合截面不仅需要承受剪力的作用，也需要保证在横桥向不能出现过大的裂缝。

钢梁与混凝上板的组合作用依靠抗剪连接件的纵向抗剪实现，由于纵向剪力集中分布于钢梁上翼缘布置有连接件的狭长范围内，需要合理进行横向配筋控制裂缝发展。因为横桥向混凝土板的悬挑长度较大，本工程桥面板内配置双层横向钢筋，顶层和底层横向钢筋布置均为HRB400，间距100，各16根。

为详细研究桥面板实际受力情况，建立钢-混组合梁平面框架分析模型，通过平面框架模型再次进行验算复核。

3.2.1桥面板纵向抗剪验算

组合梁基本组合下形成组合截面后组合竖向剪力包络图见图4。

图4 基本组合下形成组合截面后组合梁竖向剪力图包络图(单位：kN)

组合梁最大竖向剪力V=2.334×106N，混凝土板对组合截面中心轴面积距S=1.29×108mm3,组合梁未开裂截面惯性矩I=4.243 4×1011mm4，钢梁梁与混凝土板之间单位长度最大纵向剪力V1=V×S/I=710.0 N/mm。桥面板2个可能的破坏截面见图5。对a-a截面和b-b截面所承受的剪力进行计算。

图5 桥面板纵向抗剪验算界面

经计算：a-a截面剪力设计值小于纵向界面单位长度抗剪承载力(V1d

3.2.2桥面板横向抗弯承载力验算

本桥钢主梁采用3片工字梁组成的断面，因此横桥向有较长的悬臂部分。桥面板与钢主梁通过剪力钉形成连接后，位于主梁悬臂部分的两侧桥面板简化为悬臂板，主梁中间部分的桥面板简化为简支板结构。

1) 悬臂抗弯验算。选取纵桥向的单位长度桥面板进行承载力验算，弯矩设计值为

M0=-75.5 kN·m

悬挑部分端部正截面抗弯承载力为

Mu=122.9 kN·m

Mu>1.1×M0，悬挑板满足正截面抗弯承载力要求。

2) 梁间抗弯验算。

M0=98.6 kN·m

跨中正截面抗弯承载力为

Mu=122.9 kN·m

综合上述分析可得Mu>1.1×M0，梁间板满足正截面抗弯承载力要求。

3.2.3桥面板横向抗裂验算

跨中和支点截面横向双层配筋布置为HRB400，间距100，各16根，裂缝宽度验算过程见表3。由表3可见，由于正常使用极限状态横向钢筋应力很低，因此裂缝宽度完全满足要求。

表3 桥面板裂缝宽度验算表

3.3 剪力连接构件

在钢-混凝土组合结构中，需使用连接件把两者结合在一起，其主要用于承担钢梁与混凝土桥面板间的剪力。连接件称为剪力钉、剪力键、剪力连接件等，最常见的连接件是圆柱头焊钉，其力学性能不具有方向性，即不必考虑受力方向进行设置，且施工方便，质量容易保证[5]。为保证混凝土板与刚主梁的有效连接，防止相互错动，本桥采用直径×长度为22 mm×180 mm焊钉连接件连接。

3.3.1焊钉连接件的抗剪承载力

焊钉连接件的抗剪承载力按照JTG/T D64-01-2015 《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》[6]9.3.4-1条公式计算

Vsud=85.1 kN

根据GB 50917-2013《钢-混凝土组合桥梁设计规范》[7]第7.2.1条，分别考虑发生栓钉剪断破坏时和混凝土压碎破坏时计算焊钉连接件的抗剪承载力并取最小值，为102.8 kN。

通过对比，《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》计算结果与《钢-混凝土组合桥梁设计规范》的计算方法得到的剪力件承载力相接近，基于偏安全考虑，采用《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》计算结果，即Vsud=85.1 kN。

3.3.2剪力钉剪力分布

根据结构计算，桥面板与钢箱梁之间的剪力在梁端及中支点位置较大，在跨中部分较小。拟在每个顶板设置11排焊钉(跨中13排)，间距100 mm，纵向按照150 mm布置，横、纵向布置图分别见图6、图7。

图6 焊钉连接件横向布置图(单位：mm)

图7 焊钉连接件纵向布置图(单位：mm)

3.3.3剪力钉剪力分布计算

根据上文计算结果，单片工字钢梁上端部每延米抗剪承载力

跨中每延米抗剪承载力

根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》组合梁连接件作用组合考虑以下2种情况。

1) 组合后结构重力+汽车荷载+混凝土桥面板升温。

2) 收缩变形+混凝土桥面板降温。

上述结果可得：由混凝土升温温差产生的混凝土板与钢梁的端部剪力

Tmax=-540.75 kN/m

由混凝土收缩+降温温温差产生的混凝土板与钢梁的端部剪力

Tmax=2 137.3 kN/m

3.3.4混凝土与钢主梁间剪力包络图

通过上述计算，可以得到混凝土与钢主梁间剪力包络图，见图8。

图8 混凝土与钢主梁间剪力包络图(单位：kN)

由图8可知，剪力件提供的剪力承载力均大于实际产生的最大剪力值，剪力件布置满足设计要求。

4 结语

本文对一跨56 m跨钢-混组合梁结构进行分析计算，施工及成桥阶段受力均能满足规范要求；造价对比，本桥原设计方案建安费为2 041万元，变更后费用为1 919.8万元，较原方案减少121.2万元。目前本桥主梁已架设完成，正在进行桥面系施工，施工工期与原计划基本一致，通过上述分析研究，充分说明本方案经济可行，同时得出如下结论。

1) 钢-混组合梁结合了钢材和混凝土各自的优点，充分发挥混凝土抗压性能好和钢材抗拉性能好的特点，具有较好的经济性。

2) 根据顶推中受力分析，施工过程中组合梁及导梁受力均能满足规范要求，同时架设完成的钢主梁可作为浇筑桥面板的底模，具有较强的可实施性，能够有效地解决施工时河堤禁止搭设支架的问题。

3) 本方案采用一跨简支结构，无需设置边跨，对通航河流的主桥跨径布置干扰较小，对于同时满足通航、防洪要求的桥梁具有很强的适用性。