钢-混凝土组合梁的设计与应用研究

崔仕泽

(广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510030)

0 引言

在钢混组合梁结构设计中，根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01—2015）（简称《桥钢混规》）及《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64—2015)（简称《桥钢规》）规范要求进行钢梁验算，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）规范要求进行混凝土桥面板验算。本文以广州大道华南快速节点跨线桥项目为例，阐述了设计中需要根据规范计算的内容，对不同规范条文进行了对比，并根据对比结果选择适用的规范条文进行计算和设计。

1 计算内容及规范条文对比

在钢-混凝土组合梁计算中，《桥钢混规》及《桥钢规》中都有关于钢梁的计算，经过对比存在的区别如下。

1.1 腹板折算应力

根据《材料力学》形状改变密度强度理论，规范对于弯、剪共同作用下的钢材强度验算做了具体规定，各规范在具体执行中存在局部差异。

1.1.1 《桥钢混规》相关规定

《桥钢混规》7.2.2 条第2 款规定：组合梁承受弯矩和剪力共同作用时，应考虑两者耦合的影响，腹板最大折算应力应按下式验算：

《桥钢混规》7.2.2 条条文说明解释如下：当这组合梁承受弯、剪共同作用时，组合梁抗剪承载力随截面所承受的弯矩的增大而减小，由于截面抗力计算基于弹性方法，因而以最大折算应力的方式考虑组合梁弯剪共同作用[1]。

1.1.2 《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）（简称《钢标》）相关规定

除了上述两本规范，在《钢标》式（6.1.5-1）规定：

当无集中荷载作用时，上述公式中σc=0，

β1=1.1，公式转化为下式：

因建筑结构的结构可靠性与公路桥梁结构可靠性指标的区别，钢材抗弯强度设计值f与fd数值存在差异。但其公式的形式与《桥钢混规》一致。

《钢标》条文说明中指出：公式1.1 中（强度增大系数）并非是将刚才的设计强度增大，而是为考虑截面局部塑形开展而允许的应力限值少量放大。据此作者分析《桥钢混规》也是相同思路。

1.1.3 《桥钢规》相关规定

《桥钢规》11.2.2 条第3 款及5.3.1 条第4 款规定，组合梁承受弯矩和剪力共同作用时，应考虑两者耦合的影响，腹板最大折算应力应按下式验算：

对比《桥钢混规》式（7.2.1-2）和《桥钢规》式（5.3.1-1），《桥钢混规》中的σ与《桥钢规》中的σx均未计入结构重要性系数γ0的正应力，考虑到钢材抗弯强度设计值fd与抗剪强度设计值fvd近似存在数量关系：fvd=，带入《桥钢规》式（5.3.1-6），得下式

推导得到

仅在桥梁结构设计安全等级为三级时，二者的规范限值相当，当安全等级为一级时，《桥钢混规》的腹板折算应力限值比《桥钢规》高出约21%。考虑到钢混组合梁的适用跨径，其设计安全等级绝大多数应归为一级。因此从上述规范条文对比看，选择《桥钢规》进行验算，可全部符合规范要求且结构更安全[2]。

1.2 按《桥钢规》计算的内容

根据《桥钢混规》与《桥钢规》的对比，下述内容仅《桥钢规》中有相关规定，应该规范进行计算：支撑加劲肋强度验算、抗倾覆验算。

1.3 按《桥钢混规》计算的内容

根据《桥钢混规》与《桥钢规》的对比，下述内容仅《桥钢混规》中有相关规定，应该规范进行计算：组合梁的整体稳定验算、组合梁混凝土板的纵桥向抗剪验算、组合梁剪力连接件的疲劳验算。

除上述内容需特别注意外，其他内容在《桥钢混规》与《桥钢规》中的规定均相同，可按上述两本规范的任一本进行计算。

2 桥梁结构设计

本项目主桥长360m，桥宽17.5m，桥梁跨径组合为（3×40+3×40+3×40）=360m，双向4 车道。

上部结构采用等高钢混组合连续梁，3 跨一联，标准跨径40m，梁高1.8m（梁高不含钢梁底板厚度）。桥梁结典型构横断面如图1所示。

图1 桥梁结典型构横断面

3 结构设计计算结果

3.1 桥梁计算建模概述

采用midas civil 2019（V2.1）进行有限元计算，全桥共分786 个单元，569 个节点，支座采用弹性连接模拟。采用软件中的施工联合截面。钢梁横向采用工字钢连接，单跨布置5 道，间距为7m。桥面板横向采用与桥面板等厚的矩形虚拟横梁来模拟纵梁间力的传递[3]。结构计算模型如图2所示。

图2 结构计算模型

3.2 施工阶段划分

模型中施工阶段划分如表1所示。

表1 施工阶段划分

3.3 计算结果与规范限值的对比

计算结果与规范限值的对比，如表2所示。

表2 计算结果与规范限值的对比

4 本项目设计工作的经验和展望

4.1 设计经验

桥梁采用斜腹板钢梁，钢梁跨高比约28.5，桥梁综合用钢量约280kg/m2，梁体立面轻盈，景观较好。

桥梁设计阶段，混凝土桥面板的后浇槽口及其中的预制拼接钢筋与钢梁顶面剪力钉精准核对，可保证钢梁剪力钉在工厂焊接后不影响现场顺利拼接，剪力钉施工质量较现场焊接更有保障。

在设计过程中，经常存在相关规范条文内容重叠的情况，进行桥梁设计钱应对不同规范的条文进行对比分析，选定适合的规范条文进行计算[4]。

4.2 设计展望

本项目桥面板在剪力钉除含承托的厚度为400mm，桥面板的抗弯、抗剪、纵桥向抗剪、桥面板纵、横桥向裂缝等计算结果均大幅度小于规范限值，桥面板厚度仍有优化空间。

在更薄桥面板的设计中，应注重桥梁伸缩缝、剪力钉等构件的尺寸和安装。

5 结语

随着钢-混凝土组合梁桥在我国的逐步推广，其钢材与混凝土材料的优势将逐步被发挥至极致。在结构设计中，如何降低梁体高度、节约钢材仍将是重点关注内容。混凝土桥面板可通过采用压型钢板与混凝土组合桥面板、超高性能混凝土等方式减小厚度，钢梁可通过预弯组合梁等方式减小高度，综合实现降低梁体高度的目标。随着工程经验的逐步积累，钢-混凝土组合梁桥的设计理论将更加完善。