钢板组合梁拼宽桥结构受力分析——以石安公路改造工程项目太平大桥为例

张世忠，许纯梅

西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224

近年来，我国城市交通基础设施建设步伐较快，城市桥梁建设发展迅猛。新建桥梁的90%均为中小跨径桥梁，而这些中小跨径桥梁中，预应力及钢筋混凝土桥梁占据绝大多数，其工业化程度相对较低，施工时环境较差，施工精度难以得到保证，后期运营中容易出现病害。早在2015年交通运输部副部长冯正霖在报告中提出要通过发展钢混组合结构桥梁来进一步解决现有中小跨径桥梁面临的病害问题[1]。将钢结构桥梁，尤其是钢-混组合结构桥梁应用于国内中小跨径桥梁上部结构的建造中，将改进现有中小跨径桥梁的结构形式，具有重大工程应用意义[2]。

1 钢板组合梁桥特点

1.1 结构方面

钢板组合梁桥是一种叠层组合结构，将混凝土桥面板与钢板梁通过剪力连接件组合成整体共同受力，截面惯性矩和抗弯承载力均显著提高，混凝土桥面板对钢梁稳定性具有增强作用使得钢材强度可以充分发挥[3]。

1.2 桥梁加宽方面

（1）钢-混组合梁刚度高，在活载效应下能为旧桥分担到较多荷载，从而对旧桥起到卸载作用，整体桥梁的荷载等级得到提高。

（2）钢-混组合梁自重轻，与旧桥结合后基础的后期沉降量小，无较大沉降差，能保证新旧桥梁结构之间不会出现结合部位的开裂。同时，钢梁承担了大部分恒载，混凝土的徐变变形不大，也有助于减少新旧结构间的变形差[4]。

（3）与混凝土梁加宽方案比，在同样的截面高度情况下，组合梁受拉区全部为钢材，相较于全截面混凝土梁承载力得到显著提高，延性也得到提升。

2 工程背景

石安公路改造工程项目太平大桥节点为蝴蝶形互通立交系统。石安公路上跨的太平大桥处于奥林匹克大道，是一条南北走向的城市主干道，车流量大，交通拥堵，既有道路宽度难以满足通行需求。因此，需对奥林匹克大道进行拓宽，太平大桥与四条匝道连接部应设置相应的变速车道从而对太平大桥进行拼宽，拼宽后的桥面宽度与奥林匹克大道拓宽后路面宽度一致，工程平面图如图1所示。其中，PA、PB拼宽桥位于太平大桥东西两侧，均为变宽的桥面连续钢板组合梁桥，对其进行结构受力分析时按照简支体系选取其中一跨即可，故此次选取PA拼宽桥变宽段30m跨作为研究对象。变宽段工字钢间距按1.5～3.7m控制，悬臂按0.5～1.5m控制。桥面板采用25cm厚现浇C50。

图1 项目平面图

钢筋混凝土板钢主梁与桥面板间采用剪力钉连接，梁高1.4m，工字梁高度1.15m，工字梁顶板厚20mm，底板厚40～45mm，腹板厚14～20mm，每约5m设置一道中横梁，梁端部设计端横梁。1.4m钢板组合梁标准横断面如图2所示。

图2 1.4m钢-混组合梁标准横断面（单位：mm）

3 结构受力分析

采用桥梁软件Midas根据实际梁板位置建立梁格空间有限元模型。计算中考虑结构自重、二期恒载、体系温度、温度梯度、混凝土收缩徐变。

3.1 施工阶段及运营模拟

计算分析时按以下阶段模拟桥梁施工及运营：

（1）工厂预制，现场汽车吊装安装钢梁；

（2）现浇桥面板；

（3）现浇桥面板参与受力，形成组合梁；

（4）施工桥面铺装及栏杆附属工程；

（5）拆除施工中临时支撑支架；

（6）运营阶段，10年收缩徐变。

3.2 计算结果

（1）承载能力极限状态正应力验算。钢梁上下缘最大正应力图如图3、图4所示。由图3、图4可知，承载能力极限状态钢梁上缘正应力为-161MPa，下缘正应力为236MPa，而容许值均为295MPa，承载能力极限状态钢板组合梁正应力符合规范要求。

图3 钢梁上缘最大正应力图

图4 钢梁下缘最大正应力图

（2）承载能力极限状态剪应力验算。变宽桥剪力包络图如图5所示。正常段腹板板厚14mm，变宽桥腹板加厚至20mm，腹板高度均为1090mm，仅考虑钢梁腹板抗剪，由上图可知腹板加厚处最大剪应力为98MPa，支点处为106MPa。腹板采用Q345qD钢，抗剪设计值为155MPa。因此，承载能力极限状态钢梁腹板剪应力满足规范要求。

图5 变宽桥剪力包络图

4 结束语

文章基于实际工程对一座钢板组合梁拼宽桥进行了计算分析，结果表明其承载能力极限状态正应力及剪应力均满足规范要求。钢板组合梁桥结构具有材料指标低、工艺比较简单、质量易控制等优点，是实现标准化、工业化桥梁的理想桥型。目前钢板组合结构桥梁的应用还不够广泛，相信随着国家的大力推进，钢板组合梁桥相关设计和施工经验都会迅速得以发展和丰富。