装配式钢混组合梁设计计算研究

管永伟

(山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

装配式钢混组合梁是钢梁与混凝土板同截面共同受力，充分利用钢板的抗弯性能和混凝土的抗压性能而产生的一种组合梁。19世纪末出于对结构防锈蚀、防火等方面的考虑就已经出现钢混组合梁，当时未考虑到两种材料的配合会使得构件整体刚度、强度大幅度增强，但这在无形中产生了钢与混凝土组合而成的新结构形式[1]。

随着钢混组合梁的不断研究，该结构的优点不断被发掘出来，其在大中跨径桥梁建设中的作用也越来越重要。钢与混凝土的完美结合，相比于传统钢筋混凝土梁，减轻了主梁的重量，提高了构件的承载能力和延性，大大提高了结构的抗震性能。与传统钢梁相比，提高了桥梁的整体刚度与稳定性，同时也降低了钢用量，有效降低了造价[2]。

近年来，国务院办公厅发布的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》以及2022年交通运输部发布的《公路装配式混凝土桥梁设计规范》均体现了桥梁向装配化发展的方向，随着住房和城乡建设部和各省装配式钢混组合梁通用图的发布与实施，已建钢混组合梁暴露出明显病害，如混凝土翼缘板纵向开裂、桥面板产生疲劳裂纹和横向裂缝、剪力钉破损、钢梁锈蚀等[3]。

要从根本上控制病害，就应该对装配式钢混组合梁的设计计算进行研究。本文通过标准图示例，利用midas Civil有限元软件从施工阶段划分、各施工阶段考虑的作用及各个作用的组合三个方面分析了装配式钢混组合梁的设计要点。

1 项目概况

根据2018年浙江省公路工程设计标准图——45 m组合梁桥通用图，参照《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)和《公路桥涵设计通用规范》(JTJ d60—2015)，确定45 m钢板组合简支梁桥的主要技术标准如下：

(1)公路等级：一级公路或城市快速路；

(2)结构设计安全等级：一级，结构重要性系数：1.1；

(3)桥梁跨径：计算跨径44.92 m，标准跨径(含80 mm伸缩缝)45 m；

(4)桥面宽度：单幅三车道，16.5 m宽；

(5)桥梁结构设计基准期：100年；

(6)汽车荷载等级：公路-I级、城-A级。

该桥跨径布置：45 m简支梁；主梁形式：三主梁工字钢组合钢板梁，主梁间6 m，梁高2.8 m(2.4 m钢主梁+0.4 m混凝土板)。

2 施工阶段分析

装配式钢混组合梁是钢梁与混凝土板在工厂预制完成后现场拼装的一种组合梁。待墩身、桥台与盖梁完成后，其施工阶段由以下几部分构成：

(1)组合梁钢板梁拼装；

(2)横梁与钢主梁连接；

(3)组合梁混凝土桥面板吊装；

(4)沥青铺装、安装防撞护栏、桥面排水等附属设施，全桥竣工。

以标准图为例，采用midas Civil有限元软件考虑以上施工阶段，可分为以下三个阶段。

在形成组合截面后，可施加桥面二期荷载，考虑混凝土的收缩徐变时间，一般考虑10年，完成施工阶段分析。

3 各施工阶段考虑的作用

在进行内力计算时，需考虑一期恒载(桥面板重量和钢梁重量)、施工荷载、二期恒载(沥青铺装+栏杆)、汽车活载、汽车疲劳荷载、收缩徐变、温度作用、沉降[4]。

根据以上有限元施工分析的划分，可将施工阶段划分为两大阶段：纯钢梁阶段和钢混组合梁阶段。一期恒载、施工荷载由钢梁承担，待施工完成后施工荷载取消，在形成二期恒载(铺装+栏杆)、汽车活载及收缩徐变由组合梁截面承担。具体分类及计算方法如表1所示。

表1 施工阶段各作用分类及计算方法

将各个作用按以上表格计算方法计算得出，然后作用到不同施工阶段的截面上就可以完成计算建模分析。可得到组合梁在各个施工阶段的内力、应力、挠度等数据。如在架设钢梁阶段，荷载作用在钢梁截面。

图5 一期恒载作用下钢梁弯矩内力图(单位：kN·m)

4 作用组合

在进行组合梁承载能力验算时，首先要进行内力组合计算，然后计算出各个断面的截面特性，对其进行应力计算。而应力计算的结果决定了各个截面承载力能否通过。

4.1 内力组合

当钢-混凝土组合梁进行承载能力极限状态计算、稳定计算、局部连接件抗剪计算时，作用组合应按照公路桥梁通规的基本组合进行考虑；对钢-混凝土组合梁进行混凝土抗裂验算时应按照公路桥梁通规的频遇组合及准永久组合；抗疲劳计算和抗倾覆稳定计算作用效应组合应采用标准组合[4]。

(1)基本组合

(作用效应按照线性关系考虑)

(1)

式中：Sud为承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值[4]；γ0为结构重要性系数，取1.1；γGi、Gik为第i个永久作用效应的分项系数和标准值，γGi=1.2(1.0)；γQ1，Q1k分别为相应汽车荷载作用下的分项系数和标准值，γQ1=1.4；γQj、Qjk分别为除汽车荷载外的其它可变作用效应的分项系数和标准值；ψc=0.75[4]。

(2)频遇组合：永久作用标准值、车荷载频遇值和他可变作用准永久值相结合。

(2)

Sfd为作用短期效应组合设计值；ψf1：汽车荷载(不计汽车冲击力)频遇值系数，ψf1=0.7；ψfj：第j个可变作用准永久值系数；人群：f2j=0.4；温度梯度：f2j=0.8；其它作用：f2j=1.0。

(3)准永久组合：永久作用标准值与可变作用准永久值相组合

(3)

Sqd：为长期效应组合作用设计值；ψfj：第j个可变作用准永久值系数；f2j=0.4；人群：f2j=0.4；温度梯度：f2j=0.8；其它作用：f2j=1.0。

根据以上公式，考虑1.1倍的结构重要性系数，按以上所述承载能力极限状态下的基本组合，为1.2倍的恒载(含收缩徐变)，1.4倍汽车活载效应，温度活载取1.4×0.75=1.05。形成四个荷载组合。

①1.2×恒载(含收缩徐变)+1.4×汽车荷载+1.05×整体升温+1.05梯度升温

②1.2×恒载(含收缩徐变)+1.4×汽车荷载+1.05×整体降温+1.05梯度升温

③1.2×恒载(含收缩徐变)+1.4×汽车荷载+1.05×整体升温+1.05梯度降温

④1.2×恒载(含收缩徐变)+1.4×汽车荷载+1.05×整体降温+1.05梯度降温

根据以上四个荷载组合取各个施工阶段最不利内力对截面进行承载力计算。对于该三片工字型组合简支梁，对边梁和中梁分别分析，计算跨中最大弯矩和支点最大剪力，对其对应截面进行承载力分析。

4.2 应力组合

主梁应力计算以最具代表性的跨中截面和支点截面进行计算。根据《公路钢结构桥梁设计规范》11.2.1和11.2.2规定进行计算。

《公路钢结构桥梁设计规范》11.2.1抗弯计算指出，在进行组合梁抗弯计算时，应按施工方法及顺序，对施工过程进行抗弯验算，作用效应组合按《公路桥涵设计通用规范》规定执行，即3.1所述。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》11.2.2，组合梁抗剪计算应符合以下规定：

(1)组合梁截面的剪力应全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土板的抗剪作用。

(2)组合梁截面抗剪验算应符合以下规定

γ0Vd≤Vu

(4)

Vu=fvd·Aw

(5)

其中，γ0为结构重要性系数，取1.1；Vd为组合梁截面的剪力设计值；Vu为组合梁截面的抗剪承载力；fvd为钢材的抗剪强度设计值；Aw为钢梁腹板的截面面积。

根据《钢-混凝土组合桥梁设计设计》(GB 50917—2013)对钢-混组合梁正常使用极限状态进行短暂状况验算和持久状况验算，应力验算采用荷载标准组合；承载能力极限状态验算采用基本组合[5]。应力验算荷载组合如表2所示。

表2 应力荷载组合

在持久状况下，根据规范，在对钢-混凝土组合梁进行应力计算时，应满足以下规定。

(1)在对混凝土桥面板进行正应力验算时，其压应力最大不宜大于0.50fck(混凝土轴心抗压强度标准值)。

(2)钢结构应力不应大于75%的强度设计值，且应满足稳定的要求。

在短暂状况下，在对钢-混凝土组合梁进行应力计算时，应满足以下规定。

(1)在对混凝土桥面板进行正应力验算时，其压应力最大不宜大于0.70fck。

(2)在对钢结构进行应力验算时，其最大应力不应大于80%的材料强度设计值，且应满足结构稳定性的要求[5]。

5 结 语

装配式钢混组合梁因其巧妙的利用了混凝土和钢材的材料优势，表现出优良的抗震性能、装配程度高、结构造价低、绿色环保等优点，在国内外大中跨径桥梁中得到广泛应用。随着装配式钢混组合梁的推广应用，在实际工程中也暴露出了一些可以控制的病害，因此如何从设计上控制病害的发生是本文重点研究的内容，本文有以下三个创新点。

(1)根据装配式钢混组合梁的成桥过程，通过midas Civil有限元软件对其进行施工阶段划分。

(2)根据实际施工阶段，对各个施工阶段的荷载进行了分析并列出了计算方法。

(3)结合规范，对各个施工阶段的荷载组合方式进行了研究，重点对内力和应力的抗弯和抗剪组合进行了归纳总结。