双主梁钢板组合梁通用图开发研究

夏飞龙　田帅帅　李辉　王林凯

摘要 钢混组合结构能够充分发挥钢结构抗拉性能和混凝土抗压性能且施工便捷，双主梁钢板组合梁桥结构简洁、经济性好，是法国和日本中小跨径桥梁的主流结构形式。文章系统地阐述了双主梁钢板组合梁通用图开发过程，对双主梁钢板组合梁的主要结构尺寸进行了对比研究，并给出了通用图的建议尺寸。根据建议尺寸开展了结构静力验算，计算表明结构有一定的安全储备。通过经济指标分析，双主梁钢板组合梁经济指标低，有较大的推广应用价值。

关键词 组合结构；钢板组合梁；通用图；工字梁；桥面板

中图分类号 U448.21文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0052-05

0 引言

钢混组合结构能够充分发挥钢结构抗拉性能和混凝土抗压性能，结构设计、施工、维修更趋合理并具有全寿命经济性。混凝土结构作为桥面板可以克服钢构件的疲劳和防腐问题，钢结构作为主受力构件可以有效提高橋梁的使用寿命。加之组合结构重量轻、架设方便、施工速度快，钢梁为工厂标准化生产，质量可控、桥面板构造简单、预制方便。

在美国、欧洲、日本等国的桥梁建设中，组合结构桥梁占有重要地位。20世纪80年代后，国外对传统的组合梁结构形式进行大量研究和探索，开发经济耐久的双主梁钢板组合梁桥，并逐步成为法国和日本中小跨径桥梁的主流结构形式。大量的国外经验表明组合梁结构是实现工业化桥梁建造的理想桥型[1-2]。

为响应《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》（交公路发〔2016〕115号）《关于开展公路钢结构桥梁典型示范工程建设的通知》（交办公路函〔2017〕708号）的要求，加快推进公路钢结构桥梁建设，促进公路建设转型升级，加快组合结构标准化，开发双主梁钢板组合梁通用图势在必行。

1 开发原则和内容

开发原则为最大限度实现桥梁各构件的标准化设计、工厂化生产、装配化施工。充分吸取国外钢混组合桥梁设计、建造及养护经验，结合已有实践经验，合理地优化双主梁钢板组合梁设计。强化钢结构构造设计，降低制造成本和装配难度，提高结构可靠性及可施工性。

开发内容主要为30 m+（1～4）×30 m+30 m、35 m+（1～4）×35 m+35 m、40 m+（1～4）×40 m+40 m一联双向四车道正交双主梁钢板组合梁桥上部结构的通用图设计，具体内容主要包括：标准横断面图、纵梁构造图、横梁构造图、桥面板一般构造、施工流程图、支座等构造设计。

2 总体尺寸拟定

2.1 横断面

根据《公路工程技术标准》确定路基宽度26 m对应的桥梁宽度如图1所示[3]。

2.2 工字钢梁高度

法国双主梁钢板组合梁梁高h约为L/22～L/28，法国双主梁钢板组合梁为了降低路基填土高度，采用低梁高厚板，S355钢允许最大使用板厚为150 mm，S460钢允许最大使用板厚为120 mm。

日本双主梁钢板组合梁钢梁高h约为L/14～L/20。双主梁钢板组合梁通用图取钢梁高h约为跨径的1/20[4-5]。根据现有桥梁设计经验结合国内钢桥钢板使用厚度情况拟定通用图钢梁高度为X/19*（LT/12）0.45。结构标准横断面如图2所示，梁高取值如表1所示。

2.3 钢梁上、下翼缘宽度

法国《设计指南》建议下翼缘宽度为（0.25+ LT/40+X/125）*（0.92+LT/150）。日本《静冈县桥梁设计要领》建议为钢梁高度的1/3～1/5。法国采用低梁高宽翼缘厚板的设计习惯，日本由于在受力较大位置采用高强钢降低翼缘宽度和厚度。该册通用图按照国内设计习惯采用了普通Q345qD钢，受力较大位置未采用高强钢，翼缘宽度取值与法国设计指南接近。通用图拟定的上、下翼缘宽度如表2所示。

2.4 纵、横梁间距

瑞士双主梁钢板组合梁的双主梁间距L约为桥宽的0.5～0.55倍，法国设计指南规定双主梁间距L约为桥宽的0.55倍，统计日本现有双主梁钢板组合梁双主梁间距L约为桥宽的0.5～0.6倍。通用图双主梁间距约为桥宽的0.536倍[6]。通用图拟定的纵梁间距如表3所示。

法国双主梁钢板组合梁横梁等间距布置，间距为6～8 m。有时候需要在支点附近减小小横梁间距以防止负弯矩主梁下翼缘受压而发生侧扭失稳[7]。

日本双主梁钢板组合梁跨中横梁间距大多不超过10 m，中支点附近变为下翼缘受压，横梁间距宜为跨中的1/2且不超过6 m。

通用图横梁间距设置原则：跨中横梁间距为6～8 m，中支点附近为了避免腹板的扭转失稳，横梁间距宜为跨中的1/2且不超过6 m，横梁间距如表4所示。

2.5 横梁高度及连接形式

统计日本已建双主梁钢板组合梁桥40 m跨径的小横梁高度为600～700 mm，端横梁高度多采用与主梁同高。《法国设计指南》建议：小横梁高度为400～700 mm，大横梁高度为600～1 400 mm。通用图横梁高度如表5所示。

横梁连接形式主要有栓接、焊接两种形式。栓接：连接构造抗疲劳性能好、用钢量较大、精度要求高。焊接：用钢量小、T形焊缝现场焊接质量控制难度大、连接位置精度要求不高、纵梁长度有调整空间。

2.6 竖向加劲肋设置

日本双主梁钢板组合梁钢梁腹板加劲间距＜1.5 m，跨中剪力较小腹板加劲间距＜3 m。

欧洲双主梁钢板组合梁钢梁腹板仅在横梁连接位置设置竖向加劲肋，其他位置均不设。

《钢-混组合桥梁设计规范》明确规定了腹板竖向加劲肋的间距不得大于腹板高度hw的1.5倍，仅设置竖向加劲肋时，其间距应满足a<950tw/sqrt（τ），且不应大于2 m。

2.7 桥面板构造尺寸

厚度沿纵向不变，横向跨中25 cm，和翼端22 cm，支点40 cm。宽度：16.75 m，配横向预应力。

梁端桥面板对应大横梁上翼缘，厚度加大为40 cm，与支点处等厚，以满足伸缩缝安装要求及抵抗重车冲击[8]。

如图3所示预制节段分3类，3 m标准段、3.2 m端部段、2.5标准段（调整板）。横向预应力结构，纵向普通混凝土结构。桥面板全宽预制，50 cm湿接缝，环形钢筋搭接。普通钢筋横向、纵向分区段布置，群钉方案。

国内汽运宽度限制：通常限制在3.8 m以下，最大宽度不能超过4.5 m，施工临时便道宽度一般为4 m左右。桥面板预制宽度为3 m，含两端环筋宽度为3.8 m，并使用预制宽度为2.5 m作为调整。采用预留槽的形式，预留槽的尺寸约50～80 cm，中心距为1.2～1.5 m，剪力钉间距可达10 cm。

如图4所示桥面板内设15.2-4横向预应力，间距50 cm，圆弧形扁锚。

2.8 桥面板板厚

欧洲双主梁钢板组合梁桥面板悬臂端部≥240 mm，悬臂根部≥300 mm，跨中≥250 mm。日本《道桥示方书》也明确规定了桥面板的最小厚度。

通用图桥面板厚度取值原则为跨中板厚为纵梁间距的1/25～1/30，悬臂根部厚度为悬臂长度的1/7，悬臂端部厚度为20～22 cm，加腋长度为纵梁间距的1/4～1/5，桥面板板厚取值如表6所示。

3 结构计算分析

3.1 计算模型

采用Midas软件建立梁格分析模型，考虑混凝土桥面板的有效宽度和负弯矩桥面板开裂[8]。

3.2 计算结果

3.2.1 短暂状况应力验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》GB 50917—2013第4.4.3条钢梁应力不应大于80%，强度设计值0.8fd=0.8×270=216 MPa（板厚0～40 mm），0.8fd=0.8×260=208 MPa（板厚40～63 mm）。如表7所示，三种跨径钢梁短暂状况上、下缘最大应力值的应力均满足规范要求。

3.2.2 持久状况应力验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》GB 50917—2013第4.4.2条钢结构应力不应大于75%，强度设计值0.75fd=0.8×270=202.5 MPa（板厚0～40 mm），0.75fd=0.8×260=195 MPa（板厚40～63 mm）。如表8所示，三种跨径钢梁持久状况上下缘最大应力值的应力均满足规范要求。

3.2.3 承载能力极限状态状况应力验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）4.2.2进行承载能力极限状态应力验算，Q345qD钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值：当板厚小于等于40 mm时为270 MPa，当板厚处于40～63 mm时为260 MPa。如表9所示，三种跨径钢梁承载能力极限状态状况上下缘最大应力值的应力均满足规范要求。

3.2.4 钢梁抗剪承载力验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）5.2.1条规定验算抗剪承载力。如表10所示，三种跨径钢梁抗剪承载力均满足规范要求。

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）5.2.2条规定验算腹板最大折算应力。如表11所示，三种跨径钢梁腹板折算应力均满足规范要求。

3.2.5 桥面板应力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 （JTG D62—2004）7.2.4条，施工阶段钢筋混凝土受弯构件混凝土边缘压应力需满足：

JTG D62—2004 7.1.5条规定，成桥阶段混凝土边缘压应力需满足：

如表12所示，三种跨径桥面板压应力均满足规范要求。

3.2.6 负弯矩区混凝土裂缝宽度验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）第6.3.4条规定矩形截面钢筋混凝土构件最大裂缝宽度Wfk可按下列公式计算：

式中，钢筋表面形状系数C1=1.0。

作用长期效应影响系数：

式中，Nl和Ns分别为按作用长期效应组合和短期效应组合计算的弯矩。

如表13所示，三种跨径桥面板裂缝宽度均满足规范要求。

4 经济指标

通过材料指标分析钢板组合梁桥的经济性，相关材料用量指标如表14所示。

通过指标分析可得出结构安全系约为1.3的情况下，钢板指标约为4.5×L kg/m2，钢绞线用量約为9 kg/m2，混凝土用量约为0.3 m3/m2，钢筋用量约为120 kg/m2。

5 结语

该文系统地阐述了双主梁钢板组合梁通用图开发过程，对双主梁钢板组合梁的主要结构尺寸进行了对比研究，并给出了通用图的建议尺寸。根据建议尺寸开展了结构静力验算，计算表明结构有一定的安全储备。通过经济指标分析，双主梁钢板组合梁经济指标低，有较大的推广应用价值。

参考文献

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[2]瑞士 拉伯特 Lebet， Jean-Paul， 瑞士 赫特 Hirt， Manfred A. 钢桥：钢与钢-混组合桥梁概念和结构设计[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2014.

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