80m连续钢桁梁钢板-混凝土组合桥面板的设计分析

陈 典 汪子涵

（四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司，四川 成都 610093）

0 引言

现代桥梁减轻结构自重是增强跨越能力的重要手段。随着桥梁技术的发展，尤其对于复杂地质地形条件、抗震需求较高的区域，钢-混组合结构桥梁得到广泛应用。

钢-混组合梁桥的桥面板大致可分为四类：预制混凝土桥面板、钢-混组合桥面板、叠合混凝土桥面板、现浇混凝土桥面板。钢-混组合桥面板其自身为钢混组合结构，包括压型钢板混凝土组合桥面板、平板型的组合桥面板等。在组合梁的施工中，普遍采用将钢梁架设就位，再施工桥面板，利用钢梁本身作为施工支撑，尽量减少额外的临时措施，现浇桥面板施工需设置模板，其模板工程量及现场湿作业均较大，施工速度慢，在组合梁桥的设计中几乎很少采用。叠合混凝土桥面板先铺设一层较薄的预制板再进行现浇，其施工工序较多，上、下层板的配筋较为复杂。因此，预制桥面板及钢-混组合桥面板是设计上最常采用的结构形式。

本文以某80m连续钢桁梁为设计背景，结合其设计环境和结构受力特性，探讨钢-混组合桥面板的应用场景及设计方法，为今后同类型桥梁的建设提供一些参考。

1 工程背景

该桥为山区在建高速公路桥工程，其跨径为4m×80m连续钢桁梁，采用的是板桁组合体系（见图1所示）。该桥的主梁为上承式等高钢桁梁，桥面板采用钢-混组合桥面板支撑在钢桁梁上，承受汽车荷载。上部结构为板桁组合的连续钢桁梁，下部结构为墩高80～100m的空心薄壁墩。设计荷载：公路－Ⅰ级，基本地震动峰值加速度0.2g，半幅桥宽12.6m。主桁采用三角形桁架，两片主桁中心间距6.4m，标准桁高4.5m，见图2所示。

图1 80m钢桁组合梁三维示意图

图2 桥面板构造图

桥面系采用钢板-混凝土组合桥面系，桁架支承体系采用密横梁体系。钢混组合桥面板与混凝土桥面板相比提高了抗弯能力，将原来25～30cm 厚的混凝土板变为17cm的组合桥面板，减轻了结构重量，桥墩弯矩减小了12%～18%，对桥梁抗震性能的提高有重要意义。

山区地形陡峭、道路狭窄，与预制桥面板相比，现浇桥面板更有优势，不受预制场地、运输条件限制，同时，在现浇时底钢板既能作为永久性受力构件，又能作为浇筑混凝土的底钢模，免去了模板的安装和拆除。

2 设计计算分析

2.1 桥面板设计方法

在设计上桥面板计算的三种结构受力体系是指：桥面板作为主梁上翼缘板参与整体受力，即第一结构体系；桥面板作为主梁中纵、横格子梁上翼缘板参与局部受力，即第二结构体系；桥面板作为设置在肋上各向同性的连续板，直接承受作用于盖板上的轮载，即第三结构体系。

第一体系为主梁体系，主要为主梁整体纵向受力，单梁模型可以不用单独建立横向支承构件，只计入相应构件的重量即可，不能展现荷载真实的传力路径。第二体系及第三体系应灵活判断，根据桥面板支承条件的相对刚度进行确定。例如钢箱梁桥面板的第二体系应以横隔板及腹板作为支承边界条件，对有纵横向加劲肋的加劲板进行分析，而第三体系为支承在肋间的盖板体系。

而对于板桁组合结构，采用空间梁格模型，桥面板已经按纵横梁布置进行了划分，所以在有限元模型中，在整体计算时得到的桥面板计算结果已经体现了第一体系与第二体系的叠加效应。本桥中二期恒载及活载由于构造原因，在密横梁体系中力的传递是经过上横梁，再传至纵向主桁。所以在局部受力分析时，应进行第三体系的受力计算。

根据钢-混组合桥面板的受力性能要求，其设计理念大概有三种：不允许出现拉应力、不允许出现裂缝、限制裂缝宽度。桥面板设计早期多采用配置预应力钢束的方法，但是后张法预应力钢束一部分会施加在钢梁上，导致预应力钢束的使用效率打折，先张法施工又过于复杂，得不偿失；另外，混凝土收缩徐变的不确定性、剪力钉滑移等因素导致后续防裂效果不佳。对于桥面板的开裂问题，国内外进行了广泛研究，目前桥面板主要采用限制裂缝宽度，允许开裂的设计方法。通过控制配筋率及钢筋应力，让桥面板按带裂缝工作的钢筋混凝土构件设计，既减小了施工难度，又简化了构造。

2.2 钢板-混凝土组合桥面板的力学特性

钢板-混凝土组合桥面板底部设有底钢板，开孔钢板作为剪力键与底钢板相焊接，桥面板钢筋穿孔设置，最后浇筑混凝土形成钢混组合板件。根据相关文献，西南交大、西安建筑科技大学对钢板-混凝土组合桥面板进行了静载试验研究，研究表明底钢板与混凝土之间有可靠的连接，底钢板能够充分发挥自身强度，抵抗各个方向的拉应力并避免混凝土裂缝外露。计算时可假设底钢板与混凝土之间没有滑移，且忽略混凝土的开裂，截面变形满足平截面假定，即视为能够发挥完全作用的弹性板[1-2]。在车辆轮压等局部作用下，同样按照支承于钢主梁上的单向板或双向板进行计算，在验算板的抗弯、抗剪承载力，可以将钢板等效为钢筋，沿用钢筋混凝土构件的验算方法。

2.3 计算结果

采用Midas Civil-2019 建立空间梁格模型。对该桥施工阶段和使用阶段的主要工况进行了基于杆系模型的整体计算。由于现场施工条件限制，墩高较高，钢桁梁采用顶推施工。所以本桥分为两个阶段计算：钢桁梁、桥面板底钢板、桥面板作为第一阶段的荷载由钢桁梁承受，桥面板在这个阶段不受力；桥面铺装、护栏、车辆荷载作为第二阶段的荷载由钢桁梁和桥面板共同承受。

根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG∕T D64-01-2015）第5.3.2条规定[3]，钢混组合梁桥桥面板的有效宽度be可按如下方法计算：

其中beff宽度不应大于混凝土板的实际宽度，Le,i为等效跨径，按规范要求取值。根据本桥结构钢桁梁与混凝土板的连接形式，beff＞3.2m，验算桥面板第一、第二体系受力时，混凝土桥面板全截面有效。第一、二体系桥面板各工况下控制截面应力见表1所示。

表1 第一、二体系桥面板各工况下控制截面应力（MPa）

钢板-混凝土组合桥面板只有顶面与大气接触，构件理论厚度不能按普通混凝土构件计算，根据相关规范及试验结果，采用钢纤维混凝土的钢板-混凝土组合桥面板的计算收缩量为普通混凝土的0.4，徐变系数为普通混凝土的0.5[4]。

通过表1可以得到使用阶段桥面板控制截面在主梁体系下的最大应力结果（见表2所示）：边跨跨中最大压应力为-4.9MPa，边跨连续处最大拉应力为6.3MPa，中跨跨中最大压应力为-4.4MPa，中跨连续处最大拉应力为5.0MPa。桥面板第三体系主要承受车辆轮载，采用有限元软件将桥面板以板单元模拟。第三体系桥面板板顶和板底应力图见图3、图4所示。

表2 桥面板在各体系下的最大应力（MPa）

图3 第三体系桥面板板顶应力图

图4 第三体系桥面板板底应力图

车轮荷载作用下，桥面板底部最大拉应力为5.7MPa。当支点处桥面板产生最大拉应力时，第一体系车道荷载是布置在正弯矩区的同号影响线范围内，在墩顶支点一定范围并不布置车道荷载。所以，车道荷载和车辆荷载在不同结构体系中对桥面板产生的效应不进行叠加。

2.4 桥面板验算

采用欧洲规范4推荐的应力计算法确定开裂区，首先通过非开裂模型进行弹性计算，得出标准值组合下混凝土板上缘应力，若混凝土的拉应力超过2fctm，则截面处于开裂区。其中为混凝土的圆柱体抗压强度。对于C50 钢纤维砼计算得到2fctm=7MPa＞6.3MPa。则第一、二体系下桥面板可以不考虑开裂，其承载能力满足要求。

采用《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》[3]，中间支座两侧0.15L范围内考虑桥面板开裂，钢-混组合桥面板第一体系下为轴向受拉∕受压构件。则受拉区桥面板裂缝宽度计算结果如表3所示。

表3 第一、二体系下桥面板裂缝宽度计算结果

根据本桥钢板-混凝土组合桥面板构造，中性轴位于混凝土部分，在连续板的局部受力体系下，横梁顶的负弯矩区，桥面板钢筋应力σss=101.3MPa，裂缝宽度Wfk=0.102mm。结果表明，在整体计算和局部计算中桥面板裂缝宽度都满足要求。

3 结束语

综上所述，结论如下：

（1）钢板-混凝土组合桥面板是轻型化桥面板的发展方向，并且能够适应山区复杂的施工环境，做到无模板化，减小高烈度地区桥梁的地震效应。

（2）车轮荷载作用下桥面板局部计算会出现拉应力，第三体系受力较大，很多时候可能对设计起控制作用，不论是整体计算还是局部计算，设计上都可以采用强配筋，限制裂缝宽度的方法来解决问题。

（3）钢板-混凝土组合桥面板给出了轻薄型桥面板的设计思路，随着板厚的减薄，会带来桥面板刚度的降低，组合桥面板的动力性能，尤其在承受车辆等动荷载作用下疲劳问题逐渐凸显，其相关疲劳性能还有待研究。