S型曲线小半径连续窄箱室钢混组合梁设计要点及受力研究

摘要：文章依托某项目4 m×45 m连续窄箱室钢混组合梁，介绍了连续窄箱室钢混组合梁的构造设计，采用有限元软件进行数值分析。设计出一种窄箱式钢梁和有承托混凝土桥面板结合的钢混组合梁截面形式。钢混组合梁增大了组合截面的刚度，减小了梁的挠度；提高了梁的基频，利于结构的抗震设计；整个截面重心的抬高，钢梁的腹板较大一部分处于受拉区，避免钢梁腹板产生“呼吸效应”。文章总结了钢混组合梁较常规结构的优缺点，构造上经优化后可为同类型桥梁方案提供设计参考。

关键词：连续钢混组合梁；窄箱室钢混组合梁；小曲线半径；设计与计算

中图分类号：U442.5文献标志码：A

0引言

近年来，钢混组合梁以良好的受力性能，越来越多地应用在桥梁建设中。钢混组合梁是由钢主梁、混凝土桥面板及剪力连接键组成的一种新结构，能充分发挥混凝土受压、钢材受拉的特性，在桥梁全寿命周期中有着良好的技术经济效益［1］。

1项目概况

桥梁平面呈S型，曲线段，曲线半径100m；最大横坡为5%，全桥均位于超高渐变段上，桥梁纵坡为+3.101%～-3.0%。结合现场的地形、地貌等情况，选用一联4孔连续梁桥（见图1）。

2结构比选

上部结构有钢箱梁、钢混组合梁、预应力砼连续箱梁等。

考虑到预应力砼箱梁梁高高、自重大，需采用满堂支架施工，影响下穿主线桥桥下净空、交通组织，不予考虑。

相对钢箱梁，钢-混组合结构经济性好；此外，桥面板采用混凝土结构，可直接采用沥青混凝土作为铺装层，钢箱梁则大多采用混凝土铺装层+沥青混凝土。虽然近年来亦多采用钢桥面板+UHPC（超高性能混凝土）组合铺装，但存在造价高的问题；同时，桥梁位于超高渐变段上，考虑到钢箱梁顶板、底板、腹板的高度及厚度随横坡连续变化，加工难度大，因此不予选择。

开口槽型钢混组合梁，加工难度大，同時其抗扭性不如闭口箱型钢梁；工字型钢板梁则是构造上受限于小曲线半径的抗扭要求，整体稳定性较差，均不予考虑。

综上，本桥采用一联4m×45m连续窄型室钢混组合梁设计。

3设计要点

3.1结构方案

桥梁断面采用分离式闭口窄箱梁+混凝土桥面板［1］。钢梁高度2m，高跨比为1/22.5，单梁支点处桥面板厚度0.35m，铺装层0.1 m，总高2.45m；桥面板现浇，悬臂长度与箱间长度比为0.42。支座间距为5.6m，倾覆力矩有效地减小。

两个窄箱梁之间设置横梁，形成框架结构，间距4.3m；超高段横坡通过两片钢梁的高差调节，钢梁高度、钢梁翼缘及底板保持水平，减小加工难度，主梁的顶、底板变厚处理，减少自重。

3.2主梁中支点特殊构造设计

中支点处受力特殊，在中支点处左右两侧各约1/8L（L为梁的跨度）范围内布置连续的实腹式横隔板；同时在中支点底板拉压交替区及受压区，腹板靠近上翼缘部分的纵向加劲肋FZ3断开，在中支点两侧各约L/4内范围内布置一道靠近底板的腹板纵向加劲肋FZ4。

3.3主梁设计

桥面总宽10.5m，横向设置2道主梁［2］，支点处设置1道横梁，边跨每隔2.769m设置1道实腹式横隔板，中跨每隔2.813m设置1道实腹式横隔板，2道实腹式横隔板之间设置1道横肋。主梁顶底板保持水平不变，箱室顶板宽1.4m，底板宽1.5m，顶板厚20～40mm，底板厚24～64mm；腹板选用直腹板，厚度16mm，在跨中及端部顶部区域设置1道纵向加劲肋，在中支点附近靠近顶底部位各设置一道纵向加劲肋，如图2所示。

桥面板横向支承在主梁上顶板，通过剪力连接键与主梁连接，按单向受力处理，标准段厚25cm，钢梁顶板上方的混凝土桥面板厚度保持35cm不变。

3.4桥面板设计

目前，桥面板的设计原则由原来的拉应力限值理论转变为裂缝宽度限值理论，这是组合梁未来的设计趋势。负弯矩区域不施加预应力，采用高配筋，配筋率可达3％～5％，在混凝土名义应力高达7MPa时，最大裂缝小于0.15mm，同时可与支座顶升、预加荷载法结合使用。

4计算分析

4.1有限元分析

采用Midas Civil 2019有限元软件建立全桥模型，采用双层单元法，窄箱室钢梁及混凝土桥面板均采用梁单元，钢梁和桥面板之间采用刚性连接，支撑为弹性连接，全桥离散成2010个单元，1096个节点，桥面板采用桥博V4.0计算分析［3］。

4.2荷载取值及作用组合

按JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》等规范规定。

4.3计算分析方法

4.3.1组合梁基本计算原理

（1）有效宽度。与混凝土梁桥类似，组合梁混凝土桥面板同样存在剪力滞效应［4］，桥面板的横向跨度较大。考虑到远离钢梁腹板处混凝土桥面板的压应力很小，因此设计时把混凝土桥面板参与钢梁共同受力的宽度限制在一定的范围内，即为桥面板的有效计算宽度beff，并且假定在beff范围内压应力是均匀分布的。

（2）截面特性。钢梁与混凝土桥面板之间连续牢固地结合在一起，不考虑滑移；发生弯曲时，截面符合平截面假定原则；材料服从胡克定律。根据结构的合力不变和应变相等的原则，将混凝土截面按混凝土与钢两者弹性模量的比值n换算成等效的钢截面，用材料力学公式直接求得的应力就是假定的钢截面应力。

（3）截面刚度计算。混凝土桥面板按普通钢筋混凝土构件设计，采用开裂分析法，在中支点两侧各0.15L范围内，钢混组合梁的截面刚度应取开裂截面刚度EIcr，其余部分的截面刚度取未开裂截面刚度EIun。同时，在计算截面的开裂截面惯性矩Icr时，考虑混凝土板有效宽度内纵向钢筋的作用，不考虑受拉区混凝土对刚度的影响。

进行等效换算，开裂截面中混凝土桥面板的弹性模量为E＇=EsAsAc（E＇、Es分别为混凝土、钢材弹性模量，Ac、As分别为混凝土、钢材截面面积）。

4.3.2施工阶段过程模拟

施工阶段划分：钢梁架设、施加桥面板湿重、桥面板刚度形成、施加二期恒载、模拟桥面板开裂、收缩徐变10年。

5计算结果及处理

5.1承载能力极限状态验算

5.1.1钢主梁抗弯承载能力验算

控制截面处主梁应力如表1所示。

经验算，主梁上缘应力162MPa＜［fd］=270MPa（t=16～40mm），主梁下缘应力165MPa＜［fd］=260MPa（t=40～63mm），均满足规范要求。

5.1.2钢梁腹板抗剪承载能力验算

控制截面处主梁剪应力如表2所示。

经验算，钢梁剪应力66.3MPa＜［τd］=155MPa（t=16～40mm），满足规范要求。

5.2正常使用极限状态验算

5.2.1桥面板裂缝宽度验算

根据程序计算可知，在最不利荷载组合作用下，桥面板钢筋的应力约为104.8MPa，裂缝宽度为0.122mm＜0.15mm。

经验算，混凝土桥面板裂缝宽度满足规范中规定的混凝土构件在正常使用极限状态下裂缝宽度不大于0.2mm的要求，在设计时裂缝宽度控制值按照偏保守处理，较规范取值偏小在实际工程中更为有利。

5.2.2挠度验算

钢梁在汽车荷载作用下最大挠度约为1.15×32.9mm=37.8mm

5.3结果处理

主梁验算：根据规范可知，组合梁在承受弯矩和剪力共同作用时，应考虑两者耦合的影响，验算腹板的折算应力。由连续梁的受力特性可知，最大弯曲正应力和最大剪应力同时发生在中支点处，则有σ2+3τ2≤1.1fd，则有165.62+3×66.32=201.5 MPa≤1.1fd=297 MPa，钢混组合梁的强度满足要求。

6结语

在中等跨径桥梁设计中，钢混组合梁桥由于自身构造简单，加工方便，能适应各种现场施工条件，对比常规的钢箱梁和预应力混凝土梁，它的优点可以概括如下。

（1）能充分发挥钢材和混凝土材料的特性，同时钢混组合梁截面高度相对较小，在净空受限的条件下比混凝土结构（高跨比1/20～1/18）有较大的优势。

（2）相比钢箱梁，组合梁可以利用钢梁为支撑，搭设模板浇筑混凝土桥面板，节省施工材料，经济性较好；相比混凝土箱梁桥施工，机械化程度较高，可加快施工速度。

（3）由于混凝土桥面板增大了组合截面的刚度，梁的挠度也会相应减小，整体性能更好。此外，由于混凝土桥面板的自重相比钢桥面板更大，还可以提高上部梁的基础自振频率，有利于结构的抗震设计。

（4）由于混凝土桥面板的设置，一方面，增大了组合梁的侧向刚度，可以防止主梁在荷载作用下产生扭转失稳；另一方面，使得整个截面的重心抬高，钢梁的腹板较大一部分处于受拉区，有利于避免钢梁腹板产生“呼吸效应”。

（5）本文以实际工程项目为例，介绍了窄箱室连续钢混组合梁的构造设计要点和计算分析，阐述了窄箱室钢混凝土组合梁的结构布置、设计原则、计算方法，并总结了钢混组合梁相较于其他结构的优缺点，可作为同类桥梁结构设计参考。

参考文献

［1］施新欣， 陈莎莎， 崔小建， 等. 基于BIM和快速施工的城市高架预制钢混组合梁桥设计系统研发［J］. 土木工程学报， 2023（10）： 67-77.

［2］周倩茹. 城市钢混组合梁横向分布系数研究分析［J］. 城市道桥与防洪， 2020（1）： 140-142.

［3］苏庆田， 刘玉擎， 曾明根. 钢混组合箱梁桥受力的有限元仿真分析［J］. 桥梁建设， 2006（5）： 28-31.

［4］张立奎， 邵真宝， 孙晓彤， 等. 考虑滑移影响的双主梁钢混组合梁剪力滞后效应研究［J］. 公路， 2022 （12）： 219-224.

（编辑编辑姚鑫）

Design points and stress analysis of S-shaped curved small radius continuous narrow box room steel-concrete composite beam

Huang  Xuan

（China Ralyway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Nanjing

Design Institute， Nanjing 210000，China）

Abstract： This paper relies on a 4 m×45 m continuous narrow box room steel-concrete composite beam on ramp A. It introduces the structural design of steel-concrete composite beam with continuous narrow box room and carries out numerical analysis with finite element software. A cross-section form of steel-concrete composite beam combining narrow box steel beam and supported concrete bridge deck is designed. The steel-concrete composite beam increases the stiffness of the composite section and reduces the deflection of the beam. It improves the fundamental frequency of the beam and is beneficial to the seismic design of the structure. With the elevation of the center of gravity of the whole section， a large part of the web of the steel beam is in the tension zone， so as to avoid the “respiratory effects” of the web of the steel beam. This paper summarizes the advantages and disadvantages of steel-concrete composite beams compared with conventional structures， which can provide reference for similar bridge schemes after structural optimization.

Key words： continuous steel-concrete composite beam; narrow box room steel-concrete composite beam; radius of minor curve; design and calculation

作者簡介：黄轩（1991—），男，工程师，硕士；研究方向：桥梁结构设计与计算。