新型钢-混组合梁桥设计分析

新型钢-混组合梁桥设计分析

杨代林

合肥市公路桥梁工程有限责任公司合肥市230051

摘要：钢-混组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量。对某新型钢-混组合梁桥的方案比选、结构设计和整体计算进行了分析和总结。

关键词：钢-混组合梁桥；桥梁设计；结构分析；结构性能

1引言

钢-混组合梁桥由钢主梁和钢筋混凝土桥面板形成组合截面共同受力，充分发挥了钢梁受弯性能好和混凝土受压性能好的特点，有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量，所以近年来在国内得到了快速的发展和应用。[1-2]

钢-混组合梁桥分为不同形式，包括钢箱组合梁、钢桁组合梁和钢板组合梁等，随着计算水平的提升和施工工艺的进步，钢-混组合梁桥的构造得到了极大的简化，当桥面宽度不是很大时，少主梁形式的钢-混组合梁桥使现场工作量大幅降低，也使其在施工性能和管养维护方面，相比预应力混凝土桥梁及钢筋混凝土桥梁具有极大的竞争力。[3]

近年来钢-混组合梁桥在中小跨径公路桥梁中有广泛的应用。安徽、浙江、广东、湖南、陕西等地都积极开展了相关探索，在高速公路主线、匝道桥和跨线桥结构中都进行了尝试。本文对某4×35m钢-混组合梁桥的方案比选、结构设计和整体计算进行了分析和总结。

2桥型方案比选

2.1总体布置

本工程为高速公路桥梁，不考虑人行荷载，设计基准期为100年。

桥梁结构形式采用钢板组合梁桥，基本跨径为35m，4跨一联，每联两端设置伸缩缝，立面布置见图1。

本桥为直桥，设置2%的横坡和0.3%的纵坡。桥梁宽度为12.25m，分幅布置，为双向四车道，外侧设3m的路肩。设计时速为80~120公里/小时。

2.2方案比选

根据对钢板组合梁桥常见类型和已有设计方案的调研，提出了三个初步方案如下表。

表1初步方案

对不同方案的结构受力性能、施工便利性、经济性和管养工程量进行比较。

表2方案比选表

不同的主梁形式，双主梁结构性能较好，施工方便，钢梁制造费用低，经济性更优，管养工作量较小，选择双主梁。

不同的横梁形式，非支承横梁在主梁间距较大时横向受力较不利，但对桥面板施加横向预应力后能达到较好的受力性能，且现场连接方便、施工快速，经济性和管养情况也更优，选择非支承横梁。

不同的桥面板形式，全宽预制桥面板受力性能好，横向预应力束可提前张拉，现场工作量少，施工快速，经济性上两种桥面板基本相当，但全宽预制桥面板的整体性和水密性好，管养压力较小，选择全宽预制桥面板。

综合结构受力性能、施工便利性、经济性和管养要求的比较结果，最终选择方案三——主梁采用双工字钢板组合梁，横梁采用非支撑横梁，桥面板采用全宽预制混凝土桥面板。

3钢-混组合梁结构设计

3.1主梁高度

主梁高度是钢板组合梁桥最为重要的设计参数，对桥梁的强度、刚度等主要性能起决定作用。综合比较中外设计指南对于梁高的取值建议，发现其各有差异，在30~50m的通常中等跨径范围内，其高跨比范围大约在1/27~1/18之间，较经济的钢梁高跨比约为1/20左右，本桥跨径为35m，钢主梁梁高定为1750mm，总梁高定为2150mm左右。

3.2主梁间距

非支撑横梁钢板组合梁桥，在悬臂部分刚度、强度满足时，主梁间距主要考虑桥面板横向受力均匀，根据国内几座钢板组合梁桥的设计经验，本桥的主梁间距定为6.75m，两端悬臂长度为2.65m，组合梁总宽度为12.05m。

3.3桥面板厚度

非支撑横梁的钢板组合梁桥桥面板横向受力近似于双悬臂梁，桥面板横向采取变厚度的设计，悬臂部分厚度为240mm，跨中部分厚度为270mm，与钢主梁连接端部为400mm，并设置1000mm的变厚度区。

图1主梁横断面示意图

3.4腹板及翼缘板厚度

腹板及翼缘板厚度也是钢板组合梁桥最为重要的设计参数。主梁的腹板首先要满足抗剪的强度设计要求，其次需要考虑结构的屈曲稳定性要求。本桥腹板高厚比控制在120以内，跨中腹板厚度取为18~20mm，支点附近加厚到28mm。

翼缘板是主梁抗弯受力的关键部件，除满足强度条件外，还要满足稳定要求。本桥上翼缘板宽取为800mm，下翼缘板宽取为960mm，根据《公路钢结构桥梁设计规范》中规定，受压翼缘宽厚比不大于12，受拉翼缘宽厚比不大于16。

本桥仅设置竖向加劲肋，间距2.3~2.4m设置一道，在中支点和端支点处加设2道。为方便钢主梁的加工制作，加劲肋尺寸统一，厚度均为16mm，跨中宽度为280mm，在横梁处为方便连接，加宽至350mm。

3.5横梁

横梁起到横向上使两根主梁共同受力的作用，横梁的数量和刚度要满足稳定要求，本桥纵向间距7m设置一道横梁，横梁采用H型钢，小横梁尺寸为300×400×16×20mm，中横梁和端横梁尺寸为700×800×16×20mm。

3.6主梁分段及连接方式

连续梁不同区段的受力特点不同，跨中受到的弯矩较大、剪力较小，支点附近的剪力较大，为充分利用材料强度，每跨纵向分区段进行设计。将主梁中跨分为5个梁段，边跨分为4个梁段。

考虑到工厂内自动化程度较高，钢梁构件之间可采用焊接连接；但工地现场条件较差，焊接质量很难得到保证，故本桥除了主梁自身及主梁与加劲肋采取焊接连接方式，其余的主梁节段连接、主梁与横梁连接均采用高强螺栓连接。

图2中跨主梁纵向分段示意图

4钢-混组合梁整体计算分析

4.1结构有限元模型

本桥段采用钢混组合板梁形式，连续组合梁桥采用四跨一联，桥宽为12.05m，每跨为35m。桥梁采用工字型板梁，每隔7m设置一道钢横梁，每隔2.3/2.4m设置一道竖向加劲肋。本桥采用架桥机逐孔吊装施工方法，先将钢梁吊装到位并连接，然后放置预制混凝土桥面板，浇筑混凝土桥面板的湿接缝，施加二期恒载完成桥梁施工。

结构受力分析可按线弹性理论进行分析。整体计算采用MIDASCIVIL2015进行有限元分析。桥面板采用实体单元，钢主梁上下翼缘采用梁单元，腹板采用板单元。

图3成桥有限元模型

4.2承载能力极限状态验算

承载能力极限状态验算包括组合梁的抗弯承载能力验算、抗剪承载能力验算、整体和局部稳定性验算。荷载采用基本组合，采用如下的组合系数：1.2恒载+1.4汽车+1.05体系升/降温+1.05梯度升/降温+1.0支座沉降。

图4钢梁上、下翼缘最大应力包络图（单位：MPa）

图5钢梁腹板竖向剪应力和组合剪应力（单位：MPa）

从钢梁最不利工况应力包络云图可得知，钢主梁上下翼缘均满足设计要求。最大应力出现在边跨0.4L处及中支点处。在翼缘变厚处存在应力突变。从腹板竖向剪应力计算结果可知，最大竖向剪力发生在支座位置处，且均满足抗剪设计强度。

4.3正常使用极限状态验算

正常使用阶段验算使用频遇组合与准永久组合。荷载组合系数分别为，频遇组合：1.0恒载+0.7移动荷载+1.0支座沉降+1.0收缩徐变+1.0整体温度+0.8梯度温度，准永久组合：1.0恒载+0.4移动荷载+1.0支座沉降+1.0收缩徐变+1.0整体温度+0.8梯度温度。

从计算结果可知，最大挠度为2.5cm，考虑截面滑移影响，挠度应该修正为2.5×1.15=2.88cm，小于允许值l/500=3500/500=7cm。按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》6.4.3条与《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》7.5.2条规定计算混凝土桥面板的最大裂缝宽度为0.12mm。

5结语

通过对某4×35m钢-混组合梁桥的方案比选、结构设计和整体计算的分析，总结了新型钢-混组合梁桥的结构设计方法和要点。对结构承载能力和正常使用极限状态下的受力分析证明组合梁截面的受力合理，结构尺寸拟定合适，材料也较为经济。对于连续梁结构，中墩区域混凝土桥面板可能开裂，但通过配置钢筋可将其裂缝宽度控制在允许范围内。综合来看，这种新型钢-混组合梁桥的结构受力性能较好，便于工业化建设，经济性较高，并且后期管养更加方便，具有广泛的发展空间和应用前景。

参考文献

[1]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社,2004.

[2]刘玉擎.组合结构桥梁的发展与展望[A].中国公路学会桥梁和结构工程分会、杭州湾大桥工程指挥部.中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集[C].中国公路学会桥梁和结构工程分会、杭州湾大桥工程指挥部:,2005:7.

[3]邵长宇.组合结构桥梁的发展与应用前景[J].城市道桥与防洪,2016(09):11-15.