大橫梁組合鋼板梁橋設(shè)計與計算研究

孫一鳴

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 大橫梁組合鋼板梁橋簡介

組合鋼板梁橋是一種常用結(jié)構(gòu)，設(shè)計和建造的適用條件廣泛，市內(nèi)或鄉(xiāng)村環(huán)境均可用，跨徑范圍可達30 m至130 m，總長從幾十米至上千米，橋?qū)捒梢赃_到20 m左右，是一種非常經(jīng)濟和耐久的結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 大橫梁組合鋼板梁橋?qū)崢?/p>

大橫梁組合鋼板梁和小橫梁組合鋼板梁相比，主要差別在于橫梁的形式不同。所謂“大橫梁”是指橫梁與橋面板連接并支撐橋面板，與橋面板結(jié)合共同受力，這樣可以降低橋面板厚度并適應(yīng)更寬的橋面。少數(shù)橋梁從橋梁景觀考慮而采用具有大橫梁的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

（1）橋梁總體布置

一座雙幅對稱布置的，單幅寬度為13.25 m的高架橋，直線段跨路口處擬采用32 m+40 m+32 m跨徑。

根據(jù)單幅橋?qū)?，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用大橫梁形式的雙主梁組合鋼板梁，橋面寬度13.05m，橫坡2%?？傮w橫斷面布置見圖2。

圖2 支點橫斷面圖（單位：m）

（2）鋼主梁構(gòu)造

主梁鋼結(jié)構(gòu)梁高1.65 m，主梁橫向間距7.05 m，主梁外帶有外挑鋼梁。下翼緣寬度900 mm，上翼緣寬度700 mm，翼緣水平。中橫梁高度650 mm，橋面板厚度250 mm，見圖3。

圖3 主梁一般橫梁橫斷面圖（單位：mm）

鋼梁頂板厚度32～90 mm，底板厚度50～90 mm，腹板厚度16～25 mm。

（3）中間橫梁構(gòu)造

立面上中橫梁間距4.0 m，與主梁立面線形垂直，平面上與主梁平面線形垂直，橫斷面上與橫坡平行，見圖4。橫向上外挑鋼梁端部與混凝土橋面板端部齊平，外挑鋼梁末端高度300 mm。

圖4 中間橫梁局部剖面圖（單位：mm）

（4）支點橫梁構(gòu)造

主梁支點橫梁橫斷面見圖5。

圖5 主梁支點橫梁橫斷面圖（單位：mm）

支點橫梁在主梁之間部分相比中間橫梁適當(dāng)加高，高度1 200 mm，與地面鉛垂，見圖6。

圖6 支點橫梁局部剖面圖（單位：mm）

3 鋼主梁強度驗算

縱向整體計算采用雙層梁模型，縱向為活載組合梁，考慮組合梁施工過程，中支點混凝土開裂，見圖7。

圖7 縱向整體計算雙層梁模型圖

直接從Midas Civil讀取基本組合結(jié)果時考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，荷載組合如下：1.32恒載+1.1收縮徐變（有或無包絡(luò)）+1.54汽車+1.16溫度梯度+1.16整體升降溫+1.1沉降。

模型計算結(jié)果為：主梁鋼梁頂板最大拉應(yīng)力199.57 MPa，最大壓應(yīng)力169.76 MPa。小于材料設(shè)計強度265 MPa。底板最大拉應(yīng)力184.67 MPa，最大壓應(yīng)力201.62 MPa，小于材料設(shè)計強度265 MPa。腹板彎曲剪應(yīng)力最大值93.71 MPa，小于材料設(shè)計強度155 MPa。

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015），7.2.2的規(guī)定：

組合梁承受彎矩和剪力共同作用時，應(yīng)考慮兩者耦合的影響，腹板最大折算應(yīng)力應(yīng)按下式驗算：

上述公式中正應(yīng)力剪應(yīng)力值不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，直接從Midas Civil讀取基本組合結(jié)果時采用基本組合系數(shù)：1.2恒載+1.0收縮徐變（有或無包絡(luò)）+1.4汽車+1.05溫度梯度+1.05整體升降溫+1.0沉降。

驗算公式計算值如下（單位：MPa）：

滿足規(guī)范要求。

4 大橫梁組合鋼板梁區(qū)別于小橫梁組合鋼板梁的設(shè)計計算要點[1-6]

（1）主梁側(cè)扭失穩(wěn)設(shè)計驗算

依據(jù)公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）7.3.1條的規(guī)定，連續(xù)的大橫梁組合鋼板梁中支點下翼緣受壓，且無可靠約束，應(yīng)進行側(cè)扭穩(wěn)定性驗算。

中國規(guī)范只規(guī)定了無中間橫梁的雙主梁組合鋼板梁橋主梁側(cè)傾穩(wěn)定驗算方法，對于有中橫梁的結(jié)構(gòu)，無法采用公式計算。

本例按歐規(guī)EN1993-2,6.3.4.2計算：

計算假定下翼緣為在墩、臺處簡支，其余部分由中橫梁提供側(cè)向彈性支撐的受壓柱，因此，橫向穩(wěn)定驗算首先應(yīng)計算由中橫梁、主梁和橋面板組成的框架的剛度。計算假定主梁與頂板鉸接，框架其余節(jié)點均為剛性節(jié)點，見圖8、圖9。

圖8 橫向框架模型及其幾何特性符號

圖9 橫向框架剛度計算圖示

受壓桿件考慮穩(wěn)定的承載能力折減系數(shù)為：

式中：αLT為與截面形式有關(guān)的系數(shù)，對焊接工字形截面，取 αLT=0.76。

Ncril為彈性穩(wěn)定臨界荷載，為簡化計算，可偏安全的認為軸壓力NED沿構(gòu)件長度為常數(shù)，Ncril可按下式計算：

（1）由橫梁幾何參數(shù)：

由上，支點兩側(cè)僅采用普通中橫梁亦通過側(cè)扭失穩(wěn)驗算。

（2）主梁上翼緣與橫梁上翼緣連接處疲勞

主梁上翼緣與橫梁上翼緣連接構(gòu)造見圖10。

圖10 主梁上翼緣與橫梁上翼緣連接構(gòu)造（單位：mm）

此處屬于焊接附連件后主材的疲勞細節(jié)。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）附錄C，若將橫梁上翼緣采用倒半徑大于150 mm的圓弧，此處疲勞等級為90，無圓弧過渡疲勞等級為40。由于倒圓弧的構(gòu)造造價高，可通過計算確定有無必要實施或具體實施的區(qū)段。

疲勞荷載模型按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）5.5.2條規(guī)定。

采用疲勞荷載模型Ⅰ加載時，主梁上翼緣應(yīng)力幅由以下最大最小應(yīng)力得到，見圖11。

圖11 疲勞荷載模型Ⅰ下最大、最小應(yīng)力（單位：MPa）

采用疲勞荷載模型Ⅰ時按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）5.5.4條規(guī)定，驗算如下：

查表可知細節(jié)類別為40，ks=1，m=3。

故不滿足疲勞荷載模型Ⅰ要求，下面按模型Ⅱ驗算：

采用疲勞荷載模型Ⅱ加載時，主梁上翼緣應(yīng)力幅由以下最大最小應(yīng)力得到，見圖12。

圖12 疲勞荷載模型Ⅱ下最大、最小應(yīng)力（單位：MPa）

采用疲勞荷載模型Ⅱ時按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》JTG D64-2015，5.5.5條規(guī)定驗算如下：

在采用疲勞荷載模型Ⅱ加載時，不滿足規(guī)范要求。

故橫梁與主梁上翼緣連接無圓弧過渡時在中支點附近的主梁上翼緣疲勞強度不足，須采用倒圓弧連接的構(gòu)造，驗算如下：

查表可知細節(jié)類別為90，ks=1，m=3。

滿足疲勞荷載模型Ⅰ要求。

由以上計算，本橋在中支點附近須采用倒圓弧的橫梁上翼緣與主梁上翼緣連接，考慮經(jīng)濟性因素可以進一步計算確定須倒圓角連接的范圍。

（3）橋面板受力

大橫梁組合鋼板梁的混凝土橋面板支撐于縱橫梁之上，其第二體系作為板構(gòu)件受力。本橋橫梁間距為4.0 m，主梁間距7.05 m，實為雙向板。縱向上靠近結(jié)構(gòu)中心線位置的板條作為單向板考慮，內(nèi)力按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）4.1章節(jié)計算，靠近主梁鋼梁的橋面板為雙向板采用Midas Civil建局部板和實體模型計算。承載能力按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）5.2章節(jié)計算。

a.靠近結(jié)構(gòu)中心線處的橋面板第二體系承載力：

計算跨度取橫梁的中心距4.0 m，見圖13、表1。

圖13 第二體系縱向單向橋面板計算車輪加載平面示意圖

表1 第二體系縱向單向橋面板承載能力驗算表

縱橋向靠近結(jié)構(gòu)中心線部分橋面板承載力驗算滿足要求。

b.靠近主梁腹板處的橋面板第二體系承載力

雙向受力橋面板計算采用板和實體單元建局部模型計算，鋼梁采用板單元，橋面板采用實體單元：

靠近主梁鋼梁的橋面板為雙向板采用Midas Civil建局部板和實體模型計算。加載輪載位置考慮2種布置情況，見圖14、圖15。

圖14 輪載布置1（單位：m）

圖15 輪載布置2（單位：m）

Midas Civil局部板和實體模型計算得到橋面板應(yīng)力結(jié)果見圖16～圖19。

圖16 輪載布置1時基本組合橋面板底順橋向應(yīng)力（單位：MPa）

圖17 輪載布置1時基本組合橋面板頂橫橋向應(yīng)力（單位：MPa）

圖18 輪載布置2時基本組合橋面板底順橋向應(yīng)力（單位：MPa）

圖19 輪載布置2時基本組合橋面板頂橫橋向應(yīng)力（單位：MPa）

當(dāng)輪載布置在靠近靠近鋼梁較近位置時，橋面板第二體系基本組合拉應(yīng)力值在4MPa以下，通過適當(dāng)配筋承載力可以容易地滿足規(guī)范要求。

值得注意的是：

鋼梁附近的橋面板縱橋向鋼筋可以適當(dāng)優(yōu)化，相比結(jié)構(gòu)中心線處配筋適當(dāng)減少；

橋面板在挑臂末端縱橋向應(yīng)力較大，可以在挑臂末端設(shè)置小縱梁改善其受力；

橋面板在主梁上方橫橋向應(yīng)力較大，橫橋向鋼筋在縱梁上方應(yīng)適當(dāng)加強。

5 結(jié)語

從本文設(shè)計實例可以看出，大橫梁組合鋼板梁在保持經(jīng)濟性優(yōu)勢的前提下，可以做到比小橫梁組合鋼板梁更寬的橋?qū)挘ㄈ嚨溃?。大橫梁組合鋼板梁與小橫梁相比有新的構(gòu)造細節(jié)，設(shè)計時應(yīng)考慮周到。對于雙主梁的結(jié)構(gòu)型式，如此寬的橋面使鋼梁應(yīng)力水平較高，橋面板剪力滯折減、正應(yīng)力剪應(yīng)力共同作用、整體側(cè)扭失穩(wěn)、腹板局部彎剪失穩(wěn)、支承局部計算等問題都應(yīng)仔細驗算。

另外本文總結(jié)了大橫梁組合鋼板梁區(qū)別于小橫梁組合鋼板梁的3個設(shè)計計算要點：

（1）主梁側(cè)扭失穩(wěn)設(shè)計驗算，比小橫梁組合鋼板梁更不利。

（2）主梁上翼緣與橫梁上翼緣連接處疲勞細節(jié)處理。

（3）橋面板受力有單向板和雙向板兩塊區(qū)域。