裝配式鋼-混疊合箱梁設計要點分析

李曉龍，張敦寶

（1.山東高速科技發(fā)展集團有限公司，山東 濟南 250002；2.中鐵二院昆明勘察設計院有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

21世紀以來，城鎮(zhèn)化進程迅速，傳統(tǒng)的高架橋設計方法已經(jīng)不能滿足新時期各種新生條件，鋼-混疊合梁結構不僅極大地減少了現(xiàn)場施工難度，縮短施工工期，并且能夠滿足質量、節(jié)能、環(huán)保、高效等的施工要求，是適應時代發(fā)展的一種組合橋梁結構形式。鋼-混疊合箱梁能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土剛度、強度優(yōu)勢，結構重量相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構極大減少，耐久性得到提升[1-2]。

1 橋梁上部結構設計

1.1 工程概況

某市擬建以主線為四車道公路標準的特大高架橋一座，擬建橋梁全長4.8 km。為了避免工期過長對城市交通造成過大的影響，高架橋主線全線采用裝配式吊裝結構，其中跨越被交道路，中小跨徑橋梁采用鋼-混疊合梁結構。本文針對鋼-混疊合梁設計相關理論進行分析。

1.2 斷面形式選擇

當前常見的鋼-混疊合梁結構形式主要有Ⅰ形、∏形、箱形、倒梯形、三角形等，鋼梁部分主要的形式有鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁架等[3]。因為鋼-混疊合梁跨徑較大，橋梁橫斷面較寬[4]，因此疊合梁鋼主梁部分采用多主梁形式，這種結構形式方便運輸及施工吊裝。經(jīng)過綜合對比，鋼-混疊合梁采用簡支結構，箱梁采用開口截面形式。此種鋼-混疊合梁結構外形與高架橋其他上部小箱梁結構相一致，景觀上比較相適應[5]。

1.3 結構設計要點及主要技術特點

鋼-混疊合梁鋼結構部分采用Q345qD級鋼材，彈性模量為 2.06×105MPa，泊松比為 0.3，膨脹系數(shù)為 1.2×10-5，鋼材容重 78.5 kN/m3。采用C50混凝土，彈性模量為 3.45×104MPa，泊松比為0.2，膨脹系數(shù)為1.0×10-5。預應力鋼絞線采用s15.2，fpk=1 860 MPa，EP=1.95×105MPa，梁段采用工廠制作，現(xiàn)場拼接。

鋼-混疊合梁受力階段為一階段，施工階段在L/3和2L/3處設置臨時支撐，并且需要具備以下條件：

（1）結構形式主要以多主梁形式為主，預制箱梁自重輕，運輸安裝比較方便，對交通、環(huán)境影響較小。

（2）主梁采用開口截面形式，整體結構剛度比較大，受力性能比較好，梁高相對于工字形梁減少，有利于降低建筑物高度，節(jié)省成本，結構比較輕盈，降低材料使用量，有利于把控總體橋梁設計的控制。

（3）橋面板由橋梁預制廠分塊預制，質量得到有效保證，并進行預拼裝，確認無誤方可運至現(xiàn)場安裝，減少了現(xiàn)場施工工作量，減少了現(xiàn)場施工對周邊環(huán)境的影響。

（4）結構形式要根據(jù)實際受力特點以及便于預制廠施工及運輸?shù)暮侠硇问?，進一步提升橋梁上部結構裝配施工效率，充分體現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、高效的施工理念。

2 橋梁上部結構計算分析

2.1 計算方法與基本假定

鋼-混疊合梁在開裂前，沿截面高度的應力、應變變化規(guī)律基本上符合平面假定。鋼-混疊合梁在開裂前，應力、應變場的計算繼續(xù)沿用彈性理論，采用截面換算，引入兩種材料的彈性模量比的概念。針對混凝土梁部分產(chǎn)生的收縮和徐變及其產(chǎn)生的應力，近似換算成彈性模量進行計算。本文對計算上部結構受力采用的是平面桿系程序計算截面內力，應力計算過程中采用換算彈性模量計算截面特性。

在混凝土與鋼梁連接牢固的前提之下，截面彎曲時的應力、應變變化規(guī)律符合平面假定條件，材料受力符合胡克定律，建立簡化模型。

（1）根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015），計算截面在受短期荷載作用下建立鋼材與混凝土的彈性模量比n0、換算面積Fi、換算慣性矩Ii，換算公式如下：

（2）根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》，對組合梁進行整體受力分析，分析過程中考慮混凝土收縮徐變的影響，建立鋼材與混凝土長期結合受力作用下的有效彈模比計算公式：

式中：φ（t，t0）表示混凝土的加載齡期為t0時，計算齡期為t時的混凝土徐變系數(shù)。系數(shù)按照現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）中的相關規(guī)定取值，其中ΨL為根據(jù)所受荷載類型取的徐變因子，永久作用取值1.1，混凝土的收縮作用取值0.55，由于外界強制力引起的作用取值1.5。

（3）對于組合結構中產(chǎn)生的附加應力依據(jù)《高等橋梁結構理論》進行分析計算。

2.2 主要計算結果及分析

利用MIDAS建立55 m簡支鋼-混疊合梁模型進行分析，模型如圖1所示。通過鋼-混疊合梁鋼主梁之間設置橫向連系梁，連系梁高1 000 mm，55 m一跨共設置10道橫向連系梁。鋼箱梁內沿橋縱向每3 m設置一道橫隔板。

圖1 全橋模型

通過分析計算得到的計算結論，可以得到組合結構主梁在承載力、剛度、鋼梁穩(wěn)定性方面均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，橋面板承載力、裂縫也能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，從結論中可以發(fā)現(xiàn)結構在各個方面受力性能良好。由于篇幅原因，本文對各種荷載工況進行最不利組合后進行橋梁承載能力極限狀態(tài)計算，只將主梁跨中截面應力計算結果列入表1中。

表1 主梁跨中截面應力計算結果

計算結果表明，鋼-混疊合梁受力性能較好，結構受力也較安全，但從結果中也能發(fā)現(xiàn)存在的一些問題：

（1）鋼-混疊合梁中，混凝土材料的收縮、徐變對疊合梁的整體穩(wěn)定性影響不能忽視，特別是混凝土的收縮性能對整個橋梁結構不均勻變形影響較大，能夠產(chǎn)生較大的附加變形，必須采用相應的措施進行處理。

（2）橋面板與鋼梁通過剪力釘結合成整體，在計算收縮徐變引起的附加效應時忽略了滑移效應對組合結構整體的影響，對于構件長期變形需要進一步分析。

（3）橋面的防水處理及結構防水、防腐處理是今后鋼-混疊合梁養(yǎng)護的關鍵，設計部門應該充分重視防水層與防腐層的涂裝設計。

（4）設計中應重視鋼-混疊合梁階段劃分及拼裝設計，及時與鋼-混疊合梁廠家溝通聯(lián)系，便于生產(chǎn)與施工。

3 結語

鋼-混疊合梁在實際工程應用中能夠將兩種材料的特性充分發(fā)揮出來，通過剪力鍵將鋼-混疊合梁與混凝土橋面板連接起來，共同受力，實現(xiàn)變形協(xié)調，充分利用了鋼材的抗拉性和混凝土的抗壓性，顯著提高了鋼-混疊合梁整體的剛度和穩(wěn)定性。此外，鋼-混疊合梁具有結構輕盈、跨越性大、承載能力強、抗震效果好、施工快速簡潔、結構安全可靠等優(yōu)點，逐漸成為現(xiàn)代化城市高架橋建設的首選結構，其發(fā)展前景廣闊。