鋼-混組合連續(xù)鋼板梁負(fù)彎矩區(qū)若干問(wèn)題的設(shè)計(jì)分析

侯俊勇

摘 ?要：隨著鋼-混組合連續(xù)鋼板梁在我國(guó)的大量應(yīng)用，其在結(jié)構(gòu)受力、可施工性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性等方面優(yōu)勢(shì)突出。鋼-混組合連續(xù)鋼板梁在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，特別是負(fù)彎矩區(qū)開裂問(wèn)題。針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)開裂問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)分析：開裂區(qū)長(zhǎng)度和剪力釘數(shù)量;通過(guò)國(guó)內(nèi)外規(guī)范的計(jì)算和對(duì)比分析，給出開裂區(qū)長(zhǎng)度和剪力釘數(shù)量的最優(yōu)計(jì)算方法，為鋼-混組合連續(xù)鋼板梁的設(shè)計(jì)提供了有利的建議。

關(guān)鍵詞：組合鋼板梁;負(fù)彎矩區(qū);開裂區(qū)長(zhǎng)度;剪力釘數(shù)量

中圖分類號(hào)：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）22-0083-04

Abstract： With the wide application of steel-composite continuous steel plate girder in China， its advantages have been obvious in structural stress， constructability， economy and durability. There are several problems in the design， construction and operation of steel-concrete composite continuous steel plate girders， especially the cracking of negative moment region. In view of the cracking problem of negative moment region， two problems of negative moment zone are mainly analyzed： the length of cracking region and the number of shear nails. Through the calculation and comparative analysis of domestic and foreign codes， the optimal calculation method of the length of cracking region and the number of shear nails is given， which provides beneficial suggestions for the design of steel-concrete composite continuous steel plate girder.

Keywords： composite steel plate beam; negative moment region; length of cracking region; shear nail number

引言

近年來(lái)，鋼-混組合連續(xù)鋼板梁以其結(jié)構(gòu)受力、可施工性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性等方面優(yōu)勢(shì)在我國(guó)應(yīng)用越來(lái)多[1]，同時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者在此領(lǐng)域開展了大量研究，為鋼-混組合連續(xù)鋼板梁的應(yīng)用積累了較多的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于鋼-混組合連續(xù)鋼板梁，國(guó)內(nèi)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）[2]、《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917-2013）[3]和《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG TD64-

01-2015）[4]均提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和指南。但由于我國(guó)組合梁橋的發(fā)展相對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家依然滯后，且規(guī)范頒布時(shí)間較短，設(shè)計(jì)過(guò)程中仍有較多疑點(diǎn)。鋼-混組合連續(xù)鋼板梁的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在負(fù)彎矩區(qū)的設(shè)計(jì)，運(yùn)營(yíng)后負(fù)彎矩區(qū)為帶裂縫工作。本文重點(diǎn)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)如下2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)分析：（1）開裂區(qū)長(zhǎng)度;（2）剪力釘數(shù)量。

選取某一座（36+60+44）m跨鋼-混組合連續(xù)鋼板梁橋?yàn)楸尘?，分別依據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范，對(duì)負(fù)彎矩區(qū)開裂區(qū)長(zhǎng)度和剪力釘數(shù)量2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析，為今后鋼-混組合連續(xù)鋼板梁的設(shè)計(jì)提供一些有利的建議。

1 開裂區(qū)長(zhǎng)度和剪力釘數(shù)量計(jì)算方法

1.1 開裂區(qū)長(zhǎng)度

對(duì)于普通鋼筋混凝土橋面板或B類預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，鋼-混組合連續(xù)鋼板梁整體分析時(shí)須考慮橋面板開裂導(dǎo)致的內(nèi)力重分布，應(yīng)采用開裂模型分析，因此準(zhǔn)確計(jì)算出開裂區(qū)長(zhǎng)度非常重要。

1.1.1 國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)開裂區(qū)的規(guī)定

截面抗彎剛度分為開裂截面剛度EIcr和未開裂截面剛度EIuu，計(jì)算開裂截面剛度時(shí)，不考慮負(fù)彎矩區(qū)混凝土對(duì)剛度的影響，但計(jì)入橋面板有效寬度內(nèi)縱向鋼筋的作用。若采用普通鋼筋混凝土橋面板，整體分析時(shí)應(yīng)采用開裂分析方法，中支點(diǎn)兩側(cè)各0.15L（L為梁的跨度）范圍內(nèi)組合梁截面剛度取開裂剛度EIcr，其余區(qū)段組合梁截面剛度取未開裂截面剛度EIuu。

1.1.2歐洲規(guī)范[5]對(duì)開裂區(qū)的規(guī)定

混凝土橋面板開裂區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)通過(guò)應(yīng)力計(jì)算求得，一般通過(guò)2次整體分析完成。

（1）一次分析：也稱非開裂分析，全橋通長(zhǎng)所有截面的截面特性均考慮混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，一次分析結(jié)果中，若標(biāo)準(zhǔn)組合下截面混凝土上緣最大拉應(yīng)力大于2fctm（其中fctm=0.3fck2/3，fck為混凝土的棱柱體強(qiáng)度。），則在二次分析中認(rèn)為該截面混凝土已經(jīng)開裂。由上述方法，可確定中墩頂兩側(cè)混凝土橋面板開裂區(qū)段。

（2）二次分析：也稱開裂分析，處于開裂區(qū)的混凝土橋面板僅考慮其中鋼筋的剛度進(jìn)行整體分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力并用于驗(yàn)算。若橋梁任意相鄰兩跨跨徑之比大于0.6，不采用任何支點(diǎn)升降措施，且采用現(xiàn)澆混凝土橋面板，則可直接取中支點(diǎn)兩側(cè)各0.15倍跨徑的范圍作為開裂區(qū)進(jìn)行分析。

1.2 剪力釘數(shù)量

鋼-混組合梁的連接件宜采用剪力釘，剪力釘受力均勻，方便施工，可以很好的保證鋼梁和混凝土橋面板的有效組合并共同承擔(dān)作用。國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算剪力釘數(shù)量方法主要分為2類：（1）內(nèi)力控制法（按開裂模型計(jì)算）;（2）承載能力控制法（按未開裂模型計(jì)算）。剪力釘配置數(shù)量與鋼梁和混凝土橋面板間的剪力成正比關(guān)系，因此以下僅給出水平剪力的計(jì)算方法。

1.2.1 內(nèi)力控制法

內(nèi)力控制法即是《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算方法，其縱向水平剪力計(jì)算原則如下：

（1）剪力釘?shù)脑O(shè)計(jì)作用包括僅包括形成組合截面之后的各種荷載;（2）根據(jù)開裂模型求得的剪力計(jì)算鋼與混凝

土結(jié)合面上縱橋向單位長(zhǎng)度水平剪力時(shí)，應(yīng)按未開裂截面進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）第11.4.3條，混凝土板和鋼梁結(jié)合面上單位長(zhǎng)度縱橋向水平剪力按下式計(jì)算：

Vld=VdS/Iuu

其中：Vd-組合梁截面的剪力設(shè)計(jì)值;Iuu-組合梁的未開裂截面慣性矩;S-橋面板對(duì)組合梁截面中和軸的面積矩。

1.2.2 承載能力控制法

承載能力控制法即是《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算方法，其縱向水平剪力計(jì)算原則如下：

負(fù)彎矩剪跨區(qū)段內(nèi)混凝土板和鋼梁接觸面的縱向剪力Vs應(yīng)按下列方法確定：

Vs=Artfsd

其中：Art-受拉區(qū)混凝土橋面板有效寬度范圍內(nèi)的縱向鋼筋截面面積（mm2）;fsd-鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）。

2 工程實(shí)例

2.1 工程背景

鋼-混組合連續(xù)鋼板梁橋位于深汕特別合作區(qū)深汕大道擴(kuò)建提升工程（2標(biāo)段），跨徑為（36+60+44）m，采用雙工字型斷面，鋼板梁跨中高度2.3m，中支點(diǎn)高度3.2m，邊支點(diǎn)高度分別為2.1m和2.3m，混凝土板板厚為0.25m，腹板間距7.0m，橫梁間距4.0m，橋梁全寬12.5m，剪力釘采用D25×180。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級(jí);機(jī)動(dòng)車道數(shù)：3車道;設(shè)計(jì)車速：50km/h。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年;設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí);耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別：I類。鋼-混組合連續(xù)鋼板梁總體布置和橫斷面圖如圖1和圖2所示。

2.2 空間模型

采用MidasCivil 2019建立空間梁格模型，主梁采用雙工字型斷面，主梁?jiǎn)卧L(zhǎng)1m。全橋共5075個(gè)單元，3819個(gè)節(jié)點(diǎn)，空間模型如圖3所示。

2.3 開裂區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算

（1）按國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算開裂區(qū)長(zhǎng)度

（2）按歐洲規(guī)范計(jì)算開裂區(qū)長(zhǎng)度

整體分析中考慮橋面板開裂引起內(nèi)力重分配問(wèn)題，通過(guò)非開裂模型進(jìn)行計(jì)算，若模型標(biāo)準(zhǔn)組合下混凝土橋面板上緣拉應(yīng)力超過(guò)2fctm=2×0.3fck2/3 =6.84MPa（橋面板采用C60混凝土），則判斷截面處于開裂區(qū)?；炷涟鍛?yīng)力圖如圖4所示，圖中A區(qū)域表示上緣拉應(yīng)力超過(guò)6.84MPa;負(fù)彎矩區(qū)開裂區(qū)長(zhǎng)度如表2所示。

通過(guò)對(duì)比表1和表2，國(guó)內(nèi)和歐洲規(guī)范對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)開裂區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果相差較大。對(duì)于等跨徑鋼-混組合連續(xù)鋼板梁，國(guó)內(nèi)規(guī)范可以適用;但是對(duì)于不等跨徑鋼-混組合連續(xù)鋼板梁，須通過(guò)未開裂模型應(yīng)力分析，精確確定開裂區(qū)長(zhǎng)度。

2.4 剪力釘數(shù)量計(jì)算

國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)于剪力釘?shù)目辜舫休d力的規(guī)定不盡相同[6]，在此不再進(jìn)行對(duì)比，選取《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算剪力釘?shù)目辜舫休d力。

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》11.4.4條，圓柱頭焊釘連接件的抗剪承載力按下式計(jì)算：

Vsu=min{0.43Asu（Ecfcd）1/2，0.7Asufsu}

其中：Asu-焊釘桿徑的截面面積;fcd-混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fsu-焊釘材料的抗拉強(qiáng)度最小值。

本工程采用的剪力釘規(guī)格為：D25×180;混凝土規(guī)格為：C60。主梁剪力釘布置如圖5所示，橫橋向每排布置6根。通過(guò)以上參數(shù)，計(jì)算得剪力釘抗剪承載力為：Vsu=135.2kN。

（1）按內(nèi)力控制法計(jì)算剪力釘數(shù)量

按1.2節(jié)內(nèi)力控制法的計(jì)算理論（即《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算理論），計(jì)算得剪力釘數(shù)量見(jiàn)表3。其中：L0-計(jì)算得順橋向剪力釘間距;L-實(shí)際選取順橋向剪力釘間距;其他參數(shù)含義詳見(jiàn)1.2節(jié)。

（2）按承載能力控制法計(jì)算剪力釘數(shù)量

按1.2節(jié)承載能力控制法的計(jì)算理論（即《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算理論），計(jì)算得剪力釘數(shù)量見(jiàn)表4。其中：L0-計(jì)算得順橋向剪力釘間距;L-實(shí)際選取順橋向剪力釘間距;其他參數(shù)含義詳見(jiàn)1.2節(jié)。

通過(guò)對(duì)比表3和表4，內(nèi)力控制法和承載能力控制法對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)剪力釘數(shù)量的計(jì)算結(jié)果相差較大。前者計(jì)算得剪力釘數(shù)量與橋面板和鋼梁間的實(shí)際剪力值有關(guān)，計(jì)算理論合理，并偏于保守;后者計(jì)算得剪力釘數(shù)量與剪跨區(qū)橋面板配置的鋼筋數(shù)量有關(guān)，配置鋼筋數(shù)量越多，剪力釘數(shù)量越多，方法科學(xué)性存疑。通過(guò)以上的對(duì)比分析，建議設(shè)計(jì)過(guò)程中采用內(nèi)力控制法（即《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算理論）計(jì)算剪力釘數(shù)量。

3 結(jié)論

基于不同的國(guó)內(nèi)外規(guī)范，對(duì)鋼-混組合連續(xù)鋼板梁負(fù)彎矩區(qū)開裂區(qū)長(zhǎng)度和剪力釘數(shù)量2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論及設(shè)計(jì)建議：

（1）國(guó)內(nèi)和歐洲規(guī)范對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)開裂區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果相差較大。國(guó)內(nèi)規(guī)范適用于等跨徑鋼-混組合連續(xù)鋼板梁;但是對(duì)于不等跨徑鋼-混組合連續(xù)鋼板梁，須通過(guò)未開裂模型應(yīng)力分析，精確計(jì)算開裂區(qū)長(zhǎng)度。

（2）內(nèi)力控制法和承載能力控制法對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)剪力釘數(shù)量的計(jì)算結(jié)果相差較大。前者計(jì)算得剪力釘數(shù)量與橋面板和鋼梁間的實(shí)際剪力值有關(guān)，計(jì)算理論合理，并偏于保守;后者計(jì)算得剪力釘數(shù)量與剪跨區(qū)橋面板配置的鋼筋數(shù)量有關(guān)，計(jì)算方法科學(xué)性存疑。建議設(shè)計(jì)過(guò)程中采用內(nèi)力控制法（即《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算理論）計(jì)算剪力釘數(shù)量。

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