簡支熱軋型鋼組合梁設(shè)計(jì)

付玉輝 馬森

本文提出將成品熱軋H 型鋼作為簡支鋼梁，與混凝土橋面板形成組合截面共同受力，具備了組合梁的優(yōu)點(diǎn)。為小跨徑橋梁橋型選擇提供解決方案。本文介紹了簡支型鋼組合梁的整體設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)闡述了其構(gòu)造設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算。

鋼混組合梁由鋼梁和混凝土橋面板形成組合截面共同受力，充分發(fā)揮混凝土的受壓性能以及鋼材的受彎性能，使鋼混組合梁具有延性好、抗震能力高、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)。

鋼混組合結(jié)構(gòu)最早產(chǎn)生于20 世紀(jì)初期。自20 世紀(jì)50 年代之后得到了迅速的發(fā)展，從20 ～25m 跨徑的中小跨徑梁橋到跨徑近千米的斜拉橋，都有組合梁的應(yīng)用。在我國，近20 年來已得到迅速發(fā)展?？鐝揭话阍?0 ～50m 范圍內(nèi)，1993 年，北京國貿(mào)橋首次采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)。

在中小橋梁中，空心板是常用的上部結(jié)構(gòu)型式。但空心板橋隨著使用時(shí)間的延長，受自然侵蝕、養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響，出現(xiàn)材料性能退化、裂縫顯現(xiàn)、鉸縫損壞等病害，大大降低了空心板梁橋的耐久性，隨著病害的不斷累積和發(fā)展，將嚴(yán)重?fù)p傷橋梁的承載性能并危及運(yùn)營安全。

本文提出將成品熱軋H 型鋼作為鋼梁，與混凝土橋面板形成組合截面。代替小跨徑空心板結(jié)構(gòu)，解決空心板結(jié)構(gòu)鉸縫破壞發(fā)生的單板受力及耐久性降低。為小跨徑橋梁橋型選擇提供解決方案。

一、結(jié)構(gòu)形式的確定

1.橫斷面組成及布置

簡支鋼混組合梁，一般由鋼筋混凝土橋面板、抗剪連接件和鋼梁3 部分組成。鋼梁通過抗剪連接件與混凝土橋面板形成組合梁，混凝土橋面板是組合梁的承壓件，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，一般采用現(xiàn)澆混凝土板、預(yù)制混凝土板、壓型鋼板混凝土板、混凝土疊合板等形式。

鋼梁在組合梁中主要承受剪力及拉力，一般采用焊接工字形鋼梁、U 形鋼梁、熱軋H 型鋼等形式，可根據(jù)跨徑、荷載及現(xiàn)場施工條件選用。

在橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑以及豎向承載能力保持不變的前提下，如調(diào)整縱梁間距，則型鋼的尺寸必然隨之變化，縱梁間距與用鋼量和結(jié)構(gòu)高度存在較強(qiáng)的相關(guān)性。本課題組通過有限元軟件對熱軋型鋼組合梁進(jìn)行系統(tǒng)的空間計(jì)算分析，從理論上建立主梁間距與用鋼量之間的關(guān)系曲線，從而確定最優(yōu)方案，最大限度的成本。

本課題組以設(shè)計(jì)速度100km/h 路基寬度26m 高速公路為標(biāo)準(zhǔn)，橋面凈寬11.45m，兩側(cè)各設(shè)0.5m 鋼護(hù)欄。橋面鋪裝采用100mm 瀝青混凝土+80mmC40 橋面鋪裝混凝土。采用有限元分析軟件對13m、16m、20m 三種跨徑熱軋H 型鋼組合梁進(jìn)行了建模分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、梁高、用鋼量等指標(biāo)確定主梁片數(shù)為6 片、合理梁間距2230mm。1-13m 簡支梁采用熱軋H 型鋼型號為HN758x303x16x28，1-16m 簡支梁采用熱軋H 型鋼型號為HN858x301x17x31，1-20m 簡支梁采用熱軋H 型鋼型號為HN1008x302x21x40。

其橫斷面布置如圖1 所示。

2.聯(lián)結(jié)系設(shè)置分析

由多片縱梁組成的結(jié)構(gòu)中，橫梁的作用在于橫向分配恒載、保持各縱梁共同受力。在傳統(tǒng)預(yù)制T 梁中，橫梁是不可缺少的重要構(gòu)件。在20m 以下的型鋼組合梁中，采用6 主梁，梁間距較小，橋面板的相對剛度較大，橋面板在荷載的橫向分配中所起到的作用逐漸加大，其設(shè)置方式與傳統(tǒng)T 梁應(yīng)該有所區(qū)別。

圖1 橫斷面布置圖（單位：mm）

本課題組運(yùn)用有限元分析軟件Midas Civil，建立有限元分析模型，分別采用實(shí)體單元模型及空間梁格模型，通過有無橫梁對比分析，得出以下結(jié)論：設(shè)置中橫梁與否，對型鋼底面應(yīng)力及橋面板的應(yīng)力影響很小，可忽略不計(jì)。但支撐處橫向聯(lián)結(jié)系具有抵抗橋梁整體扭轉(zhuǎn)的顯著作用，故支承處需設(shè)置大剛度的橫向聯(lián)結(jié)系。故端橫梁必須設(shè)置，中橫梁設(shè)置的影響經(jīng)計(jì)算分析可忽略不計(jì)。

二、熱軋型鋼組合梁設(shè)計(jì)與計(jì)算

采用單梁模型，橫向分布系數(shù)支點(diǎn)處采用杠桿法，跨中處采用剛接板梁法計(jì)算確定，設(shè)計(jì)采用彈性分析法，分階段計(jì)算結(jié)構(gòu)在恒活載、溫度、收縮徐變等荷載作用下的受力，并對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。圖2 為所建立的有限元單梁模型。

圖2 結(jié)構(gòu)模型（單位：m）

荷載組合：根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的規(guī)定：組合梁的持久狀況按承載能力極限狀態(tài)的要求，進(jìn)行承載力及穩(wěn)定性驗(yàn)算，作用組合采用作用基本組合；同時(shí)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)要求，進(jìn)行組合梁的抗裂和撓度的驗(yàn)算，作用組合采用頻遇、準(zhǔn)永久組合；

組合梁的短暫狀況設(shè)計(jì)應(yīng)對組合梁在施工過程各階段的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，作用組合采用作用的基本組合；

施工階段劃分如下：

第一階段：架設(shè)鋼梁；

第二階段：澆筑橋面板；

第三階段：橋面板參與受力；

第四階段：施加二期恒載；

第五階段：收縮徐變（3650 天）；

1.強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形計(jì)算

（1）強(qiáng)度計(jì)算

鋼混組合梁主要進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算，采用彈性法分析。

型鋼組合梁截面抗彎承載力采用彈性法進(jìn)行計(jì)算。組合梁的剪力假定全部由鋼梁腹板承受。承載能力極限狀態(tài)以計(jì)算截面的邊緣應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為標(biāo)志，同時(shí)考慮施工方法、混凝土橋面板剪力滯后效應(yīng)等影響。承受動(dòng)應(yīng)力的鋼梁和剪力鍵同時(shí)應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。

（2）穩(wěn)定計(jì)算

待橋面板硬化后，混凝土橋面板能夠有效組織鋼梁受壓翼緣的側(cè)向位移及扭轉(zhuǎn)，不需要預(yù)算簡支型鋼組合梁的整體穩(wěn)定性問題，但鋼梁各板件需滿足局部穩(wěn)定性要求。

（3）變形計(jì)算

型鋼組合梁的變形應(yīng)分階段疊加，為工廠階段變形和施工及使用階段變形的疊加。工廠階段的變形為鋼梁自重?fù)隙燃盎炷翗蛎姘鍝隙?，施工階段的撓度為二期恒載撓度，使用階段的撓度為組合斷面在活載、溫度、收縮徐變等作用下的撓度。

變形計(jì)算根據(jù)構(gòu)件剛度按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算，計(jì)算長期變形及剛度時(shí)應(yīng)考慮滑移效應(yīng)的影響，對換算截面剛度進(jìn)行折減。 預(yù)拱度的設(shè)置以橋面板變厚度來實(shí)現(xiàn)。

2.抗剪連接件設(shè)計(jì)

在鋼混組合梁設(shè)計(jì)中，抗剪連接件必須滿足以下條件：

（1）傳遞混凝土與鋼梁間的剪力。

（2）提供一定的抗拔力，防止混凝土板與鋼梁間的豎向分離。

（3）安裝簡便，施工快捷，成本合理。

根據(jù)連接件的工作性質(zhì)和破壞形態(tài)，分為柔性和剛性兩大類。栓釘柔性連接件目前應(yīng)用廣泛，其綜合受力性能及施工性能也最好。對于采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，型鋼組合梁在承載能力極限狀態(tài)時(shí)的界面縱向剪力分布將趨于均勻，連接件在正常使用極限狀態(tài)下受力大，必須具備足夠的變形能力，必須采用柔性抗剪連接件。抗剪連接件的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行承載能力和正常使用極限狀態(tài)下的抗剪驗(yàn)算。

連接件的塑性重分布能力較大，使得界面剪力沿梁長度方向分布趨于均勻。當(dāng)型鋼梁達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)，各區(qū)段內(nèi)界面上各抗剪連接受力相等，可均勻布置。

3.混凝土收縮、徐變計(jì)算

熱軋型鋼組合梁混凝土收縮徐變效應(yīng)的計(jì)算采用簡化分析方案。

混凝土收縮采用等效溫降計(jì)算，混凝土徐變采用等效彈性模量方法?？紤]徐變時(shí)，考慮長期效應(yīng)的有效模量比結(jié)合混凝土徐變系數(shù)發(fā)展曲線確定。

三、結(jié)語

鋼混組合梁與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的不同在于它的組合特性。首先確定組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及分析方法，重視鋼構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算，考慮橋面板與鋼梁的滑移、抗剪連接件的塑性重分布及混凝土收縮徐變等的影響。

本文不同于一般的鋼混組合梁而是采用成品熱軋H型鋼作為鋼梁，與混凝土橋面板形成組合截面。將其代替空心板結(jié)構(gòu)，用于小跨徑橋梁。目前已完成標(biāo)準(zhǔn)圖的設(shè)計(jì)工作，下一步將開展實(shí)橋驗(yàn)證工作。