大比例邊跨連續(xù)梁橋鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)解決方案

徐永成，丁 毅（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

引言

對(duì)于懸臂澆注的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，合理的跨徑布置取值可以平衡各截面的內(nèi)力，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。目前國(guó)內(nèi)外很多文獻(xiàn)做了相關(guān)研究并給出合理取值范圍，變截面連續(xù)梁邊中跨比通常在0.5～0.8間取用，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁可取0.6～0.65，按這個(gè)比值分孔，既有利于充分發(fā)揮懸臂施工的特點(diǎn)，也對(duì)抑制邊跨梁端開(kāi)裂有利，各跨受力比較均勻。但對(duì)于少數(shù)大跨徑變截面連續(xù)梁橋受地形等條件制約，邊中跨比無(wú)法在合理區(qū)間取值，有的甚至接近1.0，對(duì)邊跨彎矩及剪力影響較大，受力不盡合理，施工也相當(dāng)困難，給工程人員帶來(lái)了很大困擾。對(duì)于大比例邊跨連續(xù)梁橋計(jì)算難的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)上有兩種解決思路：（1）邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)增加梁高，配置體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力束聯(lián)合分擔(dān)荷載受力方案；（2）邊跨采用鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)形式，可減輕邊跨的自重，從而有效降低邊跨跨中正彎矩和支座負(fù)彎矩。

1 工程背景

武西高速公路桃花峪黃河大橋位于鄭州市西北，鄭州與焦作跨黃河交界處，北接線(xiàn)連接河南省干線(xiàn)公路鄭新高速公路，南接線(xiàn)連接國(guó)道主干線(xiàn)連霍高速公路，大橋全長(zhǎng)7 702.89 m，該項(xiàng)目于2013年建成通車(chē)。其中副橋采用50 m +10×80 m連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋，副橋一側(cè)邊中跨比達(dá)到1.0，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

原實(shí)施方案按照思路（1）進(jìn)行設(shè)計(jì)，80 m大比例邊跨直線(xiàn)段采用普通預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式，為了抵抗較大剪力和彎矩，邊跨梁高取4.0 m，采用三向預(yù)應(yīng)力體系。其中80 m大比例邊跨為了滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求，在布置14束15-27體內(nèi)縱向底板束之外又布置了10束15-22縱向體外束，見(jiàn)圖1。

1.1 方案二：鋼-混凝土組合梁方案設(shè)計(jì)

鋼-混凝土組合梁橋是中小跨徑公路橋梁中應(yīng)用最廣泛的組合橋梁結(jié)構(gòu)形式，具有自重輕、承載能力高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)方案中將邊跨等截面的40 m直線(xiàn)段范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁替換為鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)形式，典型斷面見(jiàn)圖2。在恒載及活載作用下，組合梁截面主要承受正彎矩，鋼梁受拉，混凝土橋面板受壓，可充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的力學(xué)性能。

圖2 鋼-混組合方案典型斷面（cm）

由于活載偏心加載作用以及輪壓直接作用在箱梁的頂板上，使得箱梁斷面發(fā)生橫向彎曲及畸變變形，為減少鋼箱梁發(fā)生這種變形，增加整體剛度，防止過(guò)大局部應(yīng)力，需要在箱梁的支點(diǎn)處和跨中設(shè)置橫隔板。鋼箱梁內(nèi)部橫隔板包括中間橫隔板和支點(diǎn)橫隔板，除限制鋼箱梁的畸變和橫向彎曲外，支點(diǎn)橫隔板還起到分散支點(diǎn)反力的作用，鋼箱梁每4 m布置一道橫隔板，橫隔板斷面見(jiàn)圖3。

圖3 鋼-混組合方案橫隔板斷面（cm）

1.2 方案計(jì)算

1.2.1 計(jì)算模型及工況

采用Midas Civil建立梁橋計(jì)算模型，見(jiàn)圖4。按照實(shí)際施工過(guò)程考慮計(jì)算工況，見(jiàn)表1。

圖4 空間計(jì)算模型

表1 計(jì)算工況

1.2.2 主要計(jì)算結(jié)果（1）抗彎計(jì)算

兩個(gè)方案的組合作用下邊跨彎矩及活載作用下最大變形見(jiàn)表2。可以看出，方案二的邊跨內(nèi)力低于方案一，活載變形比方案一稍大，可以得出鋼-混凝土組合梁剛度比預(yù)應(yīng)力混凝土梁剛度小，但仍在規(guī)范允許的撓跨比范圍內(nèi)。兩個(gè)方案各工況應(yīng)力及最大變形見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，鋼梁上翼緣最大壓應(yīng)力-52.81 MPa，鋼梁底板最大拉應(yīng)力169.42 MPa，混凝土橋面板上表面最大壓應(yīng)力-18.03 MPa，均滿(mǎn)足材料的允許應(yīng)力要求。為減小主梁在正常使用階段出現(xiàn)過(guò)大撓曲變形，鋼箱梁在工廠(chǎng)制作時(shí)應(yīng)預(yù)先設(shè)置預(yù)拱度，鋼箱梁預(yù)拱度可按恒載+1/2靜活載作用下的主梁撓度設(shè)置。

表2 彎矩和活載撓度對(duì)比

表3 應(yīng)力和最大撓度對(duì)比

圖1 方案一：大比例邊跨縱向鋼束布置（cm）

（2）抗剪計(jì)算

根據(jù)Midas計(jì)算結(jié)果，組合梁最大支座反力為9 840 kN。支點(diǎn)剪力全部由鋼梁腹板承擔(dān)：

滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）規(guī)范要求。

（3）剪力連接件計(jì)算

按照完全剪力連接的極限平衡法驗(yàn)算所需栓釘數(shù)量，極限平衡狀態(tài)下混凝土板提供的總拉力：

單個(gè)栓釘（直徑22 mm）的極限抗剪承載力：

取Ncv= 95 541 N

栓釘橫橋向間距100 mm，每個(gè)翼緣上有6排栓釘，沿縱向間距150 mm，故栓釘總數(shù)：

剪力連接程度：

（4）加勁肋計(jì)算

腹板高厚比h/t=200＞170235/fy，需配豎向加勁肋和縱向加勁肋。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）規(guī)定，豎向加勁肋間距滿(mǎn)足下式要求，且不大于2 m。

腹板豎向加勁肋間距選取為1.0 m，豎向加勁肋采用厚度為14 mm的鋼板。

加勁肋伸出肢寬=200 mm＞40+1/30×h=146 mm肢厚=14 mm＞1/15×肢寬=13.3 mm

由于同時(shí)采用了豎向加勁肋和橫向加勁肋，豎向加勁肋截面慣性矩：

由于a/h=0.33＜0.85，縱向加勁肋截面慣性矩應(yīng)滿(mǎn)足：

計(jì)算結(jié)果顯示鋼-混凝土組合梁方案受力上是可行的。

2 工程造價(jià)對(duì)比

造價(jià)對(duì)比基于同等條件下副橋箱梁建安費(fèi)的比較，未考慮上部荷載變化引起的下部工程量變化，建安費(fèi)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 副橋方案建安費(fèi)

方案一建安費(fèi)為8 125萬(wàn)元，方案二建安費(fèi)為8 411萬(wàn)元，采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)解決方案（方案二）比預(yù)應(yīng)力混凝土解決方案增加造價(jià)286萬(wàn)元，建安費(fèi)增加比例3.5%，對(duì)工程造價(jià)影響較小。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)方案設(shè)計(jì)和受力計(jì)算驗(yàn)證，采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式滿(mǎn)足大比例邊跨受力需要，可作為大比例邊跨連續(xù)梁橋的合理方案。同時(shí)結(jié)合造價(jià)對(duì)比，采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)增加工程造價(jià)有限，若考慮上部荷載減小引起下部工程量減少，可以預(yù)見(jiàn)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)解決大比例邊跨設(shè)計(jì)難的問(wèn)題是具有相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力的可行方案。