鋼混組合梁橋橫向分布 及抗彎承載力研究

曾俊彥

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及社會(huì)的不斷進(jìn)步，我國(guó)國(guó)內(nèi)的橋梁施工工程項(xiàng)目越來越多，橋梁工程項(xiàng)目也是推動(dòng)我國(guó)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的重要因素之一，隨著科技的不斷發(fā)展，我國(guó)橋梁建造施工工藝也有了很大的進(jìn)步，尤其是近幾年出現(xiàn)的鋼混組合梁橋施工工藝是我國(guó)運(yùn)用最多的橋梁建造體系。鋼混組合梁橋能夠最大程度地發(fā)揮混凝土的優(yōu)越性，本文結(jié)合坦洲快線工程項(xiàng)目中的鋼混組合梁橋的橋梁結(jié)構(gòu)，從其橫向分布系數(shù)及抗彎承載力計(jì)算方法進(jìn)行了細(xì)致的研究。此外結(jié)合工程手冊(cè)，在鋼混組合梁橋橫向分布及抗彎承載力研究方面，比較了彈性力學(xué)分析法及塑化分析法的適用條件，并根據(jù)上述的兩種理論推導(dǎo)了鋼混組合梁橋的橫向應(yīng)力分布系數(shù)與抗彎曲承載力的計(jì)算方法。通過研究發(fā)現(xiàn)塑性承載力比彈性承載力提高了30%左右。

鋼混組合梁由于能夠最大程度地發(fā)揮鋼材及混凝土相關(guān)的力學(xué)性能，在我國(guó)及世界各國(guó)均被廣泛地應(yīng)用在橋梁施工中，在20世紀(jì)初，鋼混組合梁施工技術(shù)最早出現(xiàn)在英國(guó)，在鋼混組合梁?jiǎn)柺篮?，英?guó)就開始對(duì)其進(jìn)行研究，在20世紀(jì)30年代鋼混組合梁結(jié)構(gòu)體系得到了一些實(shí)驗(yàn)成功，并建立了一套相對(duì)全面的彈性理論設(shè)計(jì)方法。我國(guó)于20世紀(jì)50年代開始對(duì)鋼混組合梁進(jìn)行研究，之后鋼混組合梁便被廣泛地應(yīng)用在橋梁，高樓建筑項(xiàng)目當(dāng)中。同時(shí)鋼混組合梁與其他的非組合梁結(jié)構(gòu)相比還具有很多的優(yōu)點(diǎn)，采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)能夠最大程度地節(jié)約鋼材，還能有效地降低梁的高度且提升了梁的剛度與承載力，梁的使用壽命也有了很大程度的提高。

一、鋼混組合梁研究的背景與意義

現(xiàn)今我國(guó)建筑工程項(xiàng)目中使用最多的建材就是鋼材與混凝土，鋼材具有自重輕，抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但其疲勞強(qiáng)度問題較為突出，混凝土建材自重較大，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼材抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，由于混凝土的自重較大，且通過使用混凝土造成的構(gòu)件尺寸也較大，在使用時(shí)不需要考慮受壓失穩(wěn)的問題，因此更適合做受壓構(gòu)件。采用鋼材與混凝土相結(jié)合構(gòu)造的梁能夠互相彌補(bǔ)其的缺點(diǎn)，使建造的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定?？v觀世界的橋梁建造情況，現(xiàn)今我國(guó)純鋼結(jié)構(gòu)的橋梁擁有量較低，西方的發(fā)達(dá)國(guó)家中的純鋼結(jié)構(gòu)橋梁在其本國(guó)中早已普及。由于采用純鋼建造的橋梁造價(jià)昂貴，我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平還未發(fā)展到使用純鋼建造橋梁的水平，基于此種原因我國(guó)的純鋼橋梁長(zhǎng)期使用較少，純鋼橋梁占不到全國(guó)橋梁數(shù)的0.5%。

隨著改革開發(fā)的力度不斷加大，我國(guó)在社會(huì)上各領(lǐng)域都取得了很大的成就，國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力也得到了很大的提升，但是這些提升還無法支撐我國(guó)大力發(fā)展建設(shè)純鋼結(jié)構(gòu)橋梁，由是鋼混組合梁便成為了我國(guó)現(xiàn)今修建中小跨徑橋梁采用最多的橋梁建造方式，由于鋼混組合梁具有的優(yōu)點(diǎn)很多且其有著很高的經(jīng)濟(jì)性，因此鋼混組合梁將成為我國(guó)當(dāng)下橋梁建造行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

近年來我國(guó)也相繼出臺(tái)了關(guān)于鋼混組合梁具體的施工工藝要求及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及施工工藝的出臺(tái)很大程度上規(guī)范促進(jìn)了鋼混組合梁的發(fā)展，但是由于我國(guó)國(guó)土面積大，不同省份發(fā)展也不相同，同時(shí)由于國(guó)內(nèi)可供參考的真實(shí)施工案例較少，鋼混組合梁的設(shè)計(jì)理念與構(gòu)造系列還有待進(jìn)一步研究。

鋼混組合梁橋的基本概念：

鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)一般由外漏的鋼梁或者鋼結(jié)構(gòu)通過焊接與混凝土橋面結(jié)合而成，按照鋼梁結(jié)構(gòu)的不同可以分為以下三種:鋼板組合梁橋，鋼箱組合梁橋，鋼架組合梁橋，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

當(dāng)下由于鋼組合梁橋的各種優(yōu)點(diǎn)（便于施工，造價(jià)便宜等）在我國(guó)得到了廣泛地應(yīng)用。

二、鋼混組合梁橋的發(fā)展現(xiàn)狀

在鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)之初，會(huì)在鋼板之間添加很多橫向支撐梁，致使使用的鋼材量比較大，因?yàn)殇摬氖褂昧看髮?dǎo)致在進(jìn)行焊接工作及后期的維修工作也比較復(fù)雜，焊接帶來的焊接疲勞問題也很突出。德國(guó)從20世紀(jì)70年代就建造了大量的中小跨徑的鋼混組合梁橋，在建造的過程中逐漸簡(jiǎn)化鋼混組合梁橋的施工建造過程，鋼混組合梁橋發(fā)展至今已不再設(shè)置橫撐和腹板縱向加勁肋，同時(shí)還使用了更加先進(jìn)的焊釘群工藝來解決混凝土橋梁面板施加應(yīng)力剛梁受力不均勻的現(xiàn)象，鋼混組合梁至從國(guó)外引進(jìn)我國(guó)也有多年，在這期間我國(guó)的橋梁建設(shè)研究人員通過不斷的研究也逐漸優(yōu)化了鋼混組合梁橋的力學(xué)結(jié)構(gòu)，例如，在建造時(shí)采用雙主梁及多鋼梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造，采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼混組合梁橋的建造，不僅有效提高了橋梁的耐久性及各種力學(xué)性能，還在一定程度上降低了橋梁的建造費(fèi)用，給后期的橋梁維護(hù)工作也降低了難度。

三、鋼混組合梁橫向分布研究

對(duì)坦洲快線項(xiàng)目中的鋼混組合梁的橫向分布研究可以發(fā)展坦快項(xiàng)目中修建的鋼混組合梁橋。

坦快全線為高架橋，設(shè)特大橋、大橋：21907.5m/14座（含互通主線），主線地面橋共設(shè)小橋 18m/1座；主線輔道設(shè)中橋140m/2座；小橋 123m/7座；主線（含互通主線）橋梁占路線總長(zhǎng)為79.3%。坦快主線采用雙向六車道一級(jí)公路兼顧城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主線設(shè)計(jì)速度為80km/h，高架橋斷面寬度26m，輔道設(shè)計(jì)速度40km/h，輔道斷面寬度根據(jù)交通需求選擇。整體式路基寬度33-64.5m。

該項(xiàng)目中的大橋?qū)τ诮M合梁橋，橫向分布計(jì)算原理與我國(guó)目前修建的普通常規(guī)橋梁相同，唯一不同的地方就是鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)特性計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，不能完全按照傳統(tǒng)橋梁橫向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，需要在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，修改過后才能建立一套成熟的適合鋼混組合梁橋的橫向應(yīng)力計(jì)算方式。

1.具體的研究?jī)?nèi)容

（1）鋼混組合梁橋橫向應(yīng)力分布及常用的計(jì)算方式對(duì)比研究

由于鋼混組合梁橋不同于傳統(tǒng)梁橋的設(shè)計(jì)及構(gòu)造方法，因此適用于傳統(tǒng)梁橋計(jì)算方式的杠桿法，鋼行橫梁法并不適用于鋼混組合梁橋橫向應(yīng)力的計(jì)算，當(dāng)下建筑界沒有很好地適用于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的計(jì)算方法，因此本文將通過傳統(tǒng)梁橋的計(jì)算方式與有限單元計(jì)算方式的對(duì)比建立一套安全實(shí)用的適合鋼混組合梁橋橫向應(yīng)力的計(jì)算方式，以便用于更好地設(shè)計(jì)鋼混組合梁橋。

（2）鋼混組合梁橋的橫向應(yīng)力分布及影響因素

由于現(xiàn)今鋼混組合梁橋大部分采用鋼栓鏈接，采用這種鏈接方式雖然能夠降低工程量，但是卻帶來了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土橋面之間存在截面移滑的問題，雖然在鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)時(shí)那些移滑現(xiàn)象不予考慮，基本可以忽略不計(jì)，但是在真實(shí)的施工建造現(xiàn)場(chǎng)中就必須要對(duì)移滑現(xiàn)象帶來的問題進(jìn)行處理，因此在今后鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將移滑現(xiàn)象帶來的影響考慮進(jìn)去，同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)中，鋼混組合梁橫向連接結(jié)構(gòu)的布置位置，及橋面混凝土的厚度對(duì)鋼混組合梁橋的橫向應(yīng)力影響研究并不完整因此需要進(jìn)行研究。

四、鋼混組合梁橋橫向應(yīng)力分布系數(shù)的概念及計(jì)算方式

鋼混組合梁橋的橫向應(yīng)力分布系數(shù)的提出是為了將工程實(shí)際中出現(xiàn)的空間受力分析問題化簡(jiǎn)為平面實(shí)際問題，從而有效提高橫向應(yīng)力分布系數(shù)的計(jì)算效率，對(duì)于鋼混組合梁橋的橫向分布應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算方式與傳統(tǒng)常規(guī)性橋梁的計(jì)算方式相同，唯一不同的就是鋼混組合梁橋需要考慮鋼材與混凝土的移滑現(xiàn)象及鋼混組合梁獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，因此需要對(duì)稍微傳統(tǒng)的常規(guī)橋梁應(yīng)力計(jì)算方式進(jìn)行修改，然后建立一套安全成熟的鋼混組合梁橋橫向應(yīng)力分布系數(shù)的計(jì)算方式。

1.鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)及橫向應(yīng)力分布計(jì)算方式

坦快主線采用雙向六車道一級(jí)公路兼顧城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主線設(shè)計(jì)速度為80km/h，高架橋斷面寬度26m，輔道設(shè)計(jì)速度40km/h，輔道斷面寬度根據(jù)交通需求選擇。整體式路基寬度33-64.5m。橫向應(yīng)力分布系數(shù)計(jì)算方法與步驟如下:

（1）首先通過真實(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到各分支梁的橫向應(yīng)力影響分布曲線圖。

（2）通過在計(jì)算機(jī)平臺(tái)對(duì)跨中橫橋向集中力進(jìn)行加載，然后求出各施工段的荷載橫向應(yīng)力分布系數(shù)。

2.鋼混組合梁橋橫向分布及抗彎承載力影響因素分析

（1）鋼栓鏈接受移滑現(xiàn)象的影響。根據(jù)結(jié)合坦快主線的施工實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，鋼混組合梁的鏈接件的產(chǎn)生的移滑現(xiàn)象對(duì)鋼混組合梁的橫向分布及抗彎承載力影響很大，產(chǎn)生移滑現(xiàn)象的主要原因就是使用鋼栓的抗剪承載力達(dá)不到鋼混結(jié)構(gòu)鏈接所需的力，因此在今后建造鋼混組合梁橋時(shí)首要解決的問題就是解決所使用的鋼栓的抗剪切力。

（2）橫梁設(shè)置的個(gè)數(shù)對(duì)橫向分布及抗彎承載力影響的影響。根據(jù)坦快主線的鋼混組合梁橋修建的橫梁數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，修建的橫梁數(shù)越多，鋼混組合梁橋的橫向應(yīng)力分布及抗彎承載力系數(shù)越小，因此在今后的鋼混組合梁橋施工時(shí)可以適當(dāng)增加橫梁數(shù)量。

（3）混凝土橋面厚度對(duì)橫向分布及抗彎承載力的影響。混凝土橋面的厚度直接會(huì)影響到鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的剛度，因此對(duì)橫向分布及抗彎承載力造成影響，通過研究發(fā)現(xiàn)，試圖增加混凝土橋面的厚度來降低橫向分布及抗彎承載力的方式是不可取的。

五、結(jié)語

鋼混組合梁在我國(guó)的橋梁道路建設(shè)工程中應(yīng)用多年，已積累了一些與施工相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，但隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)修建的橋梁的要求越來越高，現(xiàn)今掌握的技術(shù)已不能滿足今后的建筑要求，因此鋼混組合梁需要我們不斷加深理論內(nèi)容的研究。