大跨徑簡(jiǎn)支鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

魯 聰 江 輝

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430051)

公路橋梁上部結(jié)構(gòu)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的結(jié)構(gòu)形式，通常以預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、小箱梁、T梁為主，具有造價(jià)低、施工速度快，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但是跨越能力通長(zhǎng)在40 m以下，50 m T梁由于受到吊裝難度的限制，實(shí)際工程中使用較少。橋梁跨越通航河流時(shí)，橋梁主跨根據(jù)通航等級(jí)確定，由于受到堤防等級(jí)和防洪要求的限制，常規(guī)預(yù)制結(jié)構(gòu)一般難以跨越，根據(jù)河堤距離航跡線位置的不同，通常采用適當(dāng)加大通航主跨利用邊跨跨越或單獨(dú)設(shè)置連續(xù)梁跨越，增大了施工難度，同時(shí)提高了工程造價(jià)，因此采用新的結(jié)構(gòu)形式是非常必要的。

本文以國(guó)道207跨河橋梁為背景，采用midas Civil 2019軟件建立簡(jiǎn)支鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)有限元分析模型，對(duì)施工及成橋階段進(jìn)行受力分析，以確定合理的結(jié)構(gòu)形式和橋梁方案。

1 依托工程概況

國(guó)道207是公安縣的南北向交通大動(dòng)脈，溝通公安縣城與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的交通聯(lián)系，采用雙向四車道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度24.5 m。本項(xiàng)目需要跨越虎度河、松東河、蘇支河3條河流，原設(shè)計(jì)采用2×56 m等截面預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁跨越河堤。

在實(shí)際施工時(shí)，根據(jù)防洪及堤防要求，河堤上不容許搭設(shè)支架，采用移動(dòng)模架施工法對(duì)56 m等截面預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁的上構(gòu)進(jìn)行施工難度較大，同時(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此為了便于施工，降低施工難度，提出采用一跨56 m簡(jiǎn)支鋼-混組合梁頂推法跨越河堤+2×28 m混凝土連續(xù)小箱梁方案。目前常規(guī)簡(jiǎn)鋼-混組合梁跨徑均為50 m以下，因此，56 m簡(jiǎn)支鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)受力為本次研究的重點(diǎn)。

2 簡(jiǎn)支鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定

簡(jiǎn)支鋼-混組合梁具有自重輕、承載能力高，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，是中小跨徑公路橋梁和城市橋梁中應(yīng)用最廣泛的組合橋梁結(jié)構(gòu)形式。在恒載及活載作用下，簡(jiǎn)支組合梁的各截面主要承受正彎矩，鋼梁受拉，混凝土橋面板受壓，可充分利用鋼和混凝土2種材料的受力性能[1]，經(jīng)濟(jì)適用，造價(jià)較低。鋼主梁采用工廠加工，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)采用吊裝或頂推施工，能較好適應(yīng)各種復(fù)雜施工條件，施工工期短。鋼-混組合梁的截面由鋼筋混凝土橋面板和鋼梁組成。針對(duì)本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、施工方案及工期、工程造價(jià)，以及對(duì)周邊環(huán)境的影響，擬采用工字鋼梁作為鋼梁截面，通過(guò)剪力釘與混凝土橋面板組成組合截面共同受力，現(xiàn)場(chǎng)采用頂推法施工。

主梁主體部分均采用Q345qD鋼材。組合梁斷面采用3根焊接工字鋼并列，腹板間距為4 000 mm。主梁梁高2 500 mm，頂?shù)装搴穸染鶠?0 mm，腹板厚度20 mm，腹板沿橋梁縱向設(shè)置間距為1.5 m豎向加緊肋，板厚為20 mm。組合梁橋在施工過(guò)程中，鋼梁的側(cè)向剛度及抗扭剛度較小，在施工階段的各荷載作用下易發(fā)生整體彎扭失穩(wěn)，因此需要設(shè)置一定數(shù)量的臨時(shí)或永久橫梁來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。成橋狀態(tài)下，為了更有效地橫向分配活荷載來(lái)提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力，也需要設(shè)置橫梁[2]。主梁間采用間距為6 000 mm的型號(hào)為450×500×16×16及500×500×16×16的上下工字鋼橫梁加強(qiáng)主梁橫向聯(lián)系，鋼-混組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見圖1。

圖1 鋼-混組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

導(dǎo)梁采用Q235鋼材，導(dǎo)梁長(zhǎng)36.4 m，斷面采用3根焊接工字鋼并列，腹板間距與主梁保持一致并一一對(duì)應(yīng)連接。

3 簡(jiǎn)支鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)受力研究

組合梁的施工方法對(duì)彈性階段應(yīng)力分布及變形均有很大的影響，因此組合梁必須考慮施工條件及過(guò)程。李立峰等[3]對(duì)不同施工順序下鋼-混組合梁受力進(jìn)行專門研究，根據(jù)施工順序及受力分析，組合梁應(yīng)按兩階段受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。施工階段由鋼梁承擔(dān)自身重量、濕混凝土重量和施工荷載，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，鋼梁與混凝土面板形成組合截面共同承擔(dān)二期恒載和可變荷載[4]。根據(jù)堤防要求不允許在河堤上搭設(shè)支架，故本橋采用頂推施工方案，本次對(duì)施工階段、成橋階段、橋面板及剪力連接件進(jìn)行受力分析。

根據(jù)工程施工工序，在有限軟件中定義施工階段，見表1，并用midas Civil 2019建立有限元分析模型，見圖2。

表1 組合梁施工階段定義

圖2 鋼-混組合梁有限元分析模型

3.1 組合梁各階段受力特性

在橋梁由開始施工到最后成橋運(yùn)營(yíng)的整個(gè)過(guò)程里，主梁截面的內(nèi)力需要始終保持在安全的范圍內(nèi)，才能保證結(jié)構(gòu)的安全；同時(shí)頂推施工過(guò)程中所用到的導(dǎo)梁也需要滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。整個(gè)過(guò)程中的主要荷載包括鋼梁自重、混凝土濕重(施工過(guò)程中存在)、二期恒載等。

結(jié)合表1中施工順序，計(jì)算的各階段主梁及導(dǎo)梁撓度和應(yīng)力分別見表2。

表2 各階段主梁、導(dǎo)梁應(yīng)力 MPa

在頂推法施工過(guò)程中，當(dāng)導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)(階段2)，導(dǎo)梁所受正應(yīng)力均達(dá)到最大值，繼續(xù)向前推進(jìn)，當(dāng)導(dǎo)梁即將上墩，主梁與導(dǎo)梁懸臂最大時(shí)(階段3)，主梁上緣拉應(yīng)力達(dá)到最大。隨著導(dǎo)梁逐漸向前推進(jìn)，主梁也逐步架設(shè)，頂推到位之后拆除導(dǎo)梁，主梁架設(shè)完成(階段6)，開始澆筑鋼筋混凝土橋面板(階段7)，此時(shí)由于混凝土尚未達(dá)到強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)所有自重由鋼梁承擔(dān)，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后橋面板和鋼梁形成組合截面共同受力。最后進(jìn)行橋面鋪裝施工(階段9)，完成后通車，成橋和運(yùn)營(yíng)階段的組合梁在汽車荷載下豎向撓度見圖3。

圖3 汽車荷載下豎向撓度(單位：mm)

施工完成達(dá)到成橋階段后，橋梁進(jìn)入運(yùn)營(yíng)通車狀態(tài)。橋梁在正常使用狀態(tài)下需要滿足撓度和內(nèi)力兩方面的要求，保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車輛通過(guò)的舒適性和安全性。按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，簡(jiǎn)支梁的跨中撓度不能超過(guò)跨徑的1/500，同時(shí)鋼主梁截面的內(nèi)力不能超過(guò)所使用Q345鋼材對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，組合梁施工及成橋運(yùn)營(yíng)階段鋼梁受力均能滿足規(guī)范要求；同時(shí)在汽車荷載作用下，主梁跨中最大撓度為45.2 mm，撓跨比為1/1 238.9<1/500，本聯(lián)剛度滿足規(guī)范要求。

3.2 橋面板分析

橋面板可視為和鋼梁連接在一起的普通鋼筋混凝土構(gòu)件，因?yàn)樵诮M合梁截面中橋面板和鋼梁共同受力，存在連接件的截面上會(huì)出現(xiàn)較大的剪力，組合截面不僅需要承受剪力的作用，也需要保證在橫橋向不能出現(xiàn)過(guò)大的裂縫。

鋼梁與混凝上板的組合作用依靠抗剪連接件的縱向抗剪實(shí)現(xiàn)，由于縱向剪力集中分布于鋼梁上翼緣布置有連接件的狹長(zhǎng)范圍內(nèi)，需要合理進(jìn)行橫向配筋控制裂縫發(fā)展。因?yàn)闄M橋向混凝土板的懸挑長(zhǎng)度較大，本工程橋面板內(nèi)配置雙層橫向鋼筋，頂層和底層橫向鋼筋布置均為HRB400，間距100，各16根。

為詳細(xì)研究橋面板實(shí)際受力情況，建立鋼-混組合梁平面框架分析模型，通過(guò)平面框架模型再次進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核。

3.2.1橋面板縱向抗剪驗(yàn)算

組合梁基本組合下形成組合截面后組合豎向剪力包絡(luò)圖見圖4。

圖4 基本組合下形成組合截面后組合梁豎向剪力圖包絡(luò)圖(單位：kN)

組合梁最大豎向剪力V=2.334×106N，混凝土板對(duì)組合截面中心軸面積距S=1.29×108mm3,組合梁未開裂截面慣性矩I=4.243 4×1011mm4，鋼梁梁與混凝土板之間單位長(zhǎng)度最大縱向剪力V1=V×S/I=710.0 N/mm。橋面板2個(gè)可能的破壞截面見圖5。對(duì)a-a截面和b-b截面所承受的剪力進(jìn)行計(jì)算。

圖5 橋面板縱向抗剪驗(yàn)算界面

經(jīng)計(jì)算：a-a截面剪力設(shè)計(jì)值小于縱向界面單位長(zhǎng)度抗剪承載力(V1d

3.2.2橋面板橫向抗彎承載力驗(yàn)算

本橋鋼主梁采用3片工字梁組成的斷面，因此橫橋向有較長(zhǎng)的懸臂部分。橋面板與鋼主梁通過(guò)剪力釘形成連接后，位于主梁懸臂部分的兩側(cè)橋面板簡(jiǎn)化為懸臂板，主梁中間部分的橋面板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支板結(jié)構(gòu)。

1) 懸臂抗彎驗(yàn)算。選取縱橋向的單位長(zhǎng)度橋面板進(jìn)行承載力驗(yàn)算，彎矩設(shè)計(jì)值為

M0=-75.5 kN·m

懸挑部分端部正截面抗彎承載力為

Mu=122.9 kN·m

Mu>1.1×M0，懸挑板滿足正截面抗彎承載力要求。

2) 梁間抗彎驗(yàn)算。

M0=98.6 kN·m

跨中正截面抗彎承載力為

Mu=122.9 kN·m

綜合上述分析可得Mu>1.1×M0，梁間板滿足正截面抗彎承載力要求。

3.2.3橋面板橫向抗裂驗(yàn)算

跨中和支點(diǎn)截面橫向雙層配筋布置為HRB400，間距100，各16根，裂縫寬度驗(yàn)算過(guò)程見表3。由表3可見，由于正常使用極限狀態(tài)橫向鋼筋應(yīng)力很低，因此裂縫寬度完全滿足要求。

表3 橋面板裂縫寬度驗(yàn)算表

3.3 剪力連接構(gòu)件

在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中，需使用連接件把兩者結(jié)合在一起，其主要用于承擔(dān)鋼梁與混凝土橋面板間的剪力。連接件稱為剪力釘、剪力鍵、剪力連接件等，最常見的連接件是圓柱頭焊釘，其力學(xué)性能不具有方向性，即不必考慮受力方向進(jìn)行設(shè)置，且施工方便，質(zhì)量容易保證[5]。為保證混凝土板與剛主梁的有效連接，防止相互錯(cuò)動(dòng)，本橋采用直徑×長(zhǎng)度為22 mm×180 mm焊釘連接件連接。

3.3.1焊釘連接件的抗剪承載力

焊釘連接件的抗剪承載力按照J(rèn)TG/T D64-01-2015 《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[6]9.3.4-1條公式計(jì)算

Vsud=85.1 kN

根據(jù)GB 50917-2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]第7.2.1條，分別考慮發(fā)生栓釘剪斷破壞時(shí)和混凝土壓碎破壞時(shí)計(jì)算焊釘連接件的抗剪承載力并取最小值，為102.8 kN。

通過(guò)對(duì)比，《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》計(jì)算結(jié)果與《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算方法得到的剪力件承載力相接近，基于偏安全考慮，采用《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》計(jì)算結(jié)果，即Vsud=85.1 kN。

3.3.2剪力釘剪力分布

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，橋面板與鋼箱梁之間的剪力在梁端及中支點(diǎn)位置較大，在跨中部分較小。擬在每個(gè)頂板設(shè)置11排焊釘(跨中13排)，間距100 mm，縱向按照150 mm布置，橫、縱向布置圖分別見圖6、圖7。

圖6 焊釘連接件橫向布置圖(單位：mm)

圖7 焊釘連接件縱向布置圖(單位：mm)

3.3.3剪力釘剪力分布計(jì)算

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，單片工字鋼梁上端部每延米抗剪承載力

跨中每延米抗剪承載力

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》組合梁連接件作用組合考慮以下2種情況。

1) 組合后結(jié)構(gòu)重力+汽車荷載+混凝土橋面板升溫。

2) 收縮變形+混凝土橋面板降溫。

上述結(jié)果可得：由混凝土升溫溫差產(chǎn)生的混凝土板與鋼梁的端部剪力

Tmax=-540.75 kN/m

由混凝土收縮+降溫溫溫差產(chǎn)生的混凝土板與鋼梁的端部剪力

Tmax=2 137.3 kN/m

3.3.4混凝土與鋼主梁間剪力包絡(luò)圖

通過(guò)上述計(jì)算，可以得到混凝土與鋼主梁間剪力包絡(luò)圖，見圖8。

圖8 混凝土與鋼主梁間剪力包絡(luò)圖(單位：kN)

由圖8可知，剪力件提供的剪力承載力均大于實(shí)際產(chǎn)生的最大剪力值，剪力件布置滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一跨56 m跨鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，施工及成橋階段受力均能滿足規(guī)范要求；造價(jià)對(duì)比，本橋原設(shè)計(jì)方案建安費(fèi)為2 041萬(wàn)元，變更后費(fèi)用為1 919.8萬(wàn)元，較原方案減少121.2萬(wàn)元。目前本橋主梁已架設(shè)完成，正在進(jìn)行橋面系施工，施工工期與原計(jì)劃基本一致，通過(guò)上述分析研究，充分說(shuō)明本方案經(jīng)濟(jì)可行，同時(shí)得出如下結(jié)論。

1) 鋼-混組合梁結(jié)合了鋼材和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮混凝土抗壓性能好和鋼材抗拉性能好的特點(diǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2) 根據(jù)頂推中受力分析，施工過(guò)程中組合梁及導(dǎo)梁受力均能滿足規(guī)范要求，同時(shí)架設(shè)完成的鋼主梁可作為澆筑橋面板的底模，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性，能夠有效地解決施工時(shí)河堤禁止搭設(shè)支架的問(wèn)題。

3) 本方案采用一跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，無(wú)需設(shè)置邊跨，對(duì)通航河流的主橋跨徑布置干擾較小，對(duì)于同時(shí)滿足通航、防洪要求的橋梁具有很強(qiáng)的適用性。