鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

崔仕澤

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510030)

0 引言

在鋼混組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）（簡稱《橋鋼混規(guī)》）及《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD64—2015)（簡稱《橋鋼規(guī)》）規(guī)范要求進(jìn)行鋼梁驗(yàn)算，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）規(guī)范要求進(jìn)行混凝土橋面板驗(yàn)算。本文以廣州大道華南快速節(jié)點(diǎn)跨線橋項(xiàng)目為例，闡述了設(shè)計(jì)中需要根據(jù)規(guī)范計(jì)算的內(nèi)容，對不同規(guī)范條文進(jìn)行了對比，并根據(jù)對比結(jié)果選擇適用的規(guī)范條文進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算內(nèi)容及規(guī)范條文對比

在鋼-混凝土組合梁計(jì)算中，《橋鋼混規(guī)》及《橋鋼規(guī)》中都有關(guān)于鋼梁的計(jì)算，經(jīng)過對比存在的區(qū)別如下。

1.1 腹板折算應(yīng)力

根據(jù)《材料力學(xué)》形狀改變密度強(qiáng)度理論，規(guī)范對于彎、剪共同作用下的鋼材強(qiáng)度驗(yàn)算做了具體規(guī)定，各規(guī)范在具體執(zhí)行中存在局部差異。

1.1.1 《橋鋼混規(guī)》相關(guān)規(guī)定

《橋鋼混規(guī)》7.2.2 條第2 款規(guī)定：組合梁承受彎矩和剪力共同作用時(shí)，應(yīng)考慮兩者耦合的影響，腹板最大折算應(yīng)力應(yīng)按下式驗(yàn)算：

《橋鋼混規(guī)》7.2.2 條條文說明解釋如下：當(dāng)這組合梁承受彎、剪共同作用時(shí)，組合梁抗剪承載力隨截面所承受的彎矩的增大而減小，由于截面抗力計(jì)算基于彈性方法，因而以最大折算應(yīng)力的方式考慮組合梁彎剪共同作用[1]。

1.1.2 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）（簡稱《鋼標(biāo)》）相關(guān)規(guī)定

除了上述兩本規(guī)范，在《鋼標(biāo)》式（6.1.5-1）規(guī)定：

當(dāng)無集中荷載作用時(shí)，上述公式中σc=0，

β1=1.1，公式轉(zhuǎn)化為下式：

因建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可靠性與公路橋梁結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的區(qū)別，鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f與fd數(shù)值存在差異。但其公式的形式與《橋鋼混規(guī)》一致。

《鋼標(biāo)》條文說明中指出：公式1.1 中（強(qiáng)度增大系數(shù)）并非是將剛才的設(shè)計(jì)強(qiáng)度增大，而是為考慮截面局部塑形開展而允許的應(yīng)力限值少量放大。據(jù)此作者分析《橋鋼混規(guī)》也是相同思路。

1.1.3 《橋鋼規(guī)》相關(guān)規(guī)定

《橋鋼規(guī)》11.2.2 條第3 款及5.3.1 條第4 款規(guī)定，組合梁承受彎矩和剪力共同作用時(shí)，應(yīng)考慮兩者耦合的影響，腹板最大折算應(yīng)力應(yīng)按下式驗(yàn)算：

對比《橋鋼混規(guī)》式（7.2.1-2）和《橋鋼規(guī)》式（5.3.1-1），《橋鋼混規(guī)》中的σ與《橋鋼規(guī)》中的σx均未計(jì)入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0的正應(yīng)力，考慮到鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd與抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvd近似存在數(shù)量關(guān)系：fvd=，帶入《橋鋼規(guī)》式（5.3.1-6），得下式

推導(dǎo)得到

僅在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級為三級時(shí)，二者的規(guī)范限值相當(dāng)，當(dāng)安全等級為一級時(shí)，《橋鋼混規(guī)》的腹板折算應(yīng)力限值比《橋鋼規(guī)》高出約21%?？紤]到鋼混組合梁的適用跨徑，其設(shè)計(jì)安全等級絕大多數(shù)應(yīng)歸為一級。因此從上述規(guī)范條文對比看，選擇《橋鋼規(guī)》進(jìn)行驗(yàn)算，可全部符合規(guī)范要求且結(jié)構(gòu)更安全[2]。

1.2 按《橋鋼規(guī)》計(jì)算的內(nèi)容

根據(jù)《橋鋼混規(guī)》與《橋鋼規(guī)》的對比，下述內(nèi)容僅《橋鋼規(guī)》中有相關(guān)規(guī)定，應(yīng)該規(guī)范進(jìn)行計(jì)算：支撐加勁肋強(qiáng)度驗(yàn)算、抗傾覆驗(yàn)算。

1.3 按《橋鋼混規(guī)》計(jì)算的內(nèi)容

根據(jù)《橋鋼混規(guī)》與《橋鋼規(guī)》的對比，下述內(nèi)容僅《橋鋼混規(guī)》中有相關(guān)規(guī)定，應(yīng)該規(guī)范進(jìn)行計(jì)算：組合梁的整體穩(wěn)定驗(yàn)算、組合梁混凝土板的縱橋向抗剪驗(yàn)算、組合梁剪力連接件的疲勞驗(yàn)算。

除上述內(nèi)容需特別注意外，其他內(nèi)容在《橋鋼混規(guī)》與《橋鋼規(guī)》中的規(guī)定均相同，可按上述兩本規(guī)范的任一本進(jìn)行計(jì)算。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主橋長360m，橋?qū)?7.5m，橋梁跨徑組合為（3×40+3×40+3×40）=360m，雙向4 車道。

上部結(jié)構(gòu)采用等高鋼混組合連續(xù)梁，3 跨一聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑40m，梁高1.8m（梁高不含鋼梁底板厚度）。橋梁結(jié)典型構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)典型構(gòu)橫斷面

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

3.1 橋梁計(jì)算建模概述

采用midas civil 2019（V2.1）進(jìn)行有限元計(jì)算，全橋共分786 個單元，569 個節(jié)點(diǎn)，支座采用彈性連接模擬。采用軟件中的施工聯(lián)合截面。鋼梁橫向采用工字鋼連接，單跨布置5 道，間距為7m。橋面板橫向采用與橋面板等厚的矩形虛擬橫梁來模擬縱梁間力的傳遞[3]。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 施工階段劃分

模型中施工階段劃分如表1所示。

表1 施工階段劃分

3.3 計(jì)算結(jié)果與規(guī)范限值的對比

計(jì)算結(jié)果與規(guī)范限值的對比，如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果與規(guī)范限值的對比

4 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)和展望

4.1 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

橋梁采用斜腹板鋼梁，鋼梁跨高比約28.5，橋梁綜合用鋼量約280kg/m2，梁體立面輕盈，景觀較好。

橋梁設(shè)計(jì)階段，混凝土橋面板的后澆槽口及其中的預(yù)制拼接鋼筋與鋼梁頂面剪力釘精準(zhǔn)核對，可保證鋼梁剪力釘在工廠焊接后不影響現(xiàn)場順利拼接，剪力釘施工質(zhì)量較現(xiàn)場焊接更有保障。

在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常存在相關(guān)規(guī)范條文內(nèi)容重疊的情況，進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)錢應(yīng)對不同規(guī)范的條文進(jìn)行對比分析，選定適合的規(guī)范條文進(jìn)行計(jì)算[4]。

4.2 設(shè)計(jì)展望

本項(xiàng)目橋面板在剪力釘除含承托的厚度為400mm，橋面板的抗彎、抗剪、縱橋向抗剪、橋面板縱、橫橋向裂縫等計(jì)算結(jié)果均大幅度小于規(guī)范限值，橋面板厚度仍有優(yōu)化空間。

在更薄橋面板的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重橋梁伸縮縫、剪力釘?shù)葮?gòu)件的尺寸和安裝。

5 結(jié)語

隨著鋼-混凝土組合梁橋在我國的逐步推廣，其鋼材與混凝土材料的優(yōu)勢將逐步被發(fā)揮至極致。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何降低梁體高度、節(jié)約鋼材仍將是重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容?；炷翗蛎姘蹇赏ㄟ^采用壓型鋼板與混凝土組合橋面板、超高性能混凝土等方式減小厚度，鋼梁可通過預(yù)彎組合梁等方式減小高度，綜合實(shí)現(xiàn)降低梁體高度的目標(biāo)。隨著工程經(jīng)驗(yàn)的逐步積累，鋼-混凝土組合梁橋的設(shè)計(jì)理論將更加完善。