裝配式鋼混組合梁設(shè)計計算研究

管永偉

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

裝配式鋼混組合梁是鋼梁與混凝土板同截面共同受力，充分利用鋼板的抗彎性能和混凝土的抗壓性能而產(chǎn)生的一種組合梁。19世紀(jì)末出于對結(jié)構(gòu)防銹蝕、防火等方面的考慮就已經(jīng)出現(xiàn)鋼混組合梁，當(dāng)時未考慮到兩種材料的配合會使得構(gòu)件整體剛度、強(qiáng)度大幅度增強(qiáng)，但這在無形中產(chǎn)生了鋼與混凝土組合而成的新結(jié)構(gòu)形式[1]。

隨著鋼混組合梁的不斷研究，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點不斷被發(fā)掘出來，其在大中跨徑橋梁建設(shè)中的作用也越來越重要。鋼與混凝土的完美結(jié)合，相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁，減輕了主梁的重量，提高了構(gòu)件的承載能力和延性，大大提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。與傳統(tǒng)鋼梁相比，提高了橋梁的整體剛度與穩(wěn)定性，同時也降低了鋼用量，有效降低了造價[2]。

近年來，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》以及2022年交通運輸部發(fā)布的《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范》均體現(xiàn)了橋梁向裝配化發(fā)展的方向，隨著住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和各省裝配式鋼混組合梁通用圖的發(fā)布與實施，已建鋼混組合梁暴露出明顯病害，如混凝土翼緣板縱向開裂、橋面板產(chǎn)生疲勞裂紋和橫向裂縫、剪力釘破損、鋼梁銹蝕等[3]。

要從根本上控制病害，就應(yīng)該對裝配式鋼混組合梁的設(shè)計計算進(jìn)行研究。本文通過標(biāo)準(zhǔn)圖示例，利用midas Civil有限元軟件從施工階段劃分、各施工階段考慮的作用及各個作用的組合三個方面分析了裝配式鋼混組合梁的設(shè)計要點。

1 項目概況

根據(jù)2018年浙江省公路工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖——45 m組合梁橋通用圖，參照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ d60—2015)，確定45 m鋼板組合簡支梁橋的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)公路等級：一級公路或城市快速路；

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級：一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；

(3)橋梁跨徑：計算跨徑44.92 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑(含80 mm伸縮縫)45 m；

(4)橋面寬度：單幅三車道，16.5 m寬；

(5)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期：100年；

(6)汽車荷載等級：公路-I級、城-A級。

該橋跨徑布置：45 m簡支梁；主梁形式：三主梁工字鋼組合鋼板梁，主梁間6 m，梁高2.8 m(2.4 m鋼主梁+0.4 m混凝土板)。

2 施工階段分析

裝配式鋼混組合梁是鋼梁與混凝土板在工廠預(yù)制完成后現(xiàn)場拼裝的一種組合梁。待墩身、橋臺與蓋梁完成后，其施工階段由以下幾部分構(gòu)成：

(1)組合梁鋼板梁拼裝；

(2)橫梁與鋼主梁連接；

(3)組合梁混凝土橋面板吊裝；

(4)瀝青鋪裝、安裝防撞護(hù)欄、橋面排水等附屬設(shè)施，全橋竣工。

以標(biāo)準(zhǔn)圖為例，采用midas Civil有限元軟件考慮以上施工階段，可分為以下三個階段。

在形成組合截面后，可施加橋面二期荷載，考慮混凝土的收縮徐變時間，一般考慮10年，完成施工階段分析。

3 各施工階段考慮的作用

在進(jìn)行內(nèi)力計算時，需考慮一期恒載(橋面板重量和鋼梁重量)、施工荷載、二期恒載(瀝青鋪裝+欄桿)、汽車活載、汽車疲勞荷載、收縮徐變、溫度作用、沉降[4]。

根據(jù)以上有限元施工分析的劃分，可將施工階段劃分為兩大階段：純鋼梁階段和鋼混組合梁階段。一期恒載、施工荷載由鋼梁承擔(dān)，待施工完成后施工荷載取消，在形成二期恒載(鋪裝+欄桿)、汽車活載及收縮徐變由組合梁截面承擔(dān)。具體分類及計算方法如表1所示。

表1 施工階段各作用分類及計算方法

將各個作用按以上表格計算方法計算得出，然后作用到不同施工階段的截面上就可以完成計算建模分析。可得到組合梁在各個施工階段的內(nèi)力、應(yīng)力、撓度等數(shù)據(jù)。如在架設(shè)鋼梁階段，荷載作用在鋼梁截面。

圖5 一期恒載作用下鋼梁彎矩內(nèi)力圖(單位：kN·m)

4 作用組合

在進(jìn)行組合梁承載能力驗算時，首先要進(jìn)行內(nèi)力組合計算，然后計算出各個斷面的截面特性，對其進(jìn)行應(yīng)力計算。而應(yīng)力計算的結(jié)果決定了各個截面承載力能否通過。

4.1 內(nèi)力組合

當(dāng)鋼-混凝土組合梁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計算、穩(wěn)定計算、局部連接件抗剪計算時，作用組合應(yīng)按照公路橋梁通規(guī)的基本組合進(jìn)行考慮；對鋼-混凝土組合梁進(jìn)行混凝土抗裂驗算時應(yīng)按照公路橋梁通規(guī)的頻遇組合及準(zhǔn)永久組合；抗疲勞計算和抗傾覆穩(wěn)定計算作用效應(yīng)組合應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合[4]。

(1)基本組合

(作用效應(yīng)按照線性關(guān)系考慮)

(1)

式中：Sud為承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應(yīng)組合設(shè)計值[4]；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；γGi、Gik為第i個永久作用效應(yīng)的分項系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值，γGi=1.2(1.0)；γQ1，Q1k分別為相應(yīng)汽車荷載作用下的分項系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值，γQ1=1.4；γQj、Qjk分別為除汽車荷載外的其它可變作用效應(yīng)的分項系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值；ψc=0.75[4]。

(2)頻遇組合：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值、車荷載頻遇值和他可變作用準(zhǔn)永久值相結(jié)合。

(2)

Sfd為作用短期效應(yīng)組合設(shè)計值；ψf1：汽車荷載(不計汽車沖擊力)頻遇值系數(shù)，ψf1=0.7；ψfj：第j個可變作用準(zhǔn)永久值系數(shù)；人群：f2j=0.4；溫度梯度：f2j=0.8；其它作用：f2j=1.0。

(3)準(zhǔn)永久組合：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值與可變作用準(zhǔn)永久值相組合

(3)

Sqd：為長期效應(yīng)組合作用設(shè)計值；ψfj：第j個可變作用準(zhǔn)永久值系數(shù)；f2j=0.4；人群：f2j=0.4；溫度梯度：f2j=0.8；其它作用：f2j=1.0。

根據(jù)以上公式，考慮1.1倍的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按以上所述承載能力極限狀態(tài)下的基本組合，為1.2倍的恒載(含收縮徐變)，1.4倍汽車活載效應(yīng)，溫度活載取1.4×0.75=1.05。形成四個荷載組合。

①1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體升溫+1.05梯度升溫

②1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體降溫+1.05梯度升溫

③1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體升溫+1.05梯度降溫

④1.2×恒載(含收縮徐變)+1.4×汽車荷載+1.05×整體降溫+1.05梯度降溫

根據(jù)以上四個荷載組合取各個施工階段最不利內(nèi)力對截面進(jìn)行承載力計算。對于該三片工字型組合簡支梁，對邊梁和中梁分別分析，計算跨中最大彎矩和支點最大剪力，對其對應(yīng)截面進(jìn)行承載力分析。

4.2 應(yīng)力組合

主梁應(yīng)力計算以最具代表性的跨中截面和支點截面進(jìn)行計算。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》11.2.1和11.2.2規(guī)定進(jìn)行計算。

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》11.2.1抗彎計算指出，在進(jìn)行組合梁抗彎計算時，應(yīng)按施工方法及順序，對施工過程進(jìn)行抗彎驗算，作用效應(yīng)組合按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行，即3.1所述。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》11.2.2，組合梁抗剪計算應(yīng)符合以下規(guī)定：

(1)組合梁截面的剪力應(yīng)全部由鋼梁腹板承擔(dān)，不考慮混凝土板的抗剪作用。

(2)組合梁截面抗剪驗算應(yīng)符合以下規(guī)定

γ0Vd≤Vu

(4)

Vu=fvd·Aw

(5)

其中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；Vd為組合梁截面的剪力設(shè)計值；Vu為組合梁截面的抗剪承載力；fvd為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值；Aw為鋼梁腹板的截面面積。

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計設(shè)計》(GB 50917—2013)對鋼-混組合梁正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行短暫狀況驗算和持久狀況驗算，應(yīng)力驗算采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合；承載能力極限狀態(tài)驗算采用基本組合[5]。應(yīng)力驗算荷載組合如表2所示。

表2 應(yīng)力荷載組合

在持久狀況下，根據(jù)規(guī)范，在對鋼-混凝土組合梁進(jìn)行應(yīng)力計算時，應(yīng)滿足以下規(guī)定。

(1)在對混凝土橋面板進(jìn)行正應(yīng)力驗算時，其壓應(yīng)力最大不宜大于0.50fck(混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)。

(2)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力不應(yīng)大于75%的強(qiáng)度設(shè)計值，且應(yīng)滿足穩(wěn)定的要求。

在短暫狀況下，在對鋼-混凝土組合梁進(jìn)行應(yīng)力計算時，應(yīng)滿足以下規(guī)定。

(1)在對混凝土橋面板進(jìn)行正應(yīng)力驗算時，其壓應(yīng)力最大不宜大于0.70fck。

(2)在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力驗算時，其最大應(yīng)力不應(yīng)大于80%的材料強(qiáng)度設(shè)計值，且應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求[5]。

5 結(jié) 語

裝配式鋼混組合梁因其巧妙的利用了混凝土和鋼材的材料優(yōu)勢，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能、裝配程度高、結(jié)構(gòu)造價低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在國內(nèi)外大中跨徑橋梁中得到廣泛應(yīng)用。隨著裝配式鋼混組合梁的推廣應(yīng)用，在實際工程中也暴露出了一些可以控制的病害，因此如何從設(shè)計上控制病害的發(fā)生是本文重點研究的內(nèi)容，本文有以下三個創(chuàng)新點。

(1)根據(jù)裝配式鋼混組合梁的成橋過程，通過midas Civil有限元軟件對其進(jìn)行施工階段劃分。

(2)根據(jù)實際施工階段，對各個施工階段的荷載進(jìn)行了分析并列出了計算方法。

(3)結(jié)合規(guī)范，對各個施工階段的荷載組合方式進(jìn)行了研究，重點對內(nèi)力和應(yīng)力的抗彎和抗剪組合進(jìn)行了歸納總結(jié)。