鋼混組合梁寬橋的箱室劃分研究

胡 鑫，羅 晶，潘傳銀

[1.成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000；2.成都興城建管有限公司，四川 成都 610000]

0 引言

隨著城市的迅速發(fā)展，近年涌現(xiàn)出生態(tài)城市、綠色城市、森林城市等發(fā)展理念。成都作為公園城市建設(shè)的先驅(qū)，在市政技術(shù)上不斷更新，逐漸開始采用節(jié)能、節(jié)材指標(biāo)優(yōu)良的組合梁結(jié)構(gòu)。

組合梁不僅在受力上充分發(fā)揮混凝土及鋼材性能，還能在一定程度上解決預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁長期下?lián)虾透拱彘_裂問題，相較于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，其疲勞問題亦不顯著。

除此以外，組合梁在響應(yīng)綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展、預(yù)制拼裝等政策上也具有明顯優(yōu)勢。

組合梁因工期快、構(gòu)件尺寸小、運(yùn)輸方便、施工界面小、受力優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)今年來成為極具競爭力的橋型。

市政高架橋中，由于上層交通規(guī)劃需求，或匝道接入的局部位置，常出現(xiàn)超寬橋面。如何進(jìn)行合理的箱室劃分直接影響整個(gè)橋梁受力及工程經(jīng)濟(jì)性。

因此本文從橋梁縱向計(jì)算、橋面板橫向受力、相關(guān)工程措施等方面，進(jìn)行組合梁寬橋箱室的合理布設(shè)方法研究，以供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 工程概況

本文依托成都東西城市軸線建設(shè)工程。該工程西起都江堰市青城路，東至簡陽市三繞外市域邊界，總長約149.2 km?？缋@城高速節(jié)點(diǎn)，東西軸線方向主線橋全長約2486 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑R=1998.5 m。最大縱坡4 %，最小縱坡0.3%。橋面總寬60 m，分為三幅。

設(shè)計(jì)中跨線橋上部結(jié)構(gòu)以現(xiàn)澆連續(xù)梁、鋼混組合梁和鋼箱梁為主，分聯(lián)見表1。

表1 跨繞城高速高架橋橋跨布置表

城市建設(shè)工程對橋梁構(gòu)件的運(yùn)輸便利性、施工簡易度、工期等提出了更高的要求。本項(xiàng)目為市政寬橋面橋，因此需要對箱室劃分進(jìn)行研究。

第7 聯(lián)連續(xù)組合梁跨徑布置43 m+65 m+43 m，橋面寬20.5 m 寬。主梁間距11 m。兩片主梁中間設(shè)置一片中縱梁。

主梁之間設(shè)置橫梁，橫梁縱向標(biāo)準(zhǔn)間距6～8 m，支點(diǎn)橫梁為大橫梁，其余橫梁為加強(qiáng)小橫梁。

單片主梁鋼梁梁高2.4 m，腹板頂間距4 m，底板寬度3.4 m，頂板寬度0.6～1.2 m。

小縱梁鋼梁高1.91 m，頂板寬度0.4 m，底板寬度0.6 m。

組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1。

圖1 組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

本文以該橋?yàn)槔瑥挠行挾认禂?shù)、橋面板橫向受力、其他工程措施因素三個(gè)角度來綜合分析箱室最優(yōu)的劃分方式。

2 有效寬度系數(shù)對箱室劃分的影響

2.1 有效寬度

剪力滯效應(yīng)使得腹板兩側(cè)上、下翼緣的正應(yīng)力呈靠近腹板處大而兩側(cè)小的不均勻分布狀態(tài)，因此腹板附近翼緣提前破壞，距離鋼腹板較遠(yuǎn)處的混凝土并不能有效發(fā)揮全截面作用。

箱梁設(shè)計(jì)時(shí)常取有效寬度等效替代腹板兩側(cè)翼緣實(shí)際寬度，以放大橋面板受力，確保結(jié)構(gòu)安全。

（1）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]規(guī)范中組合結(jié)構(gòu)翼緣有效寬度為

其中，bc、b0、b1、b2、le的取值詳見對應(yīng)規(guī)范。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》有效寬度計(jì)算圖例見圖2。

圖2 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》有效寬度計(jì)算圖例

（2）《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]關(guān)于有效寬度的計(jì)算方法，源于日本道路橋示方書。規(guī)范及手冊中建議鋼結(jié)構(gòu)及組合梁的橋面板有效寬度按照以下公式取值。《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》有效寬度計(jì)算圖例見圖3?？缰形恢茫?/p>

圖3 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》有效寬度計(jì)算圖例

支點(diǎn)區(qū)間：

bi，以及等效跨徑取值詳見對應(yīng)規(guī)范。

（3）歐洲規(guī)范4[9]中，對于組合梁有效寬度可采用以下方式計(jì)算：

a. 跨中及中間支座處有效寬度

b. 邊支座處的有效寬度

（4）《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》（簡稱《公預(yù)規(guī)》）[7]有效寬度計(jì)算采用以下公式。

連續(xù)梁各跨中部：bmi= ρfbi，α=bi/li，ρf=-6.44α4+10.1α3-3.56α2-1.44α+1.08

連續(xù)梁支點(diǎn)：

其中，bi為腹板兩側(cè)翼緣寬度，li為理論跨徑，具體取值詳見規(guī)范。

2.2 不同規(guī)范的有效寬度系數(shù)比較

選取4 m 腹板間距的組合梁為例，對于43 m+65 m+43 m 連續(xù)組合梁，其腹板布置見圖1，本文利用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》《歐洲規(guī)范4》《公預(yù)規(guī)》四本不同規(guī)范對有效寬度系數(shù)比較。

其中，有效寬度系數(shù)=有效寬度/實(shí)際寬度。

圖4 為各規(guī)范計(jì)算的有效寬度系數(shù)沿橋梁縱向的分布情況，由圖4 可知以下結(jié)論：

圖4 各規(guī)范有效寬度系數(shù)對比

（1）組合箱梁的有效寬度系數(shù)比混凝土箱梁的有效寬度系數(shù)大，剪力滯效應(yīng)較小，其橋面板能更有效、均勻地參與截面受力。

（2）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于橋面板有效寬度的規(guī)定，對于小跨徑（跨徑10 m 左右）連續(xù)組合梁才有效，大跨徑均考慮橋面板全截面受彎，因此用該規(guī)范計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)偏不安全。設(shè)計(jì)小跨徑人行橋或者棧道時(shí)，可考慮采用該規(guī)范。

（3）《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》比歐規(guī)相對安全。有效寬度系數(shù)在跨中區(qū)別不大，中支點(diǎn)位置的有效寬度系數(shù)存在較大差異。

2.3 不同箱室寬度有效寬度系數(shù)比較

在2.2 節(jié)研究基礎(chǔ)上，采用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行有效寬度計(jì)算，對比三種箱室寬度的有效寬度系數(shù)，根據(jù)式（2）可得

由式（3）可得

故選用3 m、4 m、5 m 三種常用的箱室寬度對比分析，假設(shè)無擴(kuò)大板托。

圖5 為各規(guī)范計(jì)算的有效寬度系數(shù)沿橋梁縱向的分布情況，由圖5 可知以下結(jié)論：

圖5 不用箱室寬度有效寬度系數(shù)對比

（1）3 m 箱室寬度，橋面板充分參與受彎，除負(fù)彎矩處幾乎沿縱橋向有效寬度系數(shù)全為1。對于寬橋面，腹板布置密度過大，不利于經(jīng)濟(jì)性。

（2）5 m 箱室寬度，跨中橋面板有效寬度系數(shù)接近0.95，負(fù)彎矩區(qū)的有效寬度系數(shù)下降明顯。此時(shí)橋面板橫橋向跨徑較大，需要30 cm 左右板厚，沒有充分發(fā)揮橋面板混凝土縱向抗壓的能力。

（3）4 m 箱室寬度，跨中橋面板有效寬度系數(shù)仍接近1.0，橋面板橫向跨徑合理，橋面板需要24 cm左右。橋面板在縱橫向受力都是相對較優(yōu)的。

3 橋面板橫向受力對箱室劃分的影響

在上節(jié)研究基礎(chǔ)上，討論組合梁縱向受力相對最優(yōu)的情況下（腹板間距4 m），橋面板橫向受力情況。

3.1 懸臂板橫向受力驗(yàn)算

根據(jù)《公預(yù)規(guī)》，對于懸挑受力計(jì)算，可將輪載等效為均布荷載計(jì)算懸臂彎矩。平行于板跨徑的分布寬度b=bi+2h。當(dāng)懸臂長度不大于2.5 m 時(shí)，a=（a1+2h）+2lc。

假設(shè)車輪荷載縱向分布寬度無重疊，沖擊系數(shù)為0.3，1 m 寬懸臂根部由車輛荷載引起的彎矩值為：

式中：lc為輪載外側(cè)到腹板距離；p 為車輪輪載；h 為鋪裝層厚度；lc為平行于懸臂板跨徑方向的車輪著地尺寸外緣到腹板外側(cè)邊緣距離。

鋪裝厚度10 cm，最大輪載為70 kN，車輪著地寬度及長度a1×b1=0.2 m×0.6 m，根據(jù)式（5），可得車輛荷載引起的彎矩為:

護(hù)欄線荷載為12.8 kN/m，則護(hù)欄及懸挑自重（含鋪裝）引起的懸挑根部彎矩M1、M2大致為：

不同懸挑長度懸挑根部彎矩計(jì)算見表2。

表2 不同懸挑長度懸挑根部彎矩計(jì)算表格

其中，帶肋鋼筋C1=1.0，板式受彎構(gòu)件C3=1.15，。

由式（6）～式（10）可知，當(dāng)選定鋼筋直徑，結(jié)合組合梁懸臂根部厚度（40 cm），可求得裂縫寬度。

由表3 可見，當(dāng)lc≤1.8 m，此時(shí)僅一個(gè)車輪作用于懸臂板上，鋼筋直徑小于25 mm，懸臂板的裂縫寬度滿足規(guī)范要求，且存在較大富余量。此時(shí)懸臂長度為lc+1.1 m。

表3 不同鋼筋直徑下不同長度懸挑裂縫寬度單位：mm

3.2 中間橋面板橫向受力驗(yàn)算

同理，可根據(jù)《公預(yù)規(guī)》計(jì)算4 m 腹板間距的橋面板橫向受力裂縫寬度，結(jié)果見表4～表6。

表4 橋面板活載計(jì)算表格

表5 橋面板橫向彎矩計(jì)算值表格

表6 橋面板橫向裂縫驗(yàn)算表格

每延米橋面板配筋采用10 根d22 鋼筋，根據(jù)單筋矩形截面計(jì)算（頂?shù)装迮浣钕嗤?，支點(diǎn)處承托不考慮）。

從表2～表6 的計(jì)算結(jié)果可知，在合理構(gòu)造下，橋面板橫向裂縫寬度同樣滿足要求且存在較大富裕。

在恒載和汽車荷載組合下，4 m 寬的腹板間距布置，采用d22 鋼筋時(shí)，橋面板橫向受力富裕度較大，裂縫寬度較小。3 m 以下懸臂板，采用d20 鋼筋時(shí)，富裕度較大，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究車撞荷載對懸挑鋼筋直徑的要求。

由此可見，橋面板橫向受力的靜力計(jì)算對箱室劃分非決定性因素。但考慮組合梁橋面板內(nèi)的鋼筋疲勞問題，經(jīng)驗(yàn)上一般將鋼筋應(yīng)力σss控制在160 MPa以下。

4 其他因素對箱室劃分的影響

（1）鋼箱梁因頂板和腹板焊接處的疲勞問題，在布設(shè)腹板時(shí)需避開輪跡線。組合梁腹板處不存在鋼結(jié)構(gòu)的疲勞問題，所以布設(shè)腹板的位置可以更加靈活。

（2）在采用多主梁的布置方式時(shí)，在一定的橋面板寬度下，拋開主梁自身寬度及懸臂板長度后，常存在主梁之間間距過大的情況。此時(shí)可以通過增設(shè)小縱梁的形式來解決橋面板橫向受力問題。

本項(xiàng)目在保證橋梁縱向整體受力符合要求的前提下，增設(shè)小縱梁，以解決箱室劃分困難的問題（見圖6、圖7）。本項(xiàng)目組合梁，在邁達(dá)斯模型中，僅建立雙主梁模型，進(jìn)行整橋縱向驗(yàn)算。其計(jì)算結(jié)果與建立小縱梁模型的結(jié)果基本無區(qū)別。

圖6 含小縱梁整橋模型

圖7 不含小梁整橋模型

5 結(jié)語

本文以一聯(lián)43 m+65 m+43 m 的寬橋面組合梁為案例，研究在市政寬橋中，影響箱室劃分的主要因素，其中包括有效寬度系數(shù)、橋面板橫向受力以及相關(guān)其他因素。經(jīng)過研究得出以下結(jié)論：

（1）組合箱梁的有效寬度系數(shù)比混凝土箱梁的有效寬度系數(shù)大，剪力滯效應(yīng)較小。

（2）腹板間距4 m 時(shí)，三跨連續(xù)梁中間跨及邊跨跨中位置有效寬度系數(shù)接近1.0，支點(diǎn)位置有效寬度系數(shù)接近0.8，橋面板橫向跨徑合理，相對來說最為經(jīng)濟(jì)。

（3）在4 m 的腹板間距下，經(jīng)過橋面板橫向受力計(jì)算，鋼筋尺寸合適，裂縫寬度富裕較大。因此可推斷在不同腹板間距下，僅需稍微加大鋼筋直徑就可以控制裂縫寬度。橋面板橫向受力非影響腹板布置間距的決定性因素。

（4）組合梁的疲勞問題沒鋼結(jié)構(gòu)顯著，在設(shè)計(jì)過程中可更加靈活的布設(shè)腹板位置。

（5）在保證結(jié)構(gòu)主梁受力的情況下，可增設(shè)小縱梁來協(xié)調(diào)主梁自身寬度、主梁間距、懸臂板長度等諸多因素，以使腹板間距盡量趨近于4 m。