預(yù)制組合鋼板梁橋縱橫梁鋼-混結(jié)合段局部構(gòu)造分析

孫一鳴

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 預(yù)制組合鋼板梁橋簡(jiǎn)介

城市高架橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑一般小于35 m，其中絕大多數(shù)采用普通鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。最近幾年采用組合結(jié)構(gòu)橋梁趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

預(yù)制組合鋼板梁橋主梁采用焊接或者軋制工字鋼截面，全部在工廠中制作加工。鋼筋混凝土橋面板部分在工廠中預(yù)制，部分現(xiàn)澆。支點(diǎn)處鋼梁之間不直接連接，而是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土橫梁連系前后。這種橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工不需要設(shè)置模板，無(wú)焊接操作，避免限制下方交通，對(duì)周邊環(huán)境影響小，且能極大地縮短工期。

圖1～圖3所示為一典型預(yù)制組合鋼板梁橋。

圖1 預(yù)制組合鋼板梁橋?qū)崢?/p>

2 國(guó)內(nèi)某工程實(shí)例

（1）某工程概況

圖2 預(yù)制組合鋼板梁橋的疊合橋面板

圖3 澆筑支點(diǎn)橫梁及支點(diǎn)附近區(qū)域混凝土

西南某省省會(huì)城市某主干路周邊區(qū)域發(fā)展日趨成熟，隨之而來(lái)的是交通流量的不斷增加，該主干路無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)的交通發(fā)展需求，并且其沿線的軌道交通、高速公路跨線橋等項(xiàng)目已在施工或準(zhǔn)備開(kāi)工，快速化改造工程已勢(shì)在必行，并且是迫在眉睫。

為適應(yīng)工程建設(shè)速度，減少工程建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境影響，采用上述結(jié)構(gòu)型式橋梁。

（2）橋梁總體布置

主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)段采用30 m連續(xù)組合鋼板梁橋，3～6孔一聯(lián)，橋面總寬25.0 m，梁高1.4 m，橋面橫坡2%，見(jiàn)圖4。

主梁橫向共11片預(yù)制小組合梁，小組合梁之間橫向間距為2.3 m，單片鋼主梁設(shè)計(jì)成工字型結(jié)構(gòu)，主梁只在邊墩及中墩墩頂處設(shè)置混凝土橫梁聯(lián)結(jié)各小組合梁，其余位置各組合梁之間不設(shè)置橫向連接系，依靠混凝土橋面板來(lái)橫向分配荷載。

圖4 立面布置圖（單位:m）

底層混凝土橋面板采用C50混凝土，中梁處寬2 290 mm，邊梁處寬1 995 mm，厚100 mm。底層混凝土板采用分塊預(yù)制。頂層混凝土橋面板采用C50混凝土，總寬25.0 m，厚20 cm，采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方式。

跨中、支點(diǎn)橫斷面見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 跨中橫斷面圖（單位:m m）

圖6 支點(diǎn)橫斷面圖（單位:mm）

（3）縱橫梁鋼-混結(jié)合段局部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造

在一孔30 m標(biāo)準(zhǔn)跨鋼梁端部焊接橫向封板，端封板總寬為2 300 mm與主梁橫向間距相同，高1 080 mm，厚為14 mm。鋼梁中支點(diǎn)處底板厚度為24 mm，腹板厚16 mm。相鄰兩孔梁在澆筑支點(diǎn)混凝土前通過(guò)錨固螺栓進(jìn)行連接，見(jiàn)圖7。

3 縱橫梁鋼-混結(jié)合段局部計(jì)算分析

下面采用通用有限元程序ANSYS，分析鋼-混結(jié)合段處橫梁混凝土受力情況，主要研究混凝土體應(yīng)力情況。

（1）確定模型范圍

局部模型的縱向范圍為中支點(diǎn)前后各5.6 m，橫向范圍為腹板左右各1.15 m。局部模型范圍內(nèi)剪力釘按設(shè)計(jì)圖全部建出。

（2）材料參數(shù)取值

圖7 縱橫梁鋼-混結(jié)合段處鋼梁構(gòu)造圖（單位:mm）

鋼材：Q345qD，質(zhì)量密度 78.5×10-6N/mm3，彈性模量2.06×105MPa，線膨脹系數(shù)12×10-6/℃，泊松比0.3。

混凝土：C50，質(zhì)量密度 26×10-6N/mm3，重量作為荷載加載，彈性模量3.5×104MPa，線膨脹系數(shù) 1×10-5/℃，泊松比 0.2。

（3）單元類(lèi)型及實(shí)常數(shù)

按照設(shè)計(jì)圖紙通過(guò)ANSYS板殼-實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)橋模擬。鋼結(jié)構(gòu)板件采用Shell63單元模擬，每個(gè)單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度（3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度），板殼厚度按設(shè)計(jì)；混凝土板采用Solid45單元模擬，該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度；剪力釘采用combin39單元模擬，其中，每個(gè)剪力釘處設(shè)x、y與z方向三個(gè)單元，分別模擬剪力釘?shù)膬蓚€(gè)剪切方向剛度以及軸向剛度，剪切方向的剛度kss=13.0dss向剛度。有限元彈簧單元示意見(jiàn)圖8。

圖8 有限元彈簧單元示意圖

在鋼梁頂板與混凝土交界面設(shè)置接觸單元準(zhǔn)確模擬鋼與混凝土的關(guān)系，采用contact173和target170單元，見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 模型全部單元

圖10 鋼與混凝土間的接觸單元

圖11 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合段單元

（4）邊界條件及加載

將支座位置節(jié)點(diǎn)施加Ux、Uy、Uz三向約束。

在梁端面建立節(jié)點(diǎn)剛性區(qū)，在梁端中性軸位置建立剛臂，在單梁模型中讀取標(biāo)準(zhǔn)組合最不利工況內(nèi)力，通過(guò)節(jié)點(diǎn)集中力加載在剛臂端，見(jiàn)圖12。

圖12 支撐邊界條件及梁端荷載

（5）計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可得出混凝土應(yīng)力大小情況，分別沿縱向和橫向截取橫梁范圍內(nèi)混凝土關(guān)鍵截面處的應(yīng)力情況，見(jiàn)圖13～圖16。

圖13 鋼板梁中心線位置順橋向剖面主壓應(yīng)力（單位:MPa）

圖14 距梁鋼板梁中心線0.1m位置順橋向剖面主壓應(yīng)力（單位:MPa）

圖15 墩位中心線位置橫橋向剖面主壓應(yīng)力（單位:MPa）

圖16 橫梁混凝土與鋼梁交界面橫橋向剖面主壓應(yīng)力（單位:MPa）

由上述細(xì)部分析應(yīng)力結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)組合下，工字形鋼梁與混凝土橫梁交界面上，底板和腹板下段附近區(qū)域，橫梁混凝土主壓應(yīng)力達(dá)到30 MPa，超過(guò)了《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 D62-2004）》中規(guī)定的的材料抗壓強(qiáng)度。

4 縱橫梁鋼-混結(jié)合段局部受力優(yōu)化

分析上述計(jì)算結(jié)果，中支點(diǎn)鋼板梁縱向鋼梁與橫向混凝土梁連接處在負(fù)彎矩作用下鋼板梁腹板下段和底板受壓，有插入混凝土橫梁的趨勢(shì)，抵抗這種插入趨勢(shì)的構(gòu)造是端封板，端封板就是鋼-混結(jié)合段的承壓板。鋼板梁板厚很薄，此處負(fù)彎矩值又很大，如果端封板不能很好的限制鋼板梁插入混凝土橫梁，鋼板梁對(duì)于混凝土產(chǎn)生集中應(yīng)力，混凝土橫梁尤其是交界面處局部壓應(yīng)力很可能超標(biāo)。所以此處合理的構(gòu)造應(yīng)是采用面外剛度很大的端封板，簡(jiǎn)而言之就是采用一塊足夠厚的承壓板。

本項(xiàng)目端封板厚度是14 mm，面外剛度還無(wú)法滿(mǎn)足要求，下面參考國(guó)外規(guī)范擬定端封板厚度，然后修改有限元模型參數(shù)重新驗(yàn)算。

如圖17所示，鋼板梁下翼緣與混凝土橫梁接觸處壓力最大，厚度為tf下翼緣經(jīng)厚度為tcp的端封板傳遞后，在混凝土橫梁上的作用厚度為tc。

圖17 局部承壓混凝土承壓面積的確定

參考EN1992-1-1，6.7條規(guī)定，混凝土在由端封板傳力后，最大局部承壓抗力。故tcp只要大于2tf倍即可完全發(fā)揮與其接觸的混凝土局部承壓抗力，再厚混凝土局部承壓抗力也不會(huì)增加。

故取混凝土承壓板厚度為48 mm。

經(jīng)重新計(jì)算后，得到混凝土應(yīng)力見(jiàn)圖18、圖19。

圖18 鋼板梁中心線位置順橋向剖面主壓應(yīng)力（單位:MPa）

重新計(jì)算得到的橫梁混凝土主壓應(yīng)力結(jié)果小于22.4 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖19 橫梁混凝土與鋼梁交界面橫橋向剖面主壓應(yīng)力（單位:MPa）

由此證實(shí)加厚端封板能夠減小鋼板梁對(duì)混凝土橫梁產(chǎn)生的壓應(yīng)力。

另外將混凝土橫梁高度加高，超出鋼板梁下緣，取消混凝土橫梁范圍內(nèi)的底板鋼板，這樣對(duì)于混凝土橫梁局部承壓更有利，同時(shí)節(jié)省鋼材。

5 縱橫梁鋼-混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，鋼-混結(jié)合段處應(yīng)采用2種不同的構(gòu)造型式：

（1）鋼-混結(jié)合段一直受負(fù)彎矩作用時(shí)，鋼主梁與混凝土橫梁只要通過(guò)厚的端封板連接，見(jiàn)圖20；

圖20 通過(guò)厚端封板連接的縱橫梁鋼-混結(jié)合段

（2）鋼-混結(jié)合段受正負(fù)彎矩交替作用時(shí)，鋼主梁與混凝土橫梁要通過(guò)厚的端封板和混凝土內(nèi)錨拉板連接，見(jiàn)圖21。

圖21 通過(guò)厚端封板和錨拉板連接的縱橫梁鋼-混結(jié)合段

對(duì)應(yīng)2種不同的構(gòu)造型式的焊接方式如下：

鋼-混結(jié)合段一直受負(fù)彎矩作用時(shí)，采用角焊縫連接鋼主梁與端封板，見(jiàn)圖22；

圖22 采用角焊縫連接鋼主梁與端封板

鋼-混結(jié)合段受正負(fù)彎矩交替作用時(shí)，采用全熔透焊連接鋼主梁與端封板，見(jiàn)圖23。

圖23 采用全熔透焊連接鋼主梁與端封板

6 混凝土橫梁構(gòu)造

德國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范及DIN104對(duì)此類(lèi)型橫梁及其最小尺寸進(jìn)行了規(guī)定。當(dāng)支座直接支撐在主梁下時(shí)，中支點(diǎn)處橫梁寬度不應(yīng)小于60 cm；當(dāng)支座不是直接支撐在主梁下方，如支撐在橫梁上時(shí)，中支點(diǎn)橫梁寬度不應(yīng)小于80 cm。另外，當(dāng)下翼緣承受拉力，混凝土橫梁內(nèi)應(yīng)配環(huán)筋與鋼結(jié)構(gòu)上焊釘搭配，見(jiàn)圖24。

7 結(jié)語(yǔ)

圖24 混凝土橫梁構(gòu)造細(xì)節(jié)

預(yù)制組合鋼板梁橋（VFT-bridge）在德國(guó)、波蘭和澳大利亞等國(guó)使用較多，多用于跨線橋。該橋型的最大亮點(diǎn)是其施工對(duì)下部交通影響極小，而這是由于其在支點(diǎn)設(shè)置混凝土橫梁，施工時(shí)無(wú)現(xiàn)場(chǎng)焊接操作，只需在橋墩墩頂處澆筑少量混凝土的緣故。鋼主梁與混凝土橫梁的連接是此種橋型的必要的關(guān)鍵的構(gòu)造。本文認(rèn)為預(yù)制組合鋼板梁橋縱橫梁鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）縱橫梁鋼-混結(jié)合段處端封鋼板要有足夠的厚度以保證混凝土橫梁的局部受力。但端封板也不是越厚越好，當(dāng)達(dá)到一定厚度以后，其下混凝土橫梁局部承壓抗力不再增加。

（2）橫梁混凝土底緣最好低于鋼梁下翼緣，即橫梁梁高略高于縱梁。這樣可以使鋼梁下翼緣處的壓力分?jǐn)偟礁竺娣e的混凝土橫梁上。

（3）若縱橫梁鋼-混結(jié)合段受正負(fù)彎矩交替作用，應(yīng)設(shè)計(jì)錨拉板構(gòu)造，鋼梁與端封板的連接建議采用全熔透焊，因?yàn)槿弁负傅钠诘燃?jí)比較高。

[1]JTG D62－2004,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[S].

[2]7201-PR/113,Composite Bridge Design for Small and Medium Spans[S].ECSC Steel RTD Programme,2002.

[3]EN1992-1-1:2004,Eurocode 2:Design of concrete structures-Part 1-1:Generate rules and rules for buildings[S].

[4]Hanswille G.Composite bridges in Germany-State of the Art[J].The 2008 Composite Construction in Steel and Concrete ConferenceⅥ,2008,396（41142）.

[5]常江.連續(xù)組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)受力性能試驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.