鋼-混組合連續鋼板梁負彎矩區若干問題的設計分析

侯俊勇

摘 ?要：隨著鋼-混組合連續鋼板梁在我國的大量應用，其在結構受力、可施工性、經濟性和耐久性等方面優勢突出。鋼-混組合連續鋼板梁在設計、施工和運營過程中也存在一些問題，特別是負彎矩區開裂問題。針對負彎矩區開裂問題，重點對負彎矩區2個問題進行設計分析：開裂區長度和剪力釘數量;通過國內外規范的計算和對比分析，給出開裂區長度和剪力釘數量的最優計算方法，為鋼-混組合連續鋼板梁的設計提供了有利的建議。

關鍵詞：組合鋼板梁;負彎矩區;開裂區長度;剪力釘數量

中圖分類號：U442.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）22-0083-04

Abstract： With the wide application of steel-composite continuous steel plate girder in China， its advantages have been obvious in structural stress， constructability， economy and durability. There are several problems in the design， construction and operation of steel-concrete composite continuous steel plate girders， especially the cracking of negative moment region. In view of the cracking problem of negative moment region， two problems of negative moment zone are mainly analyzed： the length of cracking region and the number of shear nails. Through the calculation and comparative analysis of domestic and foreign codes， the optimal calculation method of the length of cracking region and the number of shear nails is given， which provides beneficial suggestions for the design of steel-concrete composite continuous steel plate girder.

Keywords： composite steel plate beam; negative moment region; length of cracking region; shear nail number

引言

近年來，鋼-混組合連續鋼板梁以其結構受力、可施工性、經濟性和耐久性等方面優勢在我國應用越來多[1]，同時國內學者在此領域開展了大量研究，為鋼-混組合連續鋼板梁的應用積累了較多的設計和施工經驗。對于鋼-混組合連續鋼板梁，國內規范《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）[2]、《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917-2013）[3]和《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTG TD64-

01-2015）[4]均提供了設計依據和指南。但由于我國組合梁橋的發展相對歐美發達國家依然滯后，且規范頒布時間較短，設計過程中仍有較多疑點。鋼-混組合連續鋼板梁的設計難點在負彎矩區的設計，運營后負彎矩區為帶裂縫工作。本文重點對負彎矩區如下2個問題進行設計分析：（1）開裂區長度;（2）剪力釘數量。

選取某一座（36+60+44）m跨鋼-混組合連續鋼板梁橋為背景，分別依據國內外規范，對負彎矩區開裂區長度和剪力釘數量2個問題進行對比分析，為今后鋼-混組合連續鋼板梁的設計提供一些有利的建議。

1 開裂區長度和剪力釘數量計算方法

1.1 開裂區長度

對于普通鋼筋混凝土橋面板或B類預應力混凝土橋面板，鋼-混組合連續鋼板梁整體分析時須考慮橋面板開裂導致的內力重分布，應采用開裂模型分析，因此準確計算出開裂區長度非常重要。

1.1.1 國內規范對開裂區的規定

截面抗彎剛度分為開裂截面剛度EIcr和未開裂截面剛度EIuu，計算開裂截面剛度時，不考慮負彎矩區混凝土對剛度的影響，但計入橋面板有效寬度內縱向鋼筋的作用。若采用普通鋼筋混凝土橋面板，整體分析時應采用開裂分析方法，中支點兩側各0.15L（L為梁的跨度）范圍內組合梁截面剛度取開裂剛度EIcr，其余區段組合梁截面剛度取未開裂截面剛度EIuu。

1.1.2歐洲規范[5]對開裂區的規定

混凝土橋面板開裂區長度應通過應力計算求得，一般通過2次整體分析完成。

（1）一次分析：也稱非開裂分析，全橋通長所有截面的截面特性均考慮混凝土強度的貢獻，一次分析結果中，若標準組合下截面混凝土上緣最大拉應力大于2fctm（其中fctm=0.3fck2/3，fck為混凝土的棱柱體強度。），則在二次分析中認為該截面混凝土已經開裂。由上述方法，可確定中墩頂兩側混凝土橋面板開裂區段。

（2）二次分析：也稱開裂分析，處于開裂區的混凝土橋面板僅考慮其中鋼筋的剛度進行整體分析，計算結構內力并用于驗算。若橋梁任意相鄰兩跨跨徑之比大于0.6，不采用任何支點升降措施，且采用現澆混凝土橋面板，則可直接取中支點兩側各0.15倍跨徑的范圍作為開裂區進行分析。

1.2 剪力釘數量

鋼-混組合梁的連接件宜采用剪力釘，剪力釘受力均勻，方便施工，可以很好的保證鋼梁和混凝土橋面板的有效組合并共同承擔作用。國內規范計算剪力釘數量方法主要分為2類：（1）內力控制法（按開裂模型計算）;（2）承載能力控制法（按未開裂模型計算）。剪力釘配置數量與鋼梁和混凝土橋面板間的剪力成正比關系，因此以下僅給出水平剪力的計算方法。

1.2.1 內力控制法

內力控制法即是《公路鋼結構橋梁設計規范》規定的計算方法，其縱向水平剪力計算原則如下：

（1）剪力釘的設計作用包括僅包括形成組合截面之后的各種荷載;（2）根據開裂模型求得的剪力計算鋼與混凝

土結合面上縱橋向單位長度水平剪力時，應按未開裂截面進行計算。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）第11.4.3條，混凝土板和鋼梁結合面上單位長度縱橋向水平剪力按下式計算：

Vld=VdS/Iuu

其中：Vd-組合梁截面的剪力設計值;Iuu-組合梁的未開裂截面慣性矩;S-橋面板對組合梁截面中和軸的面積矩。

1.2.2 承載能力控制法

承載能力控制法即是《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》規定的計算方法，其縱向水平剪力計算原則如下：

負彎矩剪跨區段內混凝土板和鋼梁接觸面的縱向剪力Vs應按下列方法確定：

Vs=Artfsd

其中：Art-受拉區混凝土橋面板有效寬度范圍內的縱向鋼筋截面面積（mm2）;fsd-鋼筋抗拉強度設計值（MPa）。

2 工程實例

2.1 工程背景

鋼-混組合連續鋼板梁橋位于深汕特別合作區深汕大道擴建提升工程（2標段），跨徑為（36+60+44）m，采用雙工字型斷面，鋼板梁跨中高度2.3m，中支點高度3.2m，邊支點高度分別為2.1m和2.3m，混凝土板板厚為0.25m，腹板間距7.0m，橫梁間距4.0m，橋梁全寬12.5m，剪力釘采用D25×180。設計荷載標準：城-A級;機動車道數：3車道;設計車速：50km/h。設計基準期：100年;設計安全等級：一級;耐久性設計環境類別：I類。鋼-混組合連續鋼板梁總體布置和橫斷面圖如圖1和圖2所示。

2.2 空間模型

采用MidasCivil 2019建立空間梁格模型，主梁采用雙工字型斷面，主梁單元長1m。全橋共5075個單元，3819個節點，空間模型如圖3所示。

2.3 開裂區長度計算

（1）按國內規范計算開裂區長度

（2）按歐洲規范計算開裂區長度

整體分析中考慮橋面板開裂引起內力重分配問題，通過非開裂模型進行計算，若模型標準組合下混凝土橋面板上緣拉應力超過2fctm=2×0.3fck2/3 =6.84MPa（橋面板采用C60混凝土），則判斷截面處于開裂區。混凝土板應力圖如圖4所示，圖中A區域表示上緣拉應力超過6.84MPa;負彎矩區開裂區長度如表2所示。

通過對比表1和表2，國內和歐洲規范對于負彎矩區開裂區長度的計算結果相差較大。對于等跨徑鋼-混組合連續鋼板梁，國內規范可以適用;但是對于不等跨徑鋼-混組合連續鋼板梁，須通過未開裂模型應力分析，精確確定開裂區長度。

2.4 剪力釘數量計算

國內外規范對于剪力釘的抗剪承載力的規定不盡相同[6]，在此不再進行對比，選取《公路鋼結構橋梁設計規范》計算剪力釘的抗剪承載力。

依據《公路鋼結構橋梁設計規范》11.4.4條，圓柱頭焊釘連接件的抗剪承載力按下式計算：

Vsu=min{0.43Asu（Ecfcd）1/2，0.7Asufsu}

其中：Asu-焊釘桿徑的截面面積;fcd-混凝土軸心抗壓強度設計值;fsu-焊釘材料的抗拉強度最小值。

本工程采用的剪力釘規格為：D25×180;混凝土規格為：C60。主梁剪力釘布置如圖5所示，橫橋向每排布置6根。通過以上參數，計算得剪力釘抗剪承載力為：Vsu=135.2kN。

（1）按內力控制法計算剪力釘數量

按1.2節內力控制法的計算理論（即《公路鋼結構橋梁設計規范》計算理論），計算得剪力釘數量見表3。其中：L0-計算得順橋向剪力釘間距;L-實際選取順橋向剪力釘間距;其他參數含義詳見1.2節。

（2）按承載能力控制法計算剪力釘數量

按1.2節承載能力控制法的計算理論（即《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》計算理論），計算得剪力釘數量見表4。其中：L0-計算得順橋向剪力釘間距;L-實際選取順橋向剪力釘間距;其他參數含義詳見1.2節。

通過對比表3和表4，內力控制法和承載能力控制法對于負彎矩區剪力釘數量的計算結果相差較大。前者計算得剪力釘數量與橋面板和鋼梁間的實際剪力值有關，計算理論合理，并偏于保守;后者計算得剪力釘數量與剪跨區橋面板配置的鋼筋數量有關，配置鋼筋數量越多，剪力釘數量越多，方法科學性存疑。通過以上的對比分析，建議設計過程中采用內力控制法（即《公路鋼結構橋梁設計規范》計算理論）計算剪力釘數量。

3 結論

基于不同的國內外規范，對鋼-混組合連續鋼板梁負彎矩區開裂區長度和剪力釘數量2個問題進行對比分析，得出以下結論及設計建議：

（1）國內和歐洲規范對于負彎矩區開裂區長度的計算結果相差較大。國內規范適用于等跨徑鋼-混組合連續鋼板梁;但是對于不等跨徑鋼-混組合連續鋼板梁，須通過未開裂模型應力分析，精確計算開裂區長度。

（2）內力控制法和承載能力控制法對于負彎矩區剪力釘數量的計算結果相差較大。前者計算得剪力釘數量與橋面板和鋼梁間的實際剪力值有關，計算理論合理，并偏于保守;后者計算得剪力釘數量與剪跨區橋面板配置的鋼筋數量有關，計算方法科學性存疑。建議設計過程中采用內力控制法（即《公路鋼結構橋梁設計規范》計算理論）計算剪力釘數量。

參考文獻：

[1]邵長宇.組合結構橋梁的發展與應用前景[J].城市道橋與防洪，2016（09）：11-15+260+6.

[2]JTG D64-2015.公路鋼結構橋梁設計規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]GB 50917-2013.鋼-混凝土組合橋梁設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[4]JTG/T D64-01-2015.公路鋼混組合橋梁設計與施工規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5]Eurocode 4： Design of composite steel and concrete structures Part 2： General rules and rules for bridges [S].London： British Standards Institution， 2005.

[6]田山坡.鋼混組合梁剪力連接件的計算方法研究[J].鐵道工程學報，2014，31（08）：56-61.