新型鋼-混組合梁橋設計分析

楊代林

摘 要：鋼-混組合梁結構有著良好的結構性能和耐久性，施工難度小、進度快，多樣化結構適應不同建設條件的需求，簡化的結構減少了橋梁施工和維修管理工作量。對某新型鋼-混組合梁橋的方案比選、結構設計和整體計算進行了分析和總結。

關鍵詞：鋼-混組合梁橋;設計;結構分析

鋼-混組合梁橋由鋼主梁和鋼筋混凝土橋面板形成組合截面共同受力，充分發揮了鋼梁受彎性能好和混凝土受壓性能好的特點，有著良好的結構性能和耐久性，施工難度小、進度快，多樣化結構適應不同建設條件的需求，簡化的結構減少了橋梁施工和維修管理工作量，所以近年來在國內得到了快速的發展和應用。[1-2]

鋼-混組合梁橋分為不同形式，包括鋼箱組合梁、鋼桁組合梁和鋼板組合梁等，隨著計算水平的提升和施工工藝的進步，鋼-混組合梁橋的構造得到了極大的簡化，當橋面寬度不是很大時，少主梁形式的鋼-混組合梁橋使現場工作量大幅降低，也使其在施工性能和管養維護方面，相比預應力混凝土橋梁及鋼筋混凝土橋梁具有極大的競爭力。[3]

近年來鋼-混組合梁橋在中小跨徑公路橋梁中有廣泛的應用。安徽、浙江、廣東、湖南、陜西等地都積極開展了相關探索，在高速公路主線、匝道橋和跨線橋結構中都進行了嘗試。本文對某4×35m鋼-混組合梁橋的方案比選、結構設計和整體計算進行了分析和總結。

一、橋型方案比選

本工程為某高速公路橋梁，橋梁結構形式采用鋼板組合梁橋，基本跨徑為35m，4跨一聯，每聯兩端設置伸縮縫。本橋為直橋，設置2%的橫坡和0.3%的縱坡。橋梁寬度為12.25m，分幅布置，為雙向四車道，外側設3m的路肩。設計時速為80～120公里/小時。

根據對鋼板組合梁橋常見類型和已有設計方案的調研，提出了三個初步方案如表2。

對不同方案結果表明：不同的主梁形式，雙主梁結構性能較好，施工方便，鋼梁制造費用低，經濟性更優，管養工作量較小，選擇雙主梁。不同的橫梁形式，非支承橫梁在主梁間距較大時橫向受力較不利，但對橋面板施加橫向預應力后能達到較好的受力性能，且現場連接方便、施工快速，經濟性和管養情況也更優，選擇非支承橫梁。不同的橋面板形式，全寬預制橋面板受力性能好，橫向預應力束可提前張拉，現場工作量少，施工快速，經濟性上兩種橋面板基本相當，但全寬預制橋面板的整體性和水密性好，管養壓力較小，選擇全寬預制橋面板。

綜合結構受力性能、施工便利性、經濟性和管養要求的比較結果，最終選擇方案三——主梁采用雙工字鋼板組合梁，橫梁采用非支撐橫梁，橋面板采用全寬預制混凝土橋面板。

二、鋼-混組合梁結構設計

（一）結構設計

本橋的標準斷面構造見圖1。主梁高度是鋼板組合梁橋最為重要的設計參數，對橋梁的強度、剛度等主要性能起決定作用。在30～50m跨徑范圍內，主梁高跨比大約在1/27～1/18之間，本橋跨徑為35m，鋼主梁梁高定為1750mm，總梁高為2150mm。

主梁的腹板首先要滿足抗剪的強度設計要求，其次需要考慮結構的屈曲穩定性要求。本橋腹板高厚比控制在120以內，跨中腹板厚度取為18～20mm，支點附近加厚到28mm。翼緣板是主梁抗彎受力的關鍵部件，除滿足強度條件外，還要滿足穩定要求。本橋上翼緣板寬取為800mm，下翼緣板寬取為960mm，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》中規定，受壓翼緣寬厚比不大于12，受拉翼緣寬厚比不大于16。

本橋僅設置豎向加勁肋，間距2.3～2.4m設置一道，在中支點和端支點處加設2道。為方便鋼主梁的加工制作，加勁肋尺寸統一，厚度均為16mm，跨中寬度為280mm，在橫梁處為方便連接，加寬至350mm。在懸臂部分剛度、強度滿足時，主梁間距主要考慮橋面板橫向受力均勻，根據國內幾座鋼板組合梁橋的設計經驗，本橋的主梁間距定為6.75m，兩端懸臂長度為2.65m，組合梁總寬度為12.05m。

非支撐橫梁的鋼板組合梁橋橋面板橫向受力近似于雙懸臂梁，橋面板橫向采取變厚度的設計，懸臂部分厚度為240mm，跨中部分厚度為270mm，與鋼主梁連接端部為400mm，并設置1000mm的變厚度區。

（二）施工方法設計

連續梁對于小跨徑鋼板組合梁橋，一般的施工方法有整體吊裝法和頂推法，本橋采用架橋機逐孔架設的施工方法。

主要施工步驟可按照如下方案執行：1、基礎、橋墩施工完畢;2、搭設第一聯1～2跨支架，吊裝基礎跨鋼梁并連接，拼裝架橋機，同時預制橋面板，加工鋼板梁節段;3、拆除基礎跨支架，安裝預制橋面板，一次性澆筑基礎跨現澆混凝土（不包含墩頂濕接縫）;4、架橋機移至下一孔，在基礎跨上拼裝鋼梁;5、鋼梁下放到位后，連接鋼梁，用運梁車將預制橋面板運送到位，安裝橋面板，一次性完成該跨現澆混凝土澆筑;6、依次類推重復步驟四和步驟五，完成全聯上部結構施工，一次性張拉全聯未張拉的橫向預應力;7、鋪設防水層及橋面鋪裝，完成附屬設施安裝。

三、鋼-混組合梁結構性能分析

結構受力分析可按線彈性理論進行分析。整體計算采用MIDASCIVIL2018進行有限元分析。橋面板采用實體單元，鋼主梁上下翼緣采用梁單元，腹板采用板單元。

承載能力極限狀態驗算包括組合梁的抗彎承載能力驗算、抗剪承載能力驗算、整體和局部穩定性驗算。荷載采用基本組合，采用如下的組合系數：1.2恒載+1.4汽車+1.05體系升/降溫+1.05梯度升/降溫+1.0支座沉降。

從鋼梁最不利工況應力包絡云圖可得知，鋼主梁上下翼緣均滿足設計要求。最大應力出現在邊跨0.4L處及中支點處。在翼緣變厚處存在應力突變。從腹板豎向剪應力計算結果可知，最大豎向剪力發生在支座位置處，且均滿足抗剪設計強度。

正常使用階段驗算使用頻遇組合與準永久組合。荷載組合系數分別為，頻遇組合：1.0恒載+0.7移動荷載+1.0支座沉降+1.0收縮徐變+1.0整體溫度+0.8梯度溫度，準永久組合：1.0恒載+0.4移動荷載+1.0支座沉降+1.0收縮徐變+1.0整體溫度+0.8梯度溫度。

從計算結果可知，最大撓度為2.5cm，考慮截面滑移影響，撓度應該修正為2.5×1.15=2.88cm，小于允許值l/500=3500/500=7cm。按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》6.4.3條與《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》7.5.2條規定計算混凝土橋面板的最大裂縫寬度為0.12mm。

四、結語

以某4×35m鋼板組合梁橋的方案比選、結構設計為例，總結了中小跨徑鋼板組合梁橋的設計要點。通過結構受力分析證明組合梁橋受力合理，結構尺寸擬定合適，材料較為經濟。綜合來看，鋼板組合梁橋的結構受力性能較好，便于工業化建設，有較好的應用前景。

參考文獻：

[1] 劉玉擎. 組合結構橋梁[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[2] 劉玉擎. 組合結構橋梁的發展與展望[A]. 中國公路學會橋梁和結構工程分會、杭州灣大橋工程指揮部.中國公路學會橋梁和結構工程分會2005年全國橋梁學術會議論文集[C].中國公路學會橋梁和結構工程分會、杭州灣大橋工程指揮部：，2005：7.

[3] 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.