鋼管混凝土桁架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

葛月珍

（山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司，山東 聊城 252000）

鋼管混凝土（也稱為鋼管套箍混凝土） 是指在鋼管內(nèi)灌填混凝土而形成的組合構(gòu)件，它是借鑒了螺旋箍筋鋼筋混凝土柱中螺旋箍筋對核心區(qū)混凝土的約束作用，并且結(jié)合了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的特征演變而成的。

1 工程概況

某橋梁跨越路基寬度為33.5m 的高速公路，由于該橋跨越交通繁忙的高速公路，橋式應(yīng)具有結(jié)構(gòu)輕盈、橋下視野開闊的特點，同時應(yīng)便于快速建造，綜合考慮，將該橋設(shè)計為PBL 加勁型矩形鋼管混凝土組合桁梁橋。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體布置及支承體系

根據(jù)路塹地形與路基寬度，將該橋跨徑布置為（24+40+24） m，為增加橋梁的通透感，橋梁上、下部均采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。考慮美學(xué)設(shè)計和結(jié)構(gòu)剛度等因素，該橋采用連續(xù)剛構(gòu)體系，從而實現(xiàn)上、下部結(jié)構(gòu)的無縫轉(zhuǎn)換，使上、下部結(jié)構(gòu)力流傳遞順暢，整個橋梁體系的桿件線形即為力流傳遞的軌跡。

2.2 上部結(jié)構(gòu)

該橋上部采用矩形鋼管桁架和混凝土行車道板構(gòu)成的組合桁梁，設(shè)置2 片主桁，主桁采用華倫式桁架，桁高2.5m，桁高與跨徑之比為1/16。桁架體系的采用使得上部結(jié)構(gòu)力流的傳遞形式以軸向力形態(tài)為主，傳力簡單而高效。

組合桁梁共22 個節(jié)間，節(jié)間長度為4m。中支點附近13m 節(jié)段、邊支點附近2.5m 節(jié)段的桁架下弦桿采用300mm×300mm×12mm 的PBL 加勁型矩形鋼管混凝土截面，其余節(jié)段下弦桿采用300mm×300mm×12mm 的帶肋空鋼管截面；腹桿采用300mm×200mm×8mm 的空鋼管截面；上弦采用閉口PBL開孔鋼板連接件。混凝土橋面板通過上弦PBL 開孔鋼板連接件與主桁相連。橋面板按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計，采用C40 微膨脹混凝土，跨中厚度40cm、懸臂端厚度25cm。

2.3 下部結(jié)構(gòu)

橋墩采用與上部結(jié)構(gòu)相匹配的Y 形雙肢矩形鋼管混凝土樹狀橋墩，墩、梁剛接。單肢橋墩采用PBL 加勁型鋼管混凝土截面，截面尺寸400mm×300mm×16mm。雙肢橋墩間橫橋向設(shè)置3 道橫撐，橫撐采用帶肋鋼管，截面尺寸為600mm×300mm×16mm。橋墩下設(shè)菱形承臺，平面尺寸為7.85m（順橋向） ×5.7m（橫橋向），厚2m，基礎(chǔ)采用4 根直徑1.3m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺采用薄壁輕型橋臺，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 負(fù)彎矩區(qū)受力性能優(yōu)化

該橋負(fù)彎矩區(qū)通過對下弦桿采用雙重組合技術(shù)提高鋼管的受壓穩(wěn)定性，即在下弦桿內(nèi)設(shè)置PBL 縱肋并灌注混凝土，形成PBL 加勁型矩形鋼管混凝土構(gòu)件，充分發(fā)揮鋼管混凝土構(gòu)件抗壓能力強的優(yōu)勢。

為驗證雙重組合技術(shù)對改善負(fù)彎矩區(qū)下弦鋼管受壓性能的有效性，對負(fù)彎矩區(qū)采用雙重組合技術(shù)和未采用雙重組合技術(shù)的兩種情況進行有限元分析。分析結(jié)果表明：在最不利荷載組合作用下，未采用雙重組合技術(shù)時下弦桿鋼管的最大應(yīng)力為253.3MPa，采用雙重組合技術(shù)時下弦桿鋼管的最大應(yīng)力為187.7MPa，采用雙重組合技術(shù)后負(fù)彎矩區(qū)下弦鋼管的應(yīng)力降低約26%，有效提高了鋼管的抗屈曲性能。

3.2 節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化

節(jié)點在組合桁梁橋中起著“關(guān)節(jié)”的作用，其將弦桿、腹桿連接形成空間整體受力結(jié)構(gòu)。為達(dá)到結(jié)構(gòu)最終破壞模式為整體失效的設(shè)計意圖，節(jié)點必須具有高承載力。為提高該橋PBL 加勁型矩形鋼管混凝土節(jié)點的承載力，采取主管內(nèi)灌注混凝土和支管與主管同寬兩項優(yōu)化措施。為驗證優(yōu)化措施的有效性，對主管內(nèi)未灌注混凝土與灌注混凝土后的節(jié)點破壞模式進行對比分析，當(dāng)主管未灌注混凝土?xí)r，節(jié)點最典型的失效模式為受壓主管表面塑性失效和側(cè)壁鼓曲；主管內(nèi)灌混凝土后，由于混凝土的局部承壓作用，限制了主管頂板的向內(nèi)凹曲，節(jié)點失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾鞴鼙砻鏇_剪失效，此時節(jié)點破壞由受拉支管承載力決定。對不同支管與主管寬度比β 下節(jié)點的受力性能進行對比分析，當(dāng)β 為0.5 時，應(yīng)力集中區(qū)域局限在受拉支管與主管相接處的主管表面一隅，應(yīng)力擴散效應(yīng)不明顯，受拉支管塑性變形不充分；當(dāng)β 為1.0，即支管與主管同寬時，應(yīng)力集中區(qū)域已由主管表面轉(zhuǎn)移到支管全斷面，整個支管受力均勻且已進入屈服階段，表明隨著支管與主管寬度比的增大，應(yīng)力流通過主管、支管側(cè)板傳遞的比例增加，節(jié)點傳力效率提高，支管協(xié)同受力的能力得以增強。進一步分析不同支管與主管寬度比下受拉支管的荷載～位移曲線，隨著支管與主管寬度比的增大，節(jié)點抗拉剛度呈增加趨勢，相比β 為0.5 的不等寬節(jié)點，β 為1 的等寬節(jié)點極限承載力顯著增加，增幅達(dá)64%。

3.3 連接構(gòu)造優(yōu)化

1） 橋面板與主桁連接構(gòu)造。為保證橋面板與主桁連接可靠，主桁上弦設(shè)計采用閉口PBL 開孔預(yù)埋鋼板連接件，該連接件由2 塊PBL 開孔側(cè)板和1 塊PBL 開孔頂板組成，PBL開孔側(cè)板上方設(shè)置連續(xù)鋸齒狀小凹槽，橋面板橫向鋼筋可穿過PBL 開孔側(cè)板圓孔和鋸齒狀小凹槽；2） 橋墩承臺連接構(gòu)造。為保證從鋼結(jié)構(gòu)橋墩到混凝土基礎(chǔ)的傳力可靠，該橋橋墩與承臺的連接構(gòu)造采用縱、橫向呈方格網(wǎng)絡(luò)集中布置的PBL 開孔鋼板，猶如樹根的根須，深插到承臺中，使鋼結(jié)構(gòu)橋墩與混凝土承臺固結(jié)。

通透的輕型主桁結(jié)構(gòu)、纖細(xì)的Y 形組合橋墩，充分發(fā)揮了各部分的結(jié)構(gòu)功能，最直接地傳遞力流，使整個結(jié)構(gòu)具有很高的傳力效率。矩形鋼管混凝土組合桁梁、組合橋墩的采用使整個橋梁建造用時不到6 個月，充分體現(xiàn)了其預(yù)制化、工業(yè)化和快速建造的特點。可對國內(nèi)工業(yè)化橋梁的大規(guī)模建造提供借鑒。