鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)優(yōu)化研究與工程建設(shè)應(yīng)用

高夢(mèng)起，郭院成，王世博，廖崇慶

［1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001；2.鄭州城建集團(tuán)投資有限公司，河南 鄭州450001；3.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］

0 引 言

鋼-混凝土組合梁作為橋梁工程中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究[1-5]。大量研究結(jié)果顯示[6-7]，在同負(fù)彎矩作用下，預(yù)制板組合梁混凝土板開(kāi)裂較早，裂縫發(fā)展主要集中在跨中濕接縫處，寬度較大；疊合組合梁裂縫出現(xiàn)晚，后期裂縫發(fā)展受到板內(nèi)鋼筋的限制，寬度較小。預(yù)制板組合梁混凝土翼板開(kāi)裂之后，板內(nèi)鋼筋不能有效限制裂縫的發(fā)展，造成橋梁截面剛度顯著下降；再者，預(yù)制板組合梁在濕接縫新舊混凝土結(jié)合面處出現(xiàn)縱向開(kāi)裂現(xiàn)象，鋼梁下翼緣較早進(jìn)入屈服狀態(tài)，極限承載能力低于疊合板組合梁。

本項(xiàng)目運(yùn)用組合梁技術(shù)，將鄭州市東三環(huán)快速化工程跨育翔路預(yù)制板組合梁設(shè)計(jì)方案改為疊合板組合梁橋面體系，不僅充分利用了鋼梁與混凝土的組合優(yōu)勢(shì)作用，更提升了橋梁結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、美觀(guān)等綜合性能。

1 工程方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 工程概況

鄭州市東三環(huán)快速化工程跨育翔路橋?yàn)榭鐝?5 m 預(yù)制板簡(jiǎn)支組合梁橋，全寬32.5 m，縱梁8個(gè)，梁高2.80 m，高跨比1/19.6，橫橋向?yàn)? 個(gè)單室鋼-混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)，用鋼量451.4 kg/m2，總用鋼量801.9 t。

1.2 總體優(yōu)化方案

（1）將預(yù)制板加濕接縫的構(gòu)造方案修改為疊合板組合梁橋面系，先鋪設(shè)預(yù)制板，然后綁扎橋面板頂層鋼筋，再澆筑混凝土，無(wú)需模板腳手架，施工方便，橋面整體耐久性好。

（2）取消原方案腹板縱向加勁肋，原中和軸的位置布置加勁肋不變。

（3）橫向聯(lián)系等用鋼量較大，簡(jiǎn)化原方案橫向聯(lián)系梁構(gòu)造，采用工字鋼，加大橫向聯(lián)系間距，優(yōu)化后格子梁剛度富裕度仍然很大。

（4）外側(cè)腹板保留斜腹板設(shè)計(jì)，改中間箱梁斜腹板為直腹板，實(shí)現(xiàn)景觀(guān)效果和節(jié)約用鋼量。

（5）調(diào)整主梁腹板橫向間距相等，優(yōu)化橋面板橫向受力，全橋預(yù)制板統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺寸加工。

（6）節(jié)段采用高強(qiáng)螺栓拼接，方便施工。

按照上述優(yōu)化方案，可實(shí)現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)高度17.3%，減少構(gòu)造用鋼量20.2%，且施工方便，橋梁后期維護(hù)費(fèi)用降低。

優(yōu)化后的橋梁橫向布置見(jiàn)圖1，優(yōu)化后的邊梁、中梁截面見(jiàn)圖2，優(yōu)化后的鋼梁平面見(jiàn)圖3。

1.3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.3.1 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)行橋梁相關(guān)規(guī)范，采用Midas/Civil 軟件建立桿系有限元模型（見(jiàn)圖4），混凝土板及鋼主梁采用雙單元共節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。

圖1 優(yōu)化后的橋梁橫向布置（單位: mm）

圖2 優(yōu)化后的邊梁、中梁截面（單位: mm）

圖3 優(yōu)化后的鋼梁平面（單位: mm）

為簡(jiǎn)化計(jì)算分析過(guò)程，采用如下假定：（1）鋼材與混凝土均視為理想線(xiàn)彈性材料；（2）忽略混凝土板與鋼主梁之間的滑移作用，兩者視為剛性黏結(jié)；（3）橋面混凝土有效寬度不折減，假設(shè)全橋?qū)拝⑴c工作；（4）不考慮橋梁縱坡及橫坡影響和加勁肋的有利影響。

模型計(jì)算時(shí)只考慮不利載荷作用下的邊梁和倒數(shù)第2 根梁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中梁）。計(jì)算車(chē)道載荷時(shí)，利用修正偏心壓力法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算端部護(hù)欄載荷時(shí)，先采用偏心壓力法計(jì)算橫向分布系數(shù)，再根據(jù)橫向分布系數(shù)計(jì)算出護(hù)欄載荷。

考慮箱梁在活載偏載下的翹曲正應(yīng)力，取偏載系數(shù)為1.15。材料采用Q345qD 級(jí)鋼材和C50 混凝土。

1.3.2 模型驗(yàn)算

考慮最不利工況的組合，采用標(biāo)準(zhǔn)組合（恒載+收縮+ 徐變+ 車(chē)道荷載+ 溫度荷載）加載。

邊梁抗彎驗(yàn)算：簡(jiǎn)支組合梁下翼緣最不利應(yīng)力為162 MPa，混凝土最不利壓應(yīng)力為-14.2 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如圖5 所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合荷載下鋼梁上翼緣、下翼緣、混凝土頂面應(yīng)力

中梁抗彎驗(yàn)算：簡(jiǎn)支組合梁最不利應(yīng)力為165 MPa，混凝土最不利壓應(yīng)力為-13.8 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

主梁變形驗(yàn)算：汽車(chē)荷載作用下，邊梁撓度39.3 mm，撓度/跨度為1/1399；中梁撓度為36.6 mm，撓度/ 跨度為1/1503，撓跨比均小于1/500，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 成橋靜力荷載試驗(yàn)

鄭州市東三環(huán)跨育翔路組合梁橋按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案建設(shè)完成后，在靜力荷載作用下，量測(cè)橋梁變形數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)橋梁是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和合理性。

2.1 加載方案

本試驗(yàn)采用6 輛毛重均為350 kN 的自卸汽車(chē)對(duì)橋梁進(jìn)行靜力加載（見(jiàn)圖6）。試驗(yàn)過(guò)程共分6 種工況進(jìn)行加載，先逐級(jí)加載至公路-I 級(jí)荷載水平（工況3），再逐級(jí)卸載，工況6 無(wú)荷載。工況3 對(duì)應(yīng)最大加載效率，加載效率為1.08。

圖6 靜載試驗(yàn)工況加載

2.2 位移量測(cè)方案

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)選取各箱室橋面板中心位置，測(cè)試6種工況下橋梁的撓度值，位移測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。試驗(yàn)時(shí)橋梁右幅已經(jīng)通車(chē)，只在橋梁右幅布置沉降儀，所以1～3 號(hào)測(cè)點(diǎn)采用高精度的沉降測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，4～8 號(hào)測(cè)點(diǎn)均采用精度較低的水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。現(xiàn)場(chǎng)位移量測(cè)照片見(jiàn)圖8。

2.3 有限元計(jì)算分析及與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

再次建立有限元模型，分析疊合梁橋上部結(jié)構(gòu)變形及受力狀況，在同工況荷載下，進(jìn)行有限元數(shù)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比，評(píng)估該橋成橋后承載力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 位移測(cè)點(diǎn)布置

圖8 現(xiàn)場(chǎng)位移量測(cè)

最不利荷載偏心荷載作用下的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9 可見(jiàn)，簡(jiǎn)支組合結(jié)構(gòu)在邊梁跨中處撓度最大，并向支座及中梁方向減小；結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊梁跨中處，與撓度值呈現(xiàn)相似的分布規(guī)律。在最大加載效率下（工況3）結(jié)構(gòu)最大撓度值為17 mm，最大撓跨比為1/3235，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值1/400；最大壓拉應(yīng)力值為24.68 MPa，最大壓應(yīng)力值為50.16 MPa，遠(yuǎn)小于Q345 鋼材應(yīng)力設(shè)計(jì)值。

圖9 荷載工況3 下的有限元計(jì)算結(jié)果

對(duì)比結(jié)果顯示（見(jiàn)圖10），各加載工況下有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)撓度值的變化規(guī)律基本保持一致。沉降儀測(cè)量的測(cè)點(diǎn)1～3 的有限元數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。測(cè)點(diǎn)4～8 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小于有限元數(shù)值，這是由于橋梁在該位置的自身?yè)隙容^小，橋梁右幅通行車(chē)輛對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有擾動(dòng)，造成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的精度偏差。顯然，橋梁結(jié)構(gòu)性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）將組合梁技術(shù)應(yīng)用于市政快速路大跨徑橋梁工程建設(shè)實(shí)踐中，充分發(fā)揮了鋼梁和混凝土板的組合性能優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高度降低17.3%，用鋼量降低20.2%，且施工方便，工程建設(shè)造價(jià)降低。

（2）優(yōu)化方案在最不利工況荷載下，有限元模型驗(yàn)算的邊梁抗彎最不利應(yīng)力為162 MPa，混凝土最不利壓應(yīng)力為-14.2 MPa；中梁抗彎最不利應(yīng)力為165 MPa，混凝土最不利壓應(yīng)力為-13.8 MPa；邊梁撓度39.3 mm，撓跨比為1/1399，中梁撓度36.6 mm，撓跨比為1/1503，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖10 荷載工況3、4 下有限元計(jì)算值與靜載試驗(yàn)撓度對(duì)比

（3）進(jìn)行6 種荷載工況下的成橋靜力載荷試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：實(shí)測(cè)撓度值與有限元計(jì)算值的變化規(guī)律基本保持一致；在公路-I 級(jí)荷載水平下（工況3），結(jié)構(gòu)最大撓度值為17 mm，最大撓跨比為1/3235，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值1/400；最大壓拉應(yīng)力值為24.68 MPa，最大壓應(yīng)力值為50.16 MPa，遠(yuǎn)小于Q345 鋼材應(yīng)力設(shè)計(jì)值。因此，橋梁結(jié)構(gòu)性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）疊合板組合梁設(shè)計(jì)優(yōu)化方案科學(xué)、合理，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)高性能組合梁技術(shù)完善和工程建設(shè)進(jìn)一步應(yīng)用有重要意義。