鋼板組合梁拼寬橋結構受力分析
——以石安公路改造工程項目太平大橋為例

張世忠，許純梅

西南林業大學土木工程學院，云南 昆明 650224

近年來，我國城市交通基礎設施建設步伐較快，城市橋梁建設發展迅猛。新建橋梁的90%均為中小跨徑橋梁，而這些中小跨徑橋梁中，預應力及鋼筋混凝土橋梁占據絕大多數，其工業化程度相對較低，施工時環境較差，施工精度難以得到保證，后期運營中容易出現病害。早在2015年交通運輸部副部長馮正霖在報告中提出要通過發展鋼混組合結構橋梁來進一步解決現有中小跨徑橋梁面臨的病害問題[1]。將鋼結構橋梁，尤其是鋼-混組合結構橋梁應用于國內中小跨徑橋梁上部結構的建造中，將改進現有中小跨徑橋梁的結構形式，具有重大工程應用意義[2]。

1 鋼板組合梁橋特點

1.1 結構方面

鋼板組合梁橋是一種疊層組合結構，將混凝土橋面板與鋼板梁通過剪力連接件組合成整體共同受力，截面慣性矩和抗彎承載力均顯著提高，混凝土橋面板對鋼梁穩定性具有增強作用使得鋼材強度可以充分發揮[3]。

1.2 橋梁加寬方面

（1）鋼-混組合梁剛度高，在活載效應下能為舊橋分擔到較多荷載，從而對舊橋起到卸載作用，整體橋梁的荷載等級得到提高。

（2）鋼-混組合梁自重輕，與舊橋結合后基礎的后期沉降量小，無較大沉降差，能保證新舊橋梁結構之間不會出現結合部位的開裂。同時，鋼梁承擔了大部分恒載，混凝土的徐變變形不大，也有助于減少新舊結構間的變形差[4]。

（3）與混凝土梁加寬方案比，在同樣的截面高度情況下，組合梁受拉區全部為鋼材，相較于全截面混凝土梁承載力得到顯著提高，延性也得到提升。

2 工程背景

石安公路改造工程項目太平大橋節點為蝴蝶形互通立交系統。石安公路上跨的太平大橋處于奧林匹克大道，是一條南北走向的城市主干道，車流量大，交通擁堵，既有道路寬度難以滿足通行需求。因此，需對奧林匹克大道進行拓寬，太平大橋與四條匝道連接部應設置相應的變速車道從而對太平大橋進行拼寬，拼寬后的橋面寬度與奧林匹克大道拓寬后路面寬度一致，工程平面圖如圖1所示。其中，PA、PB拼寬橋位于太平大橋東西兩側，均為變寬的橋面連續鋼板組合梁橋，對其進行結構受力分析時按照簡支體系選取其中一跨即可，故此次選取PA拼寬橋變寬段30m跨作為研究對象。變寬段工字鋼間距按1.5～3.7m控制，懸臂按0.5～1.5m控制。橋面板采用25cm厚現澆C50。

圖1 項目平面圖

鋼筋混凝土板鋼主梁與橋面板間采用剪力釘連接，梁高1.4m，工字梁高度1.15m，工字梁頂板厚20mm，底板厚40～45mm，腹板厚14～20mm，每約5m設置一道中橫梁，梁端部設計端橫梁。1.4m鋼板組合梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 1.4m鋼-混組合梁標準橫斷面（單位：mm）

3 結構受力分析

采用橋梁軟件Midas根據實際梁板位置建立梁格空間有限元模型。計算中考慮結構自重、二期恒載、體系溫度、溫度梯度、混凝土收縮徐變。

3.1 施工階段及運營模擬

計算分析時按以下階段模擬橋梁施工及運營：

（1）工廠預制，現場汽車吊裝安裝鋼梁；

（2）現澆橋面板；

（3）現澆橋面板參與受力，形成組合梁；

（4）施工橋面鋪裝及欄桿附屬工程；

（5）拆除施工中臨時支撐支架；

（6）運營階段，10年收縮徐變。

3.2 計算結果

（1）承載能力極限狀態正應力驗算。鋼梁上下緣最大正應力圖如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，承載能力極限狀態鋼梁上緣正應力為-161MPa，下緣正應力為236MPa，而容許值均為295MPa，承載能力極限狀態鋼板組合梁正應力符合規范要求。

圖3 鋼梁上緣最大正應力圖

圖4 鋼梁下緣最大正應力圖

（2）承載能力極限狀態剪應力驗算。變寬橋剪力包絡圖如圖5所示。正常段腹板板厚14mm，變寬橋腹板加厚至20mm，腹板高度均為1090mm，僅考慮鋼梁腹板抗剪，由上圖可知腹板加厚處最大剪應力為98MPa，支點處為106MPa。腹板采用Q345qD鋼，抗剪設計值為155MPa。因此，承載能力極限狀態鋼梁腹板剪應力滿足規范要求。

圖5 變寬橋剪力包絡圖

4 結束語

文章基于實際工程對一座鋼板組合梁拼寬橋進行了計算分析，結果表明其承載能力極限狀態正應力及剪應力均滿足規范要求。鋼板組合梁橋結構具有材料指標低、工藝比較簡單、質量易控制等優點，是實現標準化、工業化橋梁的理想橋型。目前鋼板組合結構橋梁的應用還不夠廣泛，相信隨著國家的大力推進，鋼板組合梁橋相關設計和施工經驗都會迅速得以發展和豐富。