鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)及性能分析

摘要 鋼混組合梁橋主要由型鋼與混凝土聯(lián)合受力，使兩者的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，具有良好的抗彎和抗扭性，且跨越能力強(qiáng)，屬于當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。基于此，文章以某項(xiàng)目鋼混組合箱梁橋設(shè)計(jì)為案例，論述了鋼混組合梁橋的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分析了該橋梁的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力性能研究，具體包括剪力釘不同的布置方式、負(fù)彎矩區(qū)域內(nèi)鋼筋混凝土橋面板開(kāi)裂以及橋面板不同的施工方法等因素對(duì)其結(jié)構(gòu)受力性能的影響，旨在為該類項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；鋼混組合箱梁橋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；受力性能

中圖分類號(hào) U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0086-03

0 引言

鋼材的質(zhì)地輕、強(qiáng)度高，且具有良好的延展性，施工應(yīng)用效率高。混凝土造價(jià)低、剛度強(qiáng)，且能有效抵抗外部壓力，不容易被腐蝕[1]。鋼混組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，被廣泛應(yīng)用于橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)。鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋和鋼桁組合梁橋等均屬于組合結(jié)構(gòu)類型。該文結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際，將對(duì)鋼混組合箱梁橋設(shè)計(jì)及性能開(kāi)展深入研究。

1 鋼混箱梁橋優(yōu)勢(shì)

（1）橋梁具有良好的承載性，跨越性能高，且造型美觀。相比混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁，該橋梁的截面承載力同樣符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但重量較小，跨越性能也高[2]。

（2）該橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，且具有良好的適用性。相較于普通鋼箱梁結(jié)構(gòu)，其剛度空間更大，有利于提升橋梁的穩(wěn)定性與安全性。

（3）有利于開(kāi)展施工。建造該類橋梁，可在工廠預(yù)制鋼梁和橋面板，之后進(jìn)行架設(shè)和拼裝連接完成鋼箱組合梁橋。該方法可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化流程作業(yè)，具有較高的靈活性，有利于加快工程建設(shè)速度，且不會(huì)對(duì)路面交通產(chǎn)生較大影響，因此可廣泛應(yīng)用于橋梁項(xiàng)目建設(shè)。

（4）地震等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)其影響較小，建造費(fèi)用較全鋼箱梁橋低。該類橋梁結(jié)構(gòu)的整體重量較小，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，因橋梁的荷載相對(duì)較小，因此不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響，橋梁質(zhì)地較輕，可直接采用吊裝方案安裝，施工過(guò)程中不需要支架，鋼混組合梁用鋼量較普通鋼箱梁較少，有利于降低建設(shè)成本[3]。

2 總體設(shè)計(jì)及主要技術(shù)特點(diǎn)

某上跨橋長(zhǎng)度為118 m，跨徑組合為（30+50+30）m，汽車荷載設(shè)計(jì)為公路－Ⅰ級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6度，橋梁設(shè)計(jì)為2車道。寬度9 m。設(shè)計(jì)該橋梁需運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，確保橋梁具有較高的可靠性，建造成本低且與附近環(huán)境協(xié)調(diào)一致，并要求施工建設(shè)過(guò)程中不對(duì)路面人車通行產(chǎn)生影響，由此選定鋼混組合梁結(jié)構(gòu)體系。建設(shè)過(guò)程中，在工廠預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)及橋面板，之后吊裝運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝架設(shè)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)之間、鋼結(jié)構(gòu)與橋面板之間的拼接，拼接完成后再施工橋面板后澆帶及護(hù)欄等附屬結(jié)構(gòu)[4]。

該橋梁的設(shè)計(jì)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）整座橋梁的結(jié)構(gòu)為大跨徑鋼混組合箱型橋梁，所用橋面板預(yù)制而成。

（2）橋梁屬于單箱單室雙主梁鋼混組合箱梁斷面。

（3）橋梁翼板受力均衡，采用了懸臂結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度為0.8 m。

（4）上部結(jié)構(gòu)施工方便快捷，各箱梁之間通過(guò)小橫梁連接，有利于提升施工效率。

（5）為防止橋面板產(chǎn)生較大的裂縫，采用了鋼纖維混凝土建造橋面板現(xiàn)澆帶。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）鋼主梁采用單箱單室雙主梁斷面，橋?qū)?.0 m，主梁箱寬2.0 m，箱室間通過(guò)橫梁連接。主梁縱向采用等高布置。單側(cè)主梁箱室中心線位置現(xiàn)澆橋面板頂面至鋼梁底板頂面梁高2.5 m。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)縱向間距3.0 m。兩側(cè)防撞護(hù)欄范圍內(nèi)采用鋼懸臂隔板構(gòu)造，懸臂寬度0.8 m。

（2）鋼箱底板設(shè)置板式加勁肋，加勁肋規(guī)格為20×230 mm/30×350 mm，橫向間距500 mm。鋼箱頂板設(shè)置板式加勁肋，加勁肋規(guī)格為16×180 mm，橫向間距500 mm。鋼箱腹板縱向加勁肋采用板式加勁肋，加勁肋規(guī)格為12×140 mm，根據(jù)腹板穩(wěn)定需要設(shè)置位置。腹板在每?jī)傻栏舭逯虚g設(shè)置一道豎向加勁肋，加勁肋規(guī)格為16×180 mm；橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3.0 m，根據(jù)受力及構(gòu)造要求設(shè)置相應(yīng)加勁肋。縱梁間橫梁采用工字型斷面，通過(guò)栓焊結(jié)合的方式與縱梁連接。中間高橫梁全高1.8 m，中間低橫梁全高0.55 m，支座橫梁標(biāo)準(zhǔn)全高1.8 m。

（3）橋面板主要采用預(yù)制的形式。其預(yù)制混凝土板和橋面板現(xiàn)澆部分混凝土分別采用C40混凝土和C40微膨脹混凝土[5]。預(yù)制橋面板在剪力釘所在的位置挖空形成預(yù)留槽。

（4）鋼梁主體結(jié)構(gòu)用鋼采用Q355D材質(zhì)。

（5）橋面鋪裝采用防水層+10 cm瀝青混凝土鋪裝層。

4 結(jié)構(gòu)受力性能研究

4.1 計(jì)算結(jié)果

（1）施工階段驗(yàn)算：鋼箱上翼緣最大拉應(yīng)力55.3 MPa；鋼箱梁下緣最大拉應(yīng)力為67.8 MPa。施工階段鋼梁最大應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值，滿足要求。

（2）抗彎承載力驗(yàn)算：在基本組合作用下鋼梁下緣最大壓應(yīng)力200.1 MPa，鋼梁下緣最大拉應(yīng)力142.1 MPa，鋼主梁抗彎承載力滿足要求。

（3）組合梁抗剪承載力驗(yàn)算：基本組合下支點(diǎn)剪切應(yīng)力100.2 MPa，鋼主梁抗剪承載力滿足要求[6]。

（4）汽車荷載最大撓度：跨中最大撓度19.5 mm＜100 mm（l/500），滿足要求。

（5）橋面板裂縫寬度：0.126 mm＜0.2 mm，滿足要求。

（6）橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)：k= 9.46＞2.5滿足規(guī)范。

4.2 剪力釘?shù)挠绊?/p>

不同剪力釘布置形式對(duì)組合鋼混梁力學(xué)特性的影響。見(jiàn)圖2。

（1）剪力釘布置形式的改變，會(huì)對(duì)組合梁支點(diǎn)的受力有很大影響。若使用普通剪力釘孔群，則橋面板承受最小的軸力。

（2）采用不同方式布置剪力釘，對(duì)支點(diǎn)鋼箱梁的上緣應(yīng)力影響較大。若選用滿布普通剪力釘，則會(huì)產(chǎn)生最小應(yīng)力。

（3）支點(diǎn)混凝土橋面板應(yīng)力，也受其布置方式的影響。若選用滿布普通剪力釘，則橋面板產(chǎn)生最大拉應(yīng)力；若選用抗拔不抗剪剪力釘，則橋面板產(chǎn)生最小的拉應(yīng)力，而跨中混凝土橋面板及鋼箱梁的應(yīng)力受其影響并不明顯。

4.3 橋面板開(kāi)裂的影響

在計(jì)算截面抗彎剛度時(shí)，需要重點(diǎn)考慮組合梁中若有負(fù)彎矩區(qū)混凝土開(kāi)裂情況，確保橋梁設(shè)計(jì)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。針對(duì)混凝土開(kāi)裂對(duì)橋梁受力性能的影響，開(kāi)展了全面分析，見(jiàn)圖3。其分析結(jié)果如下：

（1）組合梁內(nèi)力分配情況會(huì)受到負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板開(kāi)裂的影響，跨中彎矩會(huì)增加12%左右，中支點(diǎn)彎矩會(huì)下降10%左右。

（2）中支點(diǎn)鋼箱梁上緣應(yīng)力受其影響較為明顯，會(huì)大幅上升93%左右，相比之下，對(duì)下緣應(yīng)力值并無(wú)較大影響，上升幅度僅為6%左右，跨中鋼箱梁應(yīng)力也未大幅改變。

（3）跨中橋面板混凝土的應(yīng)力值沒(méi)有隨著混凝土的開(kāi)裂而出現(xiàn)明顯改變，而對(duì)中支點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力值的改變較為明顯，其應(yīng)力值翻了一倍。

4.4 橋面板制作方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響

橋面板有預(yù)制和現(xiàn)澆兩種制作方式，兩者對(duì)組合梁內(nèi)力有不同的影響[8]，對(duì)此開(kāi)展具體分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖4。項(xiàng)目施工過(guò)程中，使用預(yù)制板有利于提高施工質(zhì)量，且具有良好的外觀造型，但是預(yù)制板接頭部位容易出現(xiàn)各種病害問(wèn)題[9]。所以，制作橋梁所需的橋面板，需要根據(jù)項(xiàng)目工期、建造成本、場(chǎng)地附近環(huán)境、交通影響程度、施工方水平等多項(xiàng)因素，綜合確定其最適宜的制作方式。

5 結(jié)論

綜上所述，建設(shè)該橋梁項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）跨越性能高，受力均勻，有利于提高外形美觀度，能滿足各種復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的橋梁建設(shè)需求[10]。

（2）使用預(yù)制鋼梁和橋面板，在工廠預(yù)制，能節(jié)約建設(shè)用地，減少施工量，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大影響。

（3）通過(guò)設(shè)置支座豎向預(yù)位移，并用鋼纖維混凝土澆筑橋面板現(xiàn)澆帶，有利于防止橋面板出現(xiàn)裂縫。

鋼混組合梁的受力性能受橋面板負(fù)彎矩區(qū)混凝土開(kāi)裂、各種剪力釘布置方式的顯著影響，對(duì)此需高度重視。橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮多方面因素，選擇最佳形式。

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