雙主梁鋼板組合梁通用圖開發研究

夏飛龍　田帥帥　李輝　王林凱

摘要 鋼混組合結構能夠充分發揮鋼結構抗拉性能和混凝土抗壓性能且施工便捷，雙主梁鋼板組合梁橋結構簡潔、經濟性好，是法國和日本中小跨徑橋梁的主流結構形式。文章系統地闡述了雙主梁鋼板組合梁通用圖開發過程，對雙主梁鋼板組合梁的主要結構尺寸進行了對比研究，并給出了通用圖的建議尺寸。根據建議尺寸開展了結構靜力驗算，計算表明結構有一定的安全儲備。通過經濟指標分析，雙主梁鋼板組合梁經濟指標低，有較大的推廣應用價值。

關鍵詞 組合結構；鋼板組合梁；通用圖；工字梁；橋面板

中圖分類號 U448.21文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0052-05

0 引言

鋼混組合結構能夠充分發揮鋼結構抗拉性能和混凝土抗壓性能，結構設計、施工、維修更趨合理并具有全壽命經濟性。混凝土結構作為橋面板可以克服鋼構件的疲勞和防腐問題，鋼結構作為主受力構件可以有效提高橋梁的使用壽命。加之組合結構重量輕、架設方便、施工速度快，鋼梁為工廠標準化生產，質量可控、橋面板構造簡單、預制方便。

在美國、歐洲、日本等國的橋梁建設中，組合結構橋梁占有重要地位。20世紀80年代后，國外對傳統的組合梁結構形式進行大量研究和探索，開發經濟耐久的雙主梁鋼板組合梁橋，并逐步成為法國和日本中小跨徑橋梁的主流結構形式。大量的國外經驗表明組合梁結構是實現工業化橋梁建造的理想橋型[1-2]。

為響應《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》（交公路發〔2016〕115號）《關于開展公路鋼結構橋梁典型示范工程建設的通知》（交辦公路函〔2017〕708號）的要求，加快推進公路鋼結構橋梁建設，促進公路建設轉型升級，加快組合結構標準化，開發雙主梁鋼板組合梁通用圖勢在必行。

1 開發原則和內容

開發原則為最大限度實現橋梁各構件的標準化設計、工廠化生產、裝配化施工。充分吸取國外鋼混組合橋梁設計、建造及養護經驗，結合已有實踐經驗，合理地優化雙主梁鋼板組合梁設計。強化鋼結構構造設計，降低制造成本和裝配難度，提高結構可靠性及可施工性。

開發內容主要為30 m+（1～4）×30 m+30 m、35 m+（1～4）×35 m+35 m、40 m+（1～4）×40 m+40 m一聯雙向四車道正交雙主梁鋼板組合梁橋上部結構的通用圖設計，具體內容主要包括：標準橫斷面圖、縱梁構造圖、橫梁構造圖、橋面板一般構造、施工流程圖、支座等構造設計。

2 總體尺寸擬定

2.1 橫斷面

根據《公路工程技術標準》確定路基寬度26 m對應的橋梁寬度如圖1所示[3]。

2.2 工字鋼梁高度

法國雙主梁鋼板組合梁梁高h約為L/22～L/28，法國雙主梁鋼板組合梁為了降低路基填土高度，采用低梁高厚板，S355鋼允許最大使用板厚為150 mm，S460鋼允許最大使用板厚為120 mm。

日本雙主梁鋼板組合梁鋼梁高h約為L/14～L/20。雙主梁鋼板組合梁通用圖取鋼梁高h約為跨徑的1/20[4-5]。根據現有橋梁設計經驗結合國內鋼橋鋼板使用厚度情況擬定通用圖鋼梁高度為X/19*（LT/12）0.45。結構標準橫斷面如圖2所示，梁高取值如表1所示。

2.3 鋼梁上、下翼緣寬度

法國《設計指南》建議下翼緣寬度為（0.25+ LT/40+X/125）*（0.92+LT/150）。日本《靜岡縣橋梁設計要領》建議為鋼梁高度的1/3～1/5。法國采用低梁高寬翼緣厚板的設計習慣，日本由于在受力較大位置采用高強鋼降低翼緣寬度和厚度。該冊通用圖按照國內設計習慣采用了普通Q345qD鋼，受力較大位置未采用高強鋼，翼緣寬度取值與法國設計指南接近。通用圖擬定的上、下翼緣寬度如表2所示。

2.4 縱、橫梁間距

瑞士雙主梁鋼板組合梁的雙主梁間距L約為橋寬的0.5～0.55倍，法國設計指南規定雙主梁間距L約為橋寬的0.55倍，統計日本現有雙主梁鋼板組合梁雙主梁間距L約為橋寬的0.5～0.6倍。通用圖雙主梁間距約為橋寬的0.536倍[6]。通用圖擬定的縱梁間距如表3所示。

法國雙主梁鋼板組合梁橫梁等間距布置，間距為6～8 m。有時候需要在支點附近減小小橫梁間距以防止負彎矩主梁下翼緣受壓而發生側扭失穩[7]。

日本雙主梁鋼板組合梁跨中橫梁間距大多不超過10 m，中支點附近變為下翼緣受壓，橫梁間距宜為跨中的1/2且不超過6 m。

通用圖橫梁間距設置原則：跨中橫梁間距為6～8 m，中支點附近為了避免腹板的扭轉失穩，橫梁間距宜為跨中的1/2且不超過6 m，橫梁間距如表4所示。

2.5 橫梁高度及連接形式

統計日本已建雙主梁鋼板組合梁橋40 m跨徑的小橫梁高度為600～700 mm，端橫梁高度多采用與主梁同高。《法國設計指南》建議：小橫梁高度為400～700 mm，大橫梁高度為600～1 400 mm。通用圖橫梁高度如表5所示。

橫梁連接形式主要有栓接、焊接兩種形式。栓接：連接構造抗疲勞性能好、用鋼量較大、精度要求高。焊接：用鋼量小、T形焊縫現場焊接質量控制難度大、連接位置精度要求不高、縱梁長度有調整空間。

2.6 豎向加勁肋設置

日本雙主梁鋼板組合梁鋼梁腹板加勁間距＜1.5 m，跨中剪力較小腹板加勁間距＜3 m。

歐洲雙主梁鋼板組合梁鋼梁腹板僅在橫梁連接位置設置豎向加勁肋，其他位置均不設。

《鋼-混組合橋梁設計規范》明確規定了腹板豎向加勁肋的間距不得大于腹板高度hw的1.5倍，僅設置豎向加勁肋時，其間距應滿足a<950tw/sqrt（τ），且不應大于2 m。

2.7 橋面板構造尺寸

厚度沿縱向不變，橫向跨中25 cm，和翼端22 cm，支點40 cm。寬度：16.75 m，配橫向預應力。

梁端橋面板對應大橫梁上翼緣，厚度加大為40 cm，與支點處等厚，以滿足伸縮縫安裝要求及抵抗重車沖擊[8]。

如圖3所示預制節段分3類，3 m標準段、3.2 m端部段、2.5標準段（調整板）。橫向預應力結構，縱向普通混凝土結構。橋面板全寬預制，50 cm濕接縫，環形鋼筋搭接。普通鋼筋橫向、縱向分區段布置，群釘方案。

國內汽運寬度限制：通常限制在3.8 m以下，最大寬度不能超過4.5 m，施工臨時便道寬度一般為4 m左右。橋面板預制寬度為3 m，含兩端環筋寬度為3.8 m，并使用預制寬度為2.5 m作為調整。采用預留槽的形式，預留槽的尺寸約50～80 cm，中心距為1.2～1.5 m，剪力釘間距可達10 cm。

如圖4所示橋面板內設15.2-4橫向預應力，間距50 cm，圓弧形扁錨。

2.8 橋面板板厚

歐洲雙主梁鋼板組合梁橋面板懸臂端部≥240 mm，懸臂根部≥300 mm，跨中≥250 mm。日本《道橋示方書》也明確規定了橋面板的最小厚度。

通用圖橋面板厚度取值原則為跨中板厚為縱梁間距的1/25～1/30，懸臂根部厚度為懸臂長度的1/7，懸臂端部厚度為20～22 cm，加腋長度為縱梁間距的1/4～1/5，橋面板板厚取值如表6所示。

3 結構計算分析

3.1 計算模型

采用Midas軟件建立梁格分析模型，考慮混凝土橋面板的有效寬度和負彎矩橋面板開裂[8]。

3.2 計算結果

3.2.1 短暫狀況應力驗算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》GB 50917—2013第4.4.3條鋼梁應力不應大于80%，強度設計值0.8fd=0.8×270=216 MPa（板厚0～40 mm），0.8fd=0.8×260=208 MPa（板厚40～63 mm）。如表7所示，三種跨徑鋼梁短暫狀況上、下緣最大應力值的應力均滿足規范要求。

3.2.2 持久狀況應力驗算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》GB 50917—2013第4.4.2條鋼結構應力不應大于75%，強度設計值0.75fd=0.8×270=202.5 MPa（板厚0～40 mm），0.75fd=0.8×260=195 MPa（板厚40～63 mm）。如表8所示，三種跨徑鋼梁持久狀況上下緣最大應力值的應力均滿足規范要求。

3.2.3 承載能力極限狀態狀況應力驗算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）4.2.2進行承載能力極限狀態應力驗算，Q345qD鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值：當板厚小于等于40 mm時為270 MPa，當板厚處于40～63 mm時為260 MPa。如表9所示，三種跨徑鋼梁承載能力極限狀態狀況上下緣最大應力值的應力均滿足規范要求。

3.2.4 鋼梁抗剪承載力驗算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）5.2.1條規定驗算抗剪承載力。如表10所示，三種跨徑鋼梁抗剪承載力均滿足規范要求。

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）5.2.2條規定驗算腹板最大折算應力。如表11所示，三種跨徑鋼梁腹板折算應力均滿足規范要求。

3.2.5 橋面板應力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》 （JTG D62—2004）7.2.4條，施工階段鋼筋混凝土受彎構件混凝土邊緣壓應力需滿足：

JTG D62—2004 7.1.5條規定，成橋階段混凝土邊緣壓應力需滿足：

如表12所示，三種跨徑橋面板壓應力均滿足規范要求。

3.2.6 負彎矩區混凝土裂縫寬度驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）第6.3.4條規定矩形截面鋼筋混凝土構件最大裂縫寬度Wfk可按下列公式計算：

式中，鋼筋表面形狀系數C1=1.0。

作用長期效應影響系數：

式中，Nl和Ns分別為按作用長期效應組合和短期效應組合計算的彎矩。

如表13所示，三種跨徑橋面板裂縫寬度均滿足規范要求。

4 經濟指標

通過材料指標分析鋼板組合梁橋的經濟性，相關材料用量指標如表14所示。

通過指標分析可得出結構安全系約為1.3的情況下，鋼板指標約為4.5×L kg/m2，鋼絞線用量約為9 kg/m2，混凝土用量約為0.3 m3/m2，鋼筋用量約為120 kg/m2。

5 結語

該文系統地闡述了雙主梁鋼板組合梁通用圖開發過程，對雙主梁鋼板組合梁的主要結構尺寸進行了對比研究，并給出了通用圖的建議尺寸。根據建議尺寸開展了結構靜力驗算，計算表明結構有一定的安全儲備。通過經濟指標分析，雙主梁鋼板組合梁經濟指標低，有較大的推廣應用價值。

參考文獻

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