80m連續鋼桁梁鋼板-混凝土組合橋面板的設計分析

陳 典 汪子涵

（四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司，四川 成都 610093）

0 引言

現代橋梁減輕結構自重是增強跨越能力的重要手段。隨著橋梁技術的發展，尤其對于復雜地質地形條件、抗震需求較高的區域，鋼-混組合結構橋梁得到廣泛應用。

鋼-混組合梁橋的橋面板大致可分為四類：預制混凝土橋面板、鋼-混組合橋面板、疊合混凝土橋面板、現澆混凝土橋面板。鋼-混組合橋面板其自身為鋼混組合結構，包括壓型鋼板混凝土組合橋面板、平板型的組合橋面板等。在組合梁的施工中，普遍采用將鋼梁架設就位，再施工橋面板，利用鋼梁本身作為施工支撐，盡量減少額外的臨時措施，現澆橋面板施工需設置模板，其模板工程量及現場濕作業均較大，施工速度慢，在組合梁橋的設計中幾乎很少采用。疊合混凝土橋面板先鋪設一層較薄的預制板再進行現澆，其施工工序較多，上、下層板的配筋較為復雜。因此，預制橋面板及鋼-混組合橋面板是設計上最常采用的結構形式。

本文以某80m連續鋼桁梁為設計背景，結合其設計環境和結構受力特性，探討鋼-混組合橋面板的應用場景及設計方法，為今后同類型橋梁的建設提供一些參考。

1 工程背景

該橋為山區在建高速公路橋工程，其跨徑為4m×80m連續鋼桁梁，采用的是板桁組合體系（見圖1所示）。該橋的主梁為上承式等高鋼桁梁，橋面板采用鋼-混組合橋面板支撐在鋼桁梁上，承受汽車荷載。上部結構為板桁組合的連續鋼桁梁，下部結構為墩高80～100m的空心薄壁墩。設計荷載：公路－Ⅰ級，基本地震動峰值加速度0.2g，半幅橋寬12.6m。主桁采用三角形桁架，兩片主桁中心間距6.4m，標準桁高4.5m，見圖2所示。

圖1 80m鋼桁組合梁三維示意圖

圖2 橋面板構造圖

橋面系采用鋼板-混凝土組合橋面系，桁架支承體系采用密橫梁體系。鋼混組合橋面板與混凝土橋面板相比提高了抗彎能力，將原來25～30cm 厚的混凝土板變為17cm的組合橋面板，減輕了結構重量，橋墩彎矩減小了12%～18%，對橋梁抗震性能的提高有重要意義。

山區地形陡峭、道路狹窄，與預制橋面板相比，現澆橋面板更有優勢，不受預制場地、運輸條件限制，同時，在現澆時底鋼板既能作為永久性受力構件，又能作為澆筑混凝土的底鋼模，免去了模板的安裝和拆除。

2 設計計算分析

2.1 橋面板設計方法

在設計上橋面板計算的三種結構受力體系是指：橋面板作為主梁上翼緣板參與整體受力，即第一結構體系；橋面板作為主梁中縱、橫格子梁上翼緣板參與局部受力，即第二結構體系；橋面板作為設置在肋上各向同性的連續板，直接承受作用于蓋板上的輪載，即第三結構體系。

第一體系為主梁體系，主要為主梁整體縱向受力，單梁模型可以不用單獨建立橫向支承構件，只計入相應構件的重量即可，不能展現荷載真實的傳力路徑。第二體系及第三體系應靈活判斷，根據橋面板支承條件的相對剛度進行確定。例如鋼箱梁橋面板的第二體系應以橫隔板及腹板作為支承邊界條件，對有縱橫向加勁肋的加勁板進行分析，而第三體系為支承在肋間的蓋板體系。

而對于板桁組合結構，采用空間梁格模型，橋面板已經按縱橫梁布置進行了劃分，所以在有限元模型中，在整體計算時得到的橋面板計算結果已經體現了第一體系與第二體系的疊加效應。本橋中二期恒載及活載由于構造原因，在密橫梁體系中力的傳遞是經過上橫梁，再傳至縱向主桁。所以在局部受力分析時，應進行第三體系的受力計算。

根據鋼-混組合橋面板的受力性能要求，其設計理念大概有三種：不允許出現拉應力、不允許出現裂縫、限制裂縫寬度。橋面板設計早期多采用配置預應力鋼束的方法，但是后張法預應力鋼束一部分會施加在鋼梁上，導致預應力鋼束的使用效率打折，先張法施工又過于復雜，得不償失；另外，混凝土收縮徐變的不確定性、剪力釘滑移等因素導致后續防裂效果不佳。對于橋面板的開裂問題，國內外進行了廣泛研究，目前橋面板主要采用限制裂縫寬度，允許開裂的設計方法。通過控制配筋率及鋼筋應力，讓橋面板按帶裂縫工作的鋼筋混凝土構件設計，既減小了施工難度，又簡化了構造。

2.2 鋼板-混凝土組合橋面板的力學特性

鋼板-混凝土組合橋面板底部設有底鋼板，開孔鋼板作為剪力鍵與底鋼板相焊接，橋面板鋼筋穿孔設置，最后澆筑混凝土形成鋼混組合板件。根據相關文獻，西南交大、西安建筑科技大學對鋼板-混凝土組合橋面板進行了靜載試驗研究，研究表明底鋼板與混凝土之間有可靠的連接，底鋼板能夠充分發揮自身強度，抵抗各個方向的拉應力并避免混凝土裂縫外露。計算時可假設底鋼板與混凝土之間沒有滑移，且忽略混凝土的開裂，截面變形滿足平截面假定，即視為能夠發揮完全作用的彈性板[1-2]。在車輛輪壓等局部作用下，同樣按照支承于鋼主梁上的單向板或雙向板進行計算，在驗算板的抗彎、抗剪承載力，可以將鋼板等效為鋼筋，沿用鋼筋混凝土構件的驗算方法。

2.3 計算結果

采用Midas Civil-2019 建立空間梁格模型。對該橋施工階段和使用階段的主要工況進行了基于桿系模型的整體計算。由于現場施工條件限制，墩高較高，鋼桁梁采用頂推施工。所以本橋分為兩個階段計算：鋼桁梁、橋面板底鋼板、橋面板作為第一階段的荷載由鋼桁梁承受，橋面板在這個階段不受力；橋面鋪裝、護欄、車輛荷載作為第二階段的荷載由鋼桁梁和橋面板共同承受。

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTG∕T D64-01-2015）第5.3.2條規定[3]，鋼混組合梁橋橋面板的有效寬度be可按如下方法計算：

其中beff寬度不應大于混凝土板的實際寬度，Le,i為等效跨徑，按規范要求取值。根據本橋結構鋼桁梁與混凝土板的連接形式，beff＞3.2m，驗算橋面板第一、第二體系受力時，混凝土橋面板全截面有效。第一、二體系橋面板各工況下控制截面應力見表1所示。

表1 第一、二體系橋面板各工況下控制截面應力（MPa）

鋼板-混凝土組合橋面板只有頂面與大氣接觸，構件理論厚度不能按普通混凝土構件計算，根據相關規范及試驗結果，采用鋼纖維混凝土的鋼板-混凝土組合橋面板的計算收縮量為普通混凝土的0.4，徐變系數為普通混凝土的0.5[4]。

通過表1可以得到使用階段橋面板控制截面在主梁體系下的最大應力結果（見表2所示）：邊跨跨中最大壓應力為-4.9MPa，邊跨連續處最大拉應力為6.3MPa，中跨跨中最大壓應力為-4.4MPa，中跨連續處最大拉應力為5.0MPa。橋面板第三體系主要承受車輛輪載，采用有限元軟件將橋面板以板單元模擬。第三體系橋面板板頂和板底應力圖見圖3、圖4所示。

表2 橋面板在各體系下的最大應力（MPa）

圖3 第三體系橋面板板頂應力圖

圖4 第三體系橋面板板底應力圖

車輪荷載作用下，橋面板底部最大拉應力為5.7MPa。當支點處橋面板產生最大拉應力時，第一體系車道荷載是布置在正彎矩區的同號影響線范圍內，在墩頂支點一定范圍并不布置車道荷載。所以，車道荷載和車輛荷載在不同結構體系中對橋面板產生的效應不進行疊加。

2.4 橋面板驗算

采用歐洲規范4推薦的應力計算法確定開裂區，首先通過非開裂模型進行彈性計算，得出標準值組合下混凝土板上緣應力，若混凝土的拉應力超過2fctm，則截面處于開裂區。其中為混凝土的圓柱體抗壓強度。對于C50 鋼纖維砼計算得到2fctm=7MPa＞6.3MPa。則第一、二體系下橋面板可以不考慮開裂，其承載能力滿足要求。

采用《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[3]，中間支座兩側0.15L范圍內考慮橋面板開裂，鋼-混組合橋面板第一體系下為軸向受拉∕受壓構件。則受拉區橋面板裂縫寬度計算結果如表3所示。

表3 第一、二體系下橋面板裂縫寬度計算結果

根據本橋鋼板-混凝土組合橋面板構造，中性軸位于混凝土部分，在連續板的局部受力體系下，橫梁頂的負彎矩區，橋面板鋼筋應力σss=101.3MPa，裂縫寬度Wfk=0.102mm。結果表明，在整體計算和局部計算中橋面板裂縫寬度都滿足要求。

3 結束語

綜上所述，結論如下：

（1）鋼板-混凝土組合橋面板是輕型化橋面板的發展方向，并且能夠適應山區復雜的施工環境，做到無模板化，減小高烈度地區橋梁的地震效應。

（2）車輪荷載作用下橋面板局部計算會出現拉應力，第三體系受力較大，很多時候可能對設計起控制作用，不論是整體計算還是局部計算，設計上都可以采用強配筋，限制裂縫寬度的方法來解決問題。

（3）鋼板-混凝土組合橋面板給出了輕薄型橋面板的設計思路，隨著板厚的減薄，會帶來橋面板剛度的降低，組合橋面板的動力性能，尤其在承受車輛等動荷載作用下疲勞問題逐漸凸顯，其相關疲勞性能還有待研究。