鋼混組合梁橋在異型橋設(shè)計中的應(yīng)用

許偉龍

摘 要：隨著城市建設(shè)擴(kuò)張，快速路成為連接新老城區(qū)與的重要交通線，高架橋梁是高架道路的承重結(jié)構(gòu)形式，其中鋼混組合梁橋是通過剪力連接件形成混凝土與鋼的組合構(gòu)件組成的橋梁，受力性能兼具混凝土橋和鋼橋的優(yōu)點(diǎn)。在異型橋的設(shè)計中，采用鋼混組合梁橋可以避免設(shè)計多室箱梁、搭設(shè)滿堂支架、制作復(fù)雜模板，設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理，施工便利。該文針對異型鋼混組合梁橋采用Midas Civil梁格法計算內(nèi)力分布，論證其在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋼混組合梁橋；剪力連接件；異型橋；梁格法

中圖分類號：U44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國的高架橋梁上部結(jié)構(gòu)以混凝土梁為主，鋼梁為輔，混凝土橋往往需要搭設(shè)滿堂支架、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束等工序，施工煩瑣，加上混凝土的自身缺陷和性能退化使其耐久性不良，鋼橋的脆性疲勞、屈曲失穩(wěn)、腐蝕等問題不可避免。從全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計角度看，鋼混組合梁橋能揚(yáng)長補(bǔ)短，使結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、維護(hù)更合理。

1 鋼混組合梁橋概念

鋼混組合梁橋是截面內(nèi)由鋼和混凝土連接而成的組合構(gòu)件組成的梁式橋，按鋼梁形式分為組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合鋼桁架梁橋。通常情況下，先吊裝鋼梁，在鋼梁上澆筑或安裝橋面板，待形成整體截面后施工其他荷載。

2 異型橋梁設(shè)計方法

在城市高架道路設(shè)計中，匝道口、轉(zhuǎn)換段往往是異型橋梁，其構(gòu)造較為復(fù)雜，受力呈現(xiàn)空間特性。目前多采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，具有抗扭剛度大，整體性優(yōu)良的特點(diǎn)。但是異型結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜構(gòu)造導(dǎo)致箱梁構(gòu)造復(fù)雜，如曲線折線腹板、箱室不連續(xù)、橫梁多樣和預(yù)應(yīng)力鋼筋布置煩瑣等，且在施工中需要搭設(shè)支架、張拉鋼束、普通鋼筋綁扎、制作模板等工序制約著工程進(jìn)度。針對混凝土箱梁的缺點(diǎn)，鋼混組合梁橋能發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，應(yīng)用到異型橋梁中，避免設(shè)計復(fù)雜異型箱梁，又能解決異型橋梁受力性能計算。施工免于搭設(shè)支架、張拉鋼束，減少鋼筋工作量。所以從設(shè)計合理性、施工便利性、運(yùn)營耐久性等全壽命成本看，鋼混組合梁橋是具有顯著的優(yōu)勢。

鋼混組合梁應(yīng)用到異型橋時，用構(gòu)造簡單的鋼梁替代混凝土腹板和底板，免除不規(guī)則的箱室分布。鋼梁沿著橋梁主受力方向布置，支撐混凝土板和施工荷載，在其上澆筑或拼接橋面板，形成鋼材與混凝土共同承受使用荷載的組合結(jié)構(gòu)橋梁。

混凝土箱梁和鋼混組合梁，異型橋梁推薦采用剪力—柔性梁格法計算結(jié)構(gòu)受力。剪力—柔性梁格法非常適用于曲線橋梁和異型橋梁的計算，它的基本思想是將橋梁上部結(jié)構(gòu)用剛度等效的梁格來模擬，當(dāng)橋梁承受相同荷載時，原結(jié)構(gòu)和等效梁格結(jié)構(gòu)的撓曲相同，且每一縱梁的內(nèi)力等于其等效的梁體的內(nèi)力。梁格法的基本步驟是將梁整體截面按腹板位置劃分，劃分原則是縱梁形心高度與箱梁的形心高度一致，縱梁的位置與腹板相重合，然后通過橫向構(gòu)件連接成整體。

3 鋼混組合梁橋設(shè)計

將橋面混凝土板與鋼梁通過連接件共同作用的組合梁起源于20世紀(jì)30年代，我國近年來開始關(guān)注鋼混組合梁橋。在常規(guī)橋梁設(shè)計中，組合梁橋憑構(gòu)造簡單，施工簡便而應(yīng)用廣泛，其設(shè)計主要包括如下部分。

3.1 鋼梁

鋼梁的形式有鋼板梁、鋼箱梁和鋼桁架梁，梁式橋主要采用鋼板梁或鋼箱梁，組合鋼板梁橋因其開口截面，因此在安裝和維護(hù)上更便利，但開口截面抗扭慣性矩小，整體性能差，在受力不明確的異型橋梁謹(jǐn)慎使用。鋼箱梁分為槽形鋼梁和閉口鋼梁。鋼梁形式應(yīng)根據(jù)橋梁總體方案確定，滿足施工期間的承載力與穩(wěn)定性，一般除了規(guī)則橋梁采用鋼板梁，其他情況采用鋼箱梁。

3.2 橋面板

橋面板既作為組合斷面的一部分參與整體受力，也直接承受車輛輪壓作用。橋面板是組合梁中最為關(guān)鍵的部位，但因其存在開裂和剪力鍵疲勞破壞等問題，也成為設(shè)計難點(diǎn)。橋面板橫向可采用普通鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，在支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束或預(yù)加壓力以控制橋面板開裂。橋面板分為現(xiàn)澆、預(yù)制及疊合板?，F(xiàn)澆板整體性好，但模板耗工費(fèi)時。預(yù)制板直接安裝在鋼梁和橫梁上翼緣，接縫處澆筑混凝土，但對接縫處的鋼筋搭接和預(yù)制板邊緣槽口要求較高。

3.3 連接件

連接件起到連接鋼梁與混凝土板作用，有焊釘、開孔板、型鋼形式。組合梁橋的連接件主要為圓柱頭焊釘，保證焊釘?shù)目辜艉涂拱纬休d力。焊釘布置通常結(jié)合鋼梁上翼緣行走支架的預(yù)留軌道空間。

4 工程實(shí)例

該文以高架橋梁的變寬段為例，采用鋼混組合梁橋方案，選擇鋼梁和橋面板形式，建立有限元梁格模型，模擬組合梁的施工階段和成橋分析，論證鋼混組合梁橋在城市高架橋中的應(yīng)用。

4.1 工程概況

某高架橋梁連接城區(qū)與副城，其中在高架出口有變寬段，橋梁呈異型構(gòu)造，寬度從25 m漸變到35 m，跨徑布置3×35 m。擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁或鋼混組合梁。

4.2 工程方案

考慮到混凝土箱梁要支架澆筑、綁扎鋼筋、張拉鋼束等工序，且箱室倒角模板復(fù)雜，因此選擇鋼混組合梁，鋼梁采用分箱式槽形箱梁，腹板焊接翼緣板和縱向加勁肋，底板焊接縱向加勁肋，箱梁縱向間距3.5 m設(shè)置橫隔板和橫梁，橫隔板相間設(shè)置箱梁橫隔系，橋面板采用變厚度預(yù)制板，每個腹板上方橫行焊接4排圓柱頭焊釘，如圖1、圖2所示。

4.3 組合梁計算

采用剪力—柔性梁格法計算組合梁內(nèi)力，每個分箱為縱梁，橋面板為虛擬橫梁，懸臂端設(shè)置虛擬縱梁便于施加護(hù)欄重量。由于分兩階段施工，第一階段吊裝鋼梁并安裝橫梁，施加橋面板濕重和施工荷載，第二階段組合橋面板并澆筑接縫，施加二期恒載和使用荷載。同一截面分階段施工可用MIDAS施工階段聯(lián)合截面模擬。橋面板計算單獨(dú)建立橫向模型，計算橋面混凝土板橫向配筋，如圖3、圖4所示。

4.4 計算結(jié)果

第一階段計算同全鋼橋梁，控制構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度。第二階段利用表格查看聯(lián)合截面混凝土和鋼的應(yīng)力、構(gòu)件內(nèi)力和變形，并根據(jù)內(nèi)力計算頂緣裂縫。

5 結(jié)論

通過對鋼混組合梁橋的研究和計算，對于異型橋梁采用鋼混組合梁時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）異型橋梁采用鋼混組合梁橋能避免混凝土箱梁的缺點(diǎn)，設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理，施工便利快速，在橋梁建設(shè)領(lǐng)域推廣。

（2）組合梁在鋼梁形式選擇時，因結(jié)合橋梁總體方案，梁式規(guī)則橋梁采用鋼板梁，其他橋梁采用鋼箱梁。鋼梁的局部穩(wěn)定和疲勞強(qiáng)度計算同全鋼橋梁。

（3）負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂是組合結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)決定的，可采用張拉預(yù)應(yīng)力鋼束法、預(yù)加荷載法、支點(diǎn)位移法。

（4）橋面板計算同常規(guī)橋面板計算，采用普通鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板。

（5）鋼混組合梁的變形要考慮滑移效應(yīng)的折減剛度，注重其他細(xì)節(jié)如腹板上翼緣鋼筋搭接、橋面分塊和留槽等設(shè)計。

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