鋼箱雙層組合連續(xù)梁設(shè)計與研究

周冠東

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

20 世紀(jì)80 年代，德國工程師提出雙層組合連續(xù)梁體系，雙層組合梁指鋼梁上、下翼緣均有混凝土板與鋼梁組合，形成整體截面共同受力的組合結(jié)構(gòu)，通常僅設(shè)置在中支點負(fù)彎矩區(qū)范圍內(nèi)[1,2]。在該范圍內(nèi)，底板混凝土參與受壓，能夠充分發(fā)揮混凝土的材料性能，而該范圍內(nèi)自重的增加對支點及整個結(jié)構(gòu)的彎矩產(chǎn)生的影響有限。負(fù)彎矩區(qū)采用雙層組合梁具有多方面的優(yōu)點：⑴底板混凝土與鋼底板共同受壓，可有效減少鋼底板厚度；⑵解決了鋼梁底板受壓局部穩(wěn)定問題，簡化底板加勁肋的設(shè)計；⑶底板混凝土可約束鋼梁腹板的面外變形，提高腹板抗屈曲能力[3-6]。目前雙層組合梁橋已應(yīng)用于組合鋼板梁、組合鋼槽梁等結(jié)構(gòu)中。

1 鋼箱雙層組合截面的概念

1.1 傳統(tǒng)雙層組合梁截面

目前工程中常用的雙層組合梁截面形式有兩種，按鋼梁形式分為槽型截面及工字型截面，如圖1 所示。在施工工藝方面，工字型截面需要在鋼底板下緣搭建模板，施工難度高、周期長；與之相對的，箱型截面中鋼槽梁的底板、腹板可充當(dāng)混凝土底板澆筑時的模板，省去了底板混凝土的澆筑模板，節(jié)約了施工模板的時間和費(fèi)用，更適宜加設(shè)雙層組合構(gòu)造。

圖1 傳統(tǒng)雙層組合梁截面

1.2 鋼箱雙層組合截面

箱型截面組合連續(xù)梁橋由于頂緣有混凝土板的存在，在正彎矩區(qū)，鋼梁上翼緣應(yīng)力較小，為了充分發(fā)揮鋼梁承載力，鋼梁通常采用槽型截面以減少上翼緣鋼板的面積，如圖2(a)所示。當(dāng)連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)段采用雙層組合截面時，由于負(fù)彎矩區(qū)截面驗算采用開裂截面特性，此時中支點附近較大的負(fù)彎矩主要由槽型鋼梁和底板混凝土形成的組合截面承擔(dān)，由于底板混凝土的存在，鋼梁下翼緣應(yīng)力往往很小，此時截面承載能力主要由槽型鋼梁頂板面積決定，但由于槽型鋼梁頂板較窄，且寬度和板厚受到構(gòu)造及焊接要求的限制，不能無限制增大，導(dǎo)致雙層組合截面強(qiáng)度無法得到充分的發(fā)揮。

圖2 鋼箱雙層組合連續(xù)梁示意

為解決上述問題，本文提出將組合梁負(fù)彎矩區(qū)鋼梁截面形式由正彎矩區(qū)槽型鋼梁過渡成箱型鋼梁，以增大鋼梁頂板的寬度，形成鋼箱雙層組合截面，如圖2(b)所示。本文將這種正彎矩區(qū)采用常規(guī)的鋼槽組合截面，負(fù)彎矩區(qū)采用鋼箱雙層組合截面的組合連續(xù)梁稱為鋼箱雙層組合連續(xù)梁，其斷面形式及布置如圖2所示。

當(dāng)組合連續(xù)梁跨徑較大時，設(shè)計人員通常將鋼梁設(shè)計成變高梁，通過增大梁高來提高負(fù)彎矩區(qū)截面承載能力，但變高鋼梁的設(shè)計和加工制作繁瑣，且對一些頂推施工的跨線橋及水中引橋帶來不小的困難。而采用鋼箱雙層組合截面，在梁高較小的情況下，通過增大鋼梁頂板厚度及底板混凝土厚度，能夠有效地提高負(fù)彎矩區(qū)截面承載力，提高等高組合連續(xù)梁的跨越能力。

2 鋼箱雙層組合連續(xù)梁設(shè)計分析

前文介紹了鋼箱雙層組合截面及鋼箱雙層組合連續(xù)梁的概念及受力特點。下文以某座（45+70+45）m 變高鋼-混組合梁為工程背景，取消原橋負(fù)彎矩區(qū)變高段設(shè)計，采用工程軟件Midas 進(jìn)行計算分析，在滿足負(fù)彎矩區(qū)截面承載力和橋面板抗裂性能等要求下，進(jìn)行鋼箱雙層組合等高連續(xù)梁的試設(shè)計。

2.1 項目概況

（45+70+45）m 連續(xù)組合梁橋，采用雙主梁結(jié)構(gòu)，單幅橋?qū)?3.75m。邊支點及跨中梁高為2.96m，中支點處梁高為3.56m，變高段采用線性變化，變高段長度為8m。

鋼梁采用Q345qD 鋼，單幅橋設(shè)2 道槽型梁，主梁中心間距為7m。橋面板采用C50 混凝土，跨中板厚0.26mm，懸臂端板厚0.18mm，梗腋處加厚至0.36mm。橋面中支點負(fù)彎矩區(qū)范圍內(nèi)的混凝土板內(nèi)布置32套5-φ 15.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線。本橋立面布置圖及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖如圖3～圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：mm)

圖4 立面布置圖(單位：mm)

2.2 設(shè)計原則

為了減少變高鋼梁設(shè)計、施工上的困難，取消原橋負(fù)彎矩區(qū)變高段，將之替換成等高的鋼箱雙層組合截面，并取消負(fù)彎矩區(qū)橋面板預(yù)應(yīng)力。

設(shè)計截面尺寸控制原則如下：⑴混凝土板截面尺寸、鋼筋位置保持不變，只調(diào)整鋼筋直徑，且鋼筋布置需滿足縱向抗裂驗算要求；⑵負(fù)彎矩區(qū)鋼梁由原設(shè)計2.6m～3.2m 變高梁更改為2.6m 等高梁；⑶鋼梁截面由槽型改為箱型，頂板寬度由原設(shè)計2×600mm 變?yōu)?100mm。

改變組合梁負(fù)彎矩區(qū)截面形式對全橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小，因此正彎矩區(qū)截面維持原設(shè)計即可，負(fù)彎矩區(qū)鋼箱雙層組合截面按上述原則設(shè)計后，再根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范重新驗算驗算截面承載力及橋面板縱向抗裂，驗算時采用開裂截面特性。

2.3 計算模型及施工步驟

全橋有限元模型共計440個節(jié)點，491個單元，如圖5 所示。組合梁采用雙單元法模擬，鋼梁與混凝土板間采用剛臂連接，負(fù)彎矩區(qū)鋼梁與底板混凝土形成的組合截面采用聯(lián)合截面模擬。負(fù)彎矩區(qū)采用開裂分析方法，不計受拉混凝土板對結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，僅計入板內(nèi)縱向鋼筋的作用。

圖5 有限元計算模型

本橋按下述施工步驟進(jìn)行模擬分析：⑴架設(shè)鋼梁；⑵澆筑負(fù)彎矩區(qū)底板混凝土和正彎矩區(qū)橋面板；⑶澆筑負(fù)彎矩區(qū)橋面板；⑷施工橋面鋪裝與欄桿；⑸成橋運(yùn)營。

2.4截面設(shè)計結(jié)果

在保證底板混凝土壓應(yīng)力滿足要求，并將鋼梁底板應(yīng)力控制在210MPa 的情況下，可以得到多種鋼底板厚度和底板混凝土厚度組合，將之繪制成曲線如圖6。

圖6 鋼板厚度-底板砼厚度曲線

考慮在底板混凝土濕重作用下，鋼梁底板的局部應(yīng)力及變形不宜過大，為滿足強(qiáng)度及剛度的要求，鋼梁底板厚度不宜過小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、底板混凝土可施工性，最終擬定截面鋼梁底板厚度為28mm，底板混凝土厚度為200mm。原設(shè)計鋼槽組合截面與試設(shè)計鋼箱雙層組合截面對照圖如圖7 所示，截面尺寸對照表如表1所示。

表1 主梁1/2截面尺寸對照表

圖7 新舊截面對照圖(單位：mm)

根據(jù)擬定截面重新計算全橋用鋼量指標(biāo)為350.3kg/m2，與原設(shè)計用鋼量指標(biāo)339.9kg/m2相比，僅提高了3.1%，基本不影響橋梁經(jīng)濟(jì)性。

3 鋼箱雙層組合截面合理底板混凝土厚度

對于鋼箱雙層組合截面，橋面板厚度及橫向鋼筋配置主要由橫向抗裂控制，橋面板縱向鋼筋配置由縱向抗裂控制，在前兩者確定的情況下，鋼梁頂板厚度隨之可由應(yīng)力限值確定，此時能靈活調(diào)整的只有鋼梁底板厚度與底板混凝土厚度。

為方便后文敘述，將混凝土表面應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時的外荷載稱為開裂彎矩。下文將以上節(jié)試設(shè)計的鋼箱雙層截面為基礎(chǔ)，探討不同鋼梁底板厚度的情況下底板混凝土厚度對截面開裂彎矩及基本組合作用下截面應(yīng)力的影響。

3.1 底板混凝土厚度對開裂彎矩的影響

取鋼梁底板厚為16mm～48mm，得到不同鋼梁底板厚度下鋼箱雙層組合截面的開裂彎矩-底板混凝土厚度曲線，如圖8所示。底板混凝土厚度取0mm～900mm（0～0.35hs，hs為鋼梁梁高）。

圖8 開裂彎矩-底板混凝土厚度關(guān)系曲線

從圖8 中可知，開裂彎矩隨底板混凝土厚度的增加呈先增加后降低的趨勢。分析其原因可知，在曲線上升段，隨著底板混凝土厚度的增加，截面中性軸逐漸下移，但慣性矩迅速增長，慣性矩增長速率遠(yuǎn)大于中性軸下移速率，開裂彎矩出現(xiàn)較快增大；隨著底板混凝土厚度的不斷增加，截面中性軸下移，組合截面慣性矩增長較慢，開裂彎矩增長速率不斷下降，直至開裂彎矩開始降低。此外，從圖中可知，底板混凝土最優(yōu)厚度為250mm～550mm，約為0.09～0.21 hs。

3.2 底板混凝土厚度對截面應(yīng)力的影響

取鋼梁底板厚為16mm～40mm，得到不同鋼梁底板厚度下鋼箱雙層組合截面應(yīng)力隨底板混凝土厚度變化的曲線，如圖9～11 所示。底板混凝土厚度取0mm～500mm（0～0.2hs）。

圖9 鋼筋應(yīng)力-底板混凝土厚度關(guān)系曲線

圖10 鋼梁頂板應(yīng)力-底板混凝土厚度關(guān)系曲線

從圖9～圖11 中可知，底板混凝土厚度對鋼筋應(yīng)力、鋼梁頂板應(yīng)力影響不超過7%，但提高底板混凝土厚度能有效減小鋼梁底板應(yīng)力，且應(yīng)力減小速率會隨著底板混凝土厚度的增加而減小，當(dāng)?shù)装寤炷梁穸刃∮?.15hs，底板混凝土能充分發(fā)揮作用，有較高的經(jīng)濟(jì)性。

圖11 鋼梁底板應(yīng)力-底板混凝土厚度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，進(jìn)行鋼箱雙層組合等高連續(xù)梁的試設(shè)計，并通過計算分析，得到如下結(jié)論：

⑴在同等梁高的情況下，連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)采用鋼箱雙層組合截面，能提高負(fù)彎矩區(qū)截面承載力，增大了等高組合連續(xù)梁的適用跨徑，為大跨組合連續(xù)梁的頂推施工提供條件。

⑵鋼箱雙層組合截面開裂彎矩隨底板混凝土厚度的增加呈先增加后降低的趨勢。

⑶提高底板混凝土厚度對鋼箱雙層組合截面的鋼筋應(yīng)力、鋼梁頂板應(yīng)力影響較小，但能有效減小鋼梁底

⑷綜合考慮底板混凝土對鋼箱雙層組合截面的開裂彎矩及截面應(yīng)力的影響，底板混凝土最優(yōu)厚度為0.09～0.15倍鋼梁梁高。