鋼混組合梁橋的設(shè)計要點和方法

孫濤

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京市 100195）

鋼混組合梁橋的設(shè)計要點和方法

孫濤

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京市 100195）

推導(dǎo)了鋼混組合梁橋基于彈性和基于彈塑性的承載能力設(shè)計計算方法，從而明確鋼和混凝土在組合梁橋中的作用特性?？偨Y(jié)了鋼混組合梁橋相對于混凝土橋和鋼橋的優(yōu)勢和難點，其中難點主要體現(xiàn)在負彎矩區(qū)開裂和整體傾覆穩(wěn)定方面，并針對這兩個難點，提出了設(shè)計解決方法和要點。

鋼混結(jié)構(gòu)；組合梁橋；設(shè)計要點；負彎矩抗裂；整體穩(wěn)定

0 引言

混凝土和鋼材是現(xiàn)代工程建設(shè)的主要材料，隨著現(xiàn)代土木工程向可持續(xù)化和經(jīng)濟化的方向發(fā)展，合理利用建筑材料力學(xué)性能，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，降低工程的建設(shè)成本成為結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的關(guān)鍵。組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟性，在保證不同材料良好連接的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮了各自己的結(jié)構(gòu)性能[1]，在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越得到重視。

廣義的組合結(jié)構(gòu)是在構(gòu)件的截面層次使用兩種以上不同材料，目前的組合結(jié)構(gòu)主要是在截面層次采用鋼材和混凝土兩種建造材料，并由這種構(gòu)件組成體系的結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)橋梁是伴隨著鋼構(gòu)件在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)體系橋梁的應(yīng)用而產(chǎn)生的，從結(jié)構(gòu)層面上，鋼構(gòu)件應(yīng)用于混凝土構(gòu)件中可以優(yōu)化受力，改善混凝土材料抗拉性能不足的缺點，同時發(fā)揮鋼材抗拉和抗壓性能好的優(yōu)點，另外混凝土的存在又會降低鋼材的屈曲和疲勞等典型問題；從結(jié)構(gòu)實用及經(jīng)濟層面，在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下能獲取最優(yōu)的資源配置，同時使得橋梁結(jié)構(gòu)輕型、多變、美觀且可施工性強[2,3]?；谏鲜鰞?yōu)勢，鋼混組合結(jié)構(gòu)在橋梁工程應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴大，其中應(yīng)用最為廣泛的還是梁橋體系。

本文分析組合梁橋的受力原理和計算方法，分析組合梁橋相對于鋼橋和混凝土橋梁的優(yōu)勢所在和主要缺點。并提出開展組合梁橋設(shè)計的要點和方法，設(shè)計的主要難題以及解決方法。進一步推廣鋼混組合橋梁在我國的應(yīng)用實踐。

1 鋼混組合梁橋的設(shè)計計算理論

開展鋼混組合梁橋設(shè)計的關(guān)鍵是，確定鋼混截面在極端荷載作用下的極限承載力，滿足承載力安全是進行任何截面設(shè)計的關(guān)鍵。目前鋼混組合梁橋承載力計算主要以彈性理論和彈塑性理論為兩個分支，其計算的前提均假定鋼混截面的受力變形滿足平截面假定。

1.1 彈性設(shè)計理論

彈性理論認為在承載能力極限狀態(tài)下，鋼混組合梁是完全協(xié)同工作的，結(jié)構(gòu)的破壞是以邊緣應(yīng)力水平超過材料的允許應(yīng)力為標準計算的，因此彈性理論計算承載能力時，有如下假定：

（1）截面的變形完全遵循平截面假定；

（2）鋼材和混凝土為理想的彈性體，直到梁體的破壞；

（3）鋼與混凝土之間連接是安全可靠的，可能有微小的滑移，但是可忽略；

（4）不考慮混凝土開裂對結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

根據(jù)鋼混組合結(jié)構(gòu)的計算理論，如果鋼混構(gòu)件的連接在承載能力狀態(tài)下不發(fā)生滑移，截面內(nèi)構(gòu)件連接完好，則可以按照剛度分配原理計算鋼梁承受的彎矩、軸力和混凝土橋面板承受的彎矩和軸力，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配原理見圖1。

根據(jù)圖 1可知，在截面彎矩作用下，根據(jù)彈性理論分配的鋼和混凝土的彎矩和軸力分別為：混凝土鋼其中n0=Es/Ec。

圖1 彈性理論下鋼混組合截面內(nèi)力分配

根據(jù)上述內(nèi)力分配情況便可以計算鋼混組合梁在外力組合作用下結(jié)構(gòu)的承載能力。

1.2 彈塑性設(shè)計理論

彈性理論分析適用于混凝土應(yīng)力和鋼梁應(yīng)力均不超過屈服應(yīng)力情況，事實上，承載能力作用下，混凝土和鋼材都會達到塑性狀態(tài)，采用彈塑性理論計算才能完全挖掘結(jié)構(gòu)的承載能力?？紤]到鋼和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計算中一般采用簡化算法，認為鋼材和混凝土都滿足理想的彈塑性關(guān)系，因而可以采用簡化的彈塑性理論計算結(jié)構(gòu)的承載能力。計算采用的基本假定有：

（1）截面變形滿足平截面假定；

（2）混凝土和鋼材具有較為可靠的連接，允許產(chǎn)生不影響截面承載的滑移；

（3）不考慮處于塑性中和軸受拉區(qū)的混凝土作用；

（4）在混凝土的受壓區(qū)為均勻受壓，并達到抗壓設(shè)計強度；

（5）在鋼梁受拉區(qū)可以達到鋼梁的塑性受拉強度fp=0.9 f（鋼材強度）。

簡化彈塑性理論需要根據(jù)塑性中和軸的位置計算截面的承載能力。結(jié)合本橋的特點，分別選取近邊跨三分點位置和邊支座位置截面，計算結(jié)構(gòu)的承載能力，見圖2。

圖2 彈塑性理論下鋼梁與混凝土應(yīng)力分布圖示

2 鋼混組合梁橋特性分析

根據(jù)鋼混組合梁橋的上述設(shè)計原理，再加上梁橋主要以受彎為主，因此相比于鋼梁橋和混凝土梁橋，鋼混組合梁橋具有以下特性：

（1）結(jié)構(gòu)輕巧、強度高、施工簡便。鋼混組合梁橋整體容重顯著小于混凝土橋梁，可以實現(xiàn)更大跨徑。由于結(jié)構(gòu)輕巧，可以通過先架設(shè)鋼梁，以鋼梁作為支撐模板，施工橋面混凝土結(jié)構(gòu)部分。另外，組合梁橋還可以解決了梁段起重架設(shè)過大的問題，可以將鋼梁分段制作和吊裝。

（2）鋼混組合梁易于實現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)品化。通過將鋼梁和橋面板進行分段預(yù)制，可以在工廠進行流水線式操作，同時減少野外作業(yè)時間，并提高施工建設(shè)質(zhì)量。鋼梁段和混凝土段在現(xiàn)場可以進行專業(yè)的組裝連接，快速且精度高，且施工不受季節(jié)限制。

（3）鋼混組合梁在受力方面具有顯著優(yōu)勢，充分利用鋼材抗拉強度優(yōu)勢規(guī)避混凝土容易開裂問題。另外，混凝土作為支撐鋼梁的上部結(jié)構(gòu)，可以增加其臨界失穩(wěn)系數(shù)，同時避免了鋼梁直接與車輛活載的作用，減少了不必要的鋼梁疲勞失效問題。

鋼混組合梁橋同時設(shè)計難點，需要重點考慮，才能保障其使用安全和長期性能：

第一，設(shè)計為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)型式的組合梁橋，面臨負彎矩區(qū)開裂問題。連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋，在中支點區(qū)域承受負彎矩作用，由于混凝土的抗裂性差，必須采取相關(guān)措施，降低負彎矩的開裂風險，保證組合梁橋梁的使用性能[4]。

第二，組合梁橋的整體穩(wěn)定性問題，組合梁橋的結(jié)構(gòu)自重較輕，橫向?qū)挾却蟮倪B續(xù)梁橋，特別是采用中間點鉸支撐設(shè)計的，其橫向穩(wěn)定性能很差，例如2012年8月24日 哈爾濱陽明灘大橋的垮塌事故，該橋梁就是采用組合梁橋型式，同時中支座為點鉸支撐。

3 鋼混組合梁橋設(shè)計要點及方法

根據(jù)鋼混組合梁橋的設(shè)計難點和問題，可以采取如下設(shè)計要點及方法進行針對性的解決。

3.1 組合梁橋橫向穩(wěn)定設(shè)計

梁橋的傾覆機理就是在外界荷載作用下，整個橋梁結(jié)構(gòu)繞著一個軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，一旦達到翻轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)，梁橋結(jié)構(gòu)就變成機動體系，從而導(dǎo)致整體式的傾覆破壞。因而其破壞機理如下：

式中：K是傾覆系數(shù)，臨界狀態(tài)下是K=1，K＞1被認為是不會發(fā)生傾覆，但是考慮到計算模式不確定、材料估計不確定等，因而一般需要賦予一個較高的安全儲備，例如認為K≥2時橋梁傾覆穩(wěn)定是安全的。M1是抵抗彎矩，主要是恒載下各個支座反力對傾覆軸的力矩和。M2是傾覆彎矩，主要是活載對傾覆軸的力矩和。

根據(jù)上述傾覆機理，組合梁橋的設(shè)計中，一方面需要保證傾覆軸的傾覆側(cè)具有盡可能小的車輛荷載作用，降低傾覆彎矩的大??；另一方面，設(shè)計具有較高抵抗彎矩的橋梁，例如采用中間墩雙點支撐，設(shè)置抗拔預(yù)應(yīng)力鋼筋以及進行橫向傾覆預(yù)警等。

3.2 負彎矩區(qū)設(shè)計

改善組合梁橋負彎矩的抗裂性能，可以通過如下手段進行解決：

（1）橋面板滯后結(jié)合。通過先澆筑結(jié)合跨中區(qū)域的橋面板，使得鋼梁預(yù)先進行變形，同時消除跨中區(qū)域混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合的收縮徐變效應(yīng)，最后結(jié)合負彎矩區(qū)域的橋面板，降低其開裂的風險。這種方法需要調(diào)整橋面板的現(xiàn)澆工序，可以較為方便地應(yīng)用于預(yù)制拼裝橋面板，對于完全現(xiàn)澆的橋面板，則施工工序調(diào)整較為繁瑣，降低施工效率。這種方法也大量應(yīng)用于城市高架及跨海大橋建設(shè)中，該方法可以降低開裂可能性，但是不能完全消除。

（2）支座位移法。通過在施工中調(diào)整中支座的位移，使得負彎矩區(qū)混凝土形成預(yù)壓效果，主要實施方法是在架設(shè)完成鋼梁后頂升中支座，等橋面板澆筑完成后將中支座放到原來位置，形成預(yù)壓效果。該方法施工過程很簡單，實施效果也很明顯，但是需要對中支點鋼梁進行加固以方便頂升，還需要具有足夠的空間安放頂升裝置。該實施方法可以消除開裂風險，但需要進行精確的計算分析。

（3）跨中壓重。同樣是在施工過程中，在鋼梁架設(shè)完成后，通過對中跨進行預(yù)壓配重，并在混凝土橋面板澆筑完成后，釋放跨中壓重，使得負彎矩區(qū)形成預(yù)壓效果?？缰袎褐胤椒▋H限于中小跨徑橋梁，對于大跨橋梁增加壓重可能對鋼梁造成損傷或者形成破壞。

（4）施加中支點頂板預(yù)應(yīng)力。在負彎矩區(qū)容易開裂的地方，施加預(yù)應(yīng)力，使得儲備一定的頂板壓應(yīng)力，這些壓應(yīng)力用于抵抗運營期間產(chǎn)生的頂板拉應(yīng)力，從而降低頂板開裂的風險。預(yù)應(yīng)力鋼束方法需要增加預(yù)應(yīng)力錨固和轉(zhuǎn)向的構(gòu)造，同時增加預(yù)應(yīng)力工序，最為重要的是預(yù)應(yīng)力的后期損失較大，需要進行精確的計算，考慮預(yù)應(yīng)力的張拉時機和張拉噸位，才能保障運營期間不產(chǎn)生頂板拉應(yīng)力或者拉應(yīng)力在一定限值范圍內(nèi)。施加預(yù)應(yīng)力的方法，一般用于大跨徑的組合梁橋。

4 結(jié)論

鋼混組合梁橋具有諸多優(yōu)點，既能夠充分利用混凝土的抗壓性和鋼材的抗拉性能，有能規(guī)避混凝土抗裂性差及鋼材屈曲和疲勞問題突出的缺點。鋼混組合梁橋能夠進行工業(yè)化和工廠化的生產(chǎn)，具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢。論文分析了鋼混組合梁橋的設(shè)計計算理論，分別從彈性和彈塑性理論兩個方面推導(dǎo)了其極限承載力的計算方法，也充分掌握了鋼材和混凝土在組合梁橋的發(fā)揮效應(yīng)。通過總結(jié)鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)特性，提出了整體穩(wěn)定和負彎矩抗裂是其關(guān)鍵難題，并提出了針對這兩個關(guān)鍵難題的設(shè)計要點和方法。推進鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)在我國的進一步應(yīng)用。

[1]邵長宇.組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展與應(yīng)用前景[J].城市道橋與防洪, 2016(9):11-15.

[2]魏光華.鋼—混凝土組合梁橋設(shè)計與施工探討[J].山西建筑, 2007,33(24):338-339.

[3]馮建剛,秦志軍,趙秀文.鋼混組合箱梁橋設(shè)計與施工[J].公路交通科技 (技術(shù)版),2010,6(6):6-8.

[4]鄭和暉,巫興發(fā),黃躍,等.鋼—混組合連續(xù)梁負彎矩區(qū)橋面板抗裂措施[J].中外公路,2014,34(5):152-155.

U448.21+6

A

1009-7716（2017）04-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.020

2017-02-06

孫濤（1983-），男，新疆阿勒泰人，工程師，從事路橋設(shè)計工作。