大跨徑簡(jiǎn)支鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

臺(tái)州市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 臺(tái)州 318000

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有跨越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)自重輕、建筑高度小、施工方便、周期短、對(duì)交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，而鋼-混凝土組合梁橋除具有鋼結(jié)構(gòu)橋梁的優(yōu)點(diǎn)外，還具有節(jié)省鋼材、增加結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性、減少鋼梁腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，但其也存在工程造價(jià)高、后期維護(hù)費(fèi)用高等不足。鋼-混凝土組合梁橋可分為鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋、鋼桁架組合梁橋和波形鋼腹板組合梁橋等，其施工過(guò)程一般是先由工廠制作鋼梁節(jié)段，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行吊裝，拼裝完成后施工橋面板，橋面板可采用預(yù)制和現(xiàn)澆兩種施工方法制作。鋼-混凝土組合梁橋施工過(guò)程及施工方法的不同會(huì)影響最終主梁結(jié)構(gòu)受力，可通過(guò)一些措施改善橋梁受力狀況。

1 工程概況

臺(tái)州路橋機(jī)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)道路工程為雙向四車(chē)道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為80km/h，路基寬度為28m，預(yù)留遠(yuǎn)期拓寬條件。路線總體呈南北走勢(shì)，起點(diǎn)位于椒江區(qū)下陳街道，與椒新路平交，終點(diǎn)位于路橋區(qū)蓬街鎮(zhèn)，與東方大道相交，路線全長(zhǎng)約5.2km。

2 橋梁方案選擇

小伍份立交橋需要跨越石八線與青龍浦，由于石八線位于青龍浦北側(cè)岸邊，兩者之間無(wú)設(shè)墩條件，橋梁與被交路和河流交叉角度約為124°，受通航凈空限制，水中無(wú)條件設(shè)墩，需要采取一跨跨越。而且橋梁與被交路交叉角度較小，預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂澆筑箱梁因承臺(tái)占地空間需要，最小跨徑為60m；鋼-混凝土組合梁因其結(jié)構(gòu)自重輕，可采用柱式墩，一跨跨越的距離為55m。該項(xiàng)目施工工期緊張，采用懸澆箱梁施工周期較長(zhǎng)，因此最終主跨采用1～55m簡(jiǎn)支鋼-混凝土組合梁橋方案，引橋采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、座板臺(tái)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁全寬28m，為雙幅布置，單幅橋面寬度為13.75m，兩側(cè)防撞護(hù)欄各0.5m，橋面凈寬12.75m。采用雙箱單室等高度鋼-混凝土組合箱梁，梁間距為7m，槽型鋼梁寬度為3.5m，混凝土橋面板懸臂長(zhǎng)1.635m。組合梁中心線處梁高3.15m，鋼梁高度為2.75m。

4 主梁及橋面板構(gòu)造

槽型鋼梁由上翼緣板、底板、腹板、橫隔板、支點(diǎn)橫梁、底板加勁肋、腹板加勁肋組成，鋼梁上翼緣板厚30mm、寬600mm；底板厚30mm、寬3560mm；腹板厚20mm。腹板設(shè)置豎向加勁肋，布置間距為1000mm；底板設(shè)置縱向加勁肋，布置間距為500mm，加勁肋形式均為板式。箱室內(nèi)設(shè)橫隔板，板厚14mm，并設(shè)豎向加勁肋，橫隔板預(yù)留800mm×600mm人孔，縱向間距按3000mm布置。梁端橫梁由3道橫隔板組成，橫梁中間橫隔板厚度為24mm，兩端橫隔板厚度為20mm。每片鋼梁一端設(shè)雙支座，支座橫向間距為2000mm，縱向距離梁端780mm。槽型鋼梁間采用箱間橫梁連接，箱間橫梁為工字型，高1900m、厚16mm；頂板寬320mm、厚24mm；箱間橫梁每隔600mm設(shè)置1條豎向加勁肋，縱向布置間距為6000mm；鋼梁主材均采用Q355D?；炷翗蛎姘宀捎肅55補(bǔ)償收縮混凝土，橋面板全寬13.75m，懸臂長(zhǎng)度為163.5cm，跨中厚度為25cm，與鋼梁頂板連接處厚度為40cm，設(shè)置50cm×15cm承托，懸臂端部厚度為20cm，橋面板配置普通鋼筋。橋面板與鋼主梁之間通過(guò)布置與鋼梁頂板的剪力鍵連接，焊釘連接件直徑為22mm，長(zhǎng)度為200mm。每片鋼梁一側(cè)頂板橫向布置4根剪力釘，剪力釘縱向間距按150mm布置，局部間距進(jìn)行調(diào)整；梁端橫梁范圍內(nèi)橫隔板頂板均布置剪力釘，縱橫向間距均按150mm布置。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算及施工方案

鋼-混凝土組合梁橋施工過(guò)程為工廠制作后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，搭建臨時(shí)支撐后進(jìn)行吊裝焊接，鋼梁吊裝完成后進(jìn)行混凝土橋面板澆筑。為了方便鋼梁運(yùn)輸?shù)跹b，該橋1～55m跨槽型鋼梁分A、B、C三個(gè)節(jié)段進(jìn)行制作，A、C段長(zhǎng)度都為14.5m，B段長(zhǎng)度為26m，如圖1所示。

圖1 鋼梁分段示意圖（單位：cm）

5.1 混凝土橋面板有效寬度計(jì)算

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ/T D64-01—2015）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中5.3.2條規(guī)定，對(duì)混凝土橋面板進(jìn)行計(jì)算，跨中截面混凝土板有效寬度按下式計(jì)算：

支點(diǎn)截面混凝土板有效寬度按下式計(jì)算：

式中：b0為外側(cè)剪力連接件中間的距離；bef,i為外側(cè)剪力連接件一側(cè)的混凝土板有效寬度；Le,i為等效跨徑；bi為外側(cè)剪力連接件至相鄰鋼梁腹板上方的外側(cè)剪力連接件中心的距離的一半，或外側(cè)剪力連接件中心至混凝土板自由邊間的距離。

該橋計(jì)算跨徑為53.44m，簡(jiǎn)支梁等效跨徑為計(jì)算跨徑Le,i，對(duì)于跨中截面，bef,i=8.91m ＞bi，取bef,i=bi；對(duì)于支點(diǎn)截面，計(jì)算得出βi=1.42＞1.0，取βi=1.0，得出bef,i=8.91m＞bi，取bef,i=bi，混凝土橋面板全截面有效。

5.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)及模型

該橋采用MIDAS/Civil有限元結(jié)構(gòu)分析軟件空間梁格模型進(jìn)行計(jì)算，模型如圖2所示，鋼梁與混凝土橋面板之間采用施工階段聯(lián)合截面，主梁之間通過(guò)橫梁和虛擬橋面板連接。全橋模型共108個(gè)節(jié)點(diǎn)，207個(gè)單元。計(jì)算永久作用包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、混凝土收縮徐變，可變作用取公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載及溫度梯度作用。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

5.3 施工階段

（1）施工方案擬定。對(duì)于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，施工工序的不同，使混凝土橋面板和鋼梁組合截面參與受力的階段也各不相同，導(dǎo)致各階段主梁受力狀態(tài)不同。為分析施工方案對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形的影響，文章對(duì)以下四種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析。

方案一：現(xiàn)場(chǎng)搭建臨時(shí)墩→鋼梁節(jié)段吊裝并焊接→拆除臨時(shí)墩→整體澆筑橋面板→施工橋面系。

方案二：現(xiàn)場(chǎng)搭建臨時(shí)墩→鋼梁節(jié)段吊裝并焊接→整體澆筑橋面板→橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除臨時(shí)墩→施工橋面系。

方案三：現(xiàn)場(chǎng)搭建臨時(shí)墩→鋼梁節(jié)段吊裝并焊接→澆筑A、C段橋面板→A、C段橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后澆筑B段橋面板→B段橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除臨時(shí)墩→施工橋面系。

方案四：現(xiàn)場(chǎng)搭建臨時(shí)墩→鋼梁節(jié)段吊裝并焊接→澆筑B段橋面板→B段橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后澆筑A、C段混凝土橋面板→A、C段橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除臨時(shí)墩→施工橋面系。

（2）施工階段結(jié)果分析。方案一、方案二施工速度均較快，但方案一在鋼梁吊裝焊接完成后即可拆除臨時(shí)墩，對(duì)橋下交通影響最?。环桨溉头桨杆男枰氖┕ぶ芷谙鄬?duì)較長(zhǎng)。施工階段應(yīng)力如表1所示。方案一是在鋼梁無(wú)支撐條件下進(jìn)行橋面板澆筑，施工階段應(yīng)力均明顯大于其他方案，經(jīng)計(jì)算，其成橋階段鋼梁應(yīng)力大于270MPa，因此不予采用；方案二、方案三、方案四在施工階段的內(nèi)力均接近，方案三受力性能最優(yōu)。施工階段鋼梁最大拉應(yīng)力為90MPa，最大壓應(yīng)力為103.6MPa，橋面板最大壓應(yīng)力為4.1Mpa，均滿足《規(guī)范》要求。

表1 施工階段跨中截面正應(yīng)力 單位：MPa

5.4 使用階段

（1）鋼梁使用階段承載力計(jì)算。根據(jù)《規(guī)范》第7.2.1條規(guī)定，使用階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示，組合梁基本組合作用下鋼主梁最大拉應(yīng)力為175MPa，應(yīng)力驗(yàn)算滿足要求。

圖3 使用階段鋼梁應(yīng)力圖

根據(jù)《規(guī)范》第7.2.2款第1條，組合梁的豎向抗剪承載力計(jì)算如下：

式中：fvd為鋼梁腹板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aw為鋼梁腹板面積。

組合梁端支點(diǎn)最大剪力Vvd=6375.7kN，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.1，則γ0Vvd=7013.3kN＜Vvu，豎向抗剪承載力滿足要求。

（2）混凝土橋面板縱向承載力及裂縫計(jì)算。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）規(guī)定，在基本組合作用下，橋面板最大壓應(yīng)力為13.7MPa，小于C55混凝土抗壓設(shè)計(jì)值24.4MPa，橋面板縱向承載力滿足規(guī)范要求。

（3）混凝土橋面板縱向抗剪計(jì)算。該橋橋面板橫向鋼筋采用HRB400鋼筋，直徑為22mm，縱向間距為15cm，承托處加強(qiáng)筋直徑與通長(zhǎng)鋼筋相同。根據(jù)《規(guī)范》第6.3條規(guī)定，對(duì)橋面板縱向抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算，混凝土板縱向抗剪界面如圖4所示。

圖4 混凝土板縱向抗剪界面

在圖4中，At為混凝土板上緣單位長(zhǎng)度內(nèi)垂直于主梁方向的鋼筋面積總和，單位為mm2/mm；Ab、Abh為混凝土板下緣、承托底部單位長(zhǎng)度內(nèi)垂直于主梁方向的鋼筋面積總和，單位為mm2/mm。取單片梁梁端最大剪力計(jì)算鋼梁與混凝土板之間水平剪力：

式中：V為形成組合截面之后作用于組合梁的豎向剪力，N；S為混凝土板對(duì)組合截面中性軸的面積矩，mm3；Iun為組合梁未開(kāi)裂截面慣性矩，mm4。

單位長(zhǎng)度上a-a斷面縱向剪力計(jì)算如下：

式中：V1作用引起的單位長(zhǎng)度內(nèi)鋼和混凝土結(jié)合面上的縱向剪力。

單位長(zhǎng)度上d-d斷面縱向剪力計(jì)算如下：

單位長(zhǎng)度內(nèi)混凝土板縱向抗剪承載力計(jì)算如下式：

式中：bf為縱向抗剪截面在垂直于主梁方向上的長(zhǎng)度；Ae為單位長(zhǎng)度內(nèi)垂直于主梁方向上的鋼筋面積。

對(duì)于a-a斷面，bf=250mm，Ae=4.56mm2/mm，經(jīng)計(jì)算V1Rd=1525N＞V1d，滿足規(guī)范要求；對(duì)于d-d斷面，bf=906mm，Ae=4.56mm2/mm，經(jīng)計(jì)算V1Rd=2403N＞V1d，滿足規(guī)范要求。

5.5 組合梁穩(wěn)定計(jì)算

5.6 組合梁撓度計(jì)算及預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917—2013）第4.3.3節(jié)規(guī)定，由汽車(chē)荷載（不計(jì)沖擊力）所引起的簡(jiǎn)支或連續(xù)梁的豎向撓度不應(yīng)超過(guò)計(jì)算跨徑的1/600，當(dāng)結(jié)構(gòu)自重和靜活載產(chǎn)生的撓度超過(guò)計(jì)算跨徑的1/1600時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其值等于結(jié)構(gòu)重力和1/2靜活載所產(chǎn)生的豎向撓度之和，預(yù)拱度線形應(yīng)采用平順曲線。組合梁撓度及預(yù)拱度如表2所示。

表2 組合梁撓度及預(yù)拱度 單位：mm

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小伍份立交橋1～55m簡(jiǎn)支鋼-混凝土組合梁橋的計(jì)算分析可以得出，對(duì)于大跨徑簡(jiǎn)支鋼-混組合梁橋，混凝土橋面板有效寬度一般為全截面。同時(shí)，鋼-混組合梁橋受力及變形與施工方法密切相關(guān)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)施工條件合理制訂施工方案。在臨時(shí)支撐條件下，混凝土橋面板施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力影響不大，橋面板從兩端向中間的施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力較為有利，大跨徑簡(jiǎn)支鋼-混組合梁宜在橋面板施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除臨時(shí)支撐。

該橋主跨采用了1～55m鋼-混凝土組合梁橋方案，下部結(jié)構(gòu)采用普通的柱式墩即可滿足受力需要，極大地方便了下部結(jié)構(gòu)施工，有效地縮短了橋梁施工周期。