雙主梁鋼板組合梁橋總體設計與分析

張鈺伯

（邯鄲市交通運輸局公路勘察設計院，河北 邯鄲 056001）

1 工程背景

組合結構橋梁由于多項新技術的應用，因而具有了良好的機能和耐久性，快速施工縮短了投資回報期，多樣化結構適應了不同橋位不同跨度橋梁建設的需求和景觀要求，簡化的結構減少了橋梁施工和維修管理工作量[1]。

為了響應交通部綠色公路的要求，本橋梁在設計上遵循“安全、耐久、經濟、美觀”原則，以工廠化生產、標準化施工為主要建設理念與目標，某新建公路跨線橋擬采用新型鋼板組合梁。綜合比選結構的經濟性、施工的便利性[2]，通過充分的前期方案比較，橋梁上部結構擬采用35m跨度雙工字鋼鋼板組合梁。

2 橋梁結構設計

2.1 橋梁總體設計

為了跨越規劃的省道，考慮到斜交角度，橋梁主跨采用35m跨越。橋梁總體位于直線段，橋梁最大縱坡為1.2%。為了提高橋梁行車的舒適性，橋梁上部結構采用4×35m連續梁。橋墩采用柱式橋墩，直徑1.4m圓柱墩。所有樁基均采用鉆孔灌注樁，樁基直徑1.6m，樁頂設置樁頂系梁。橋臺采用肋板式橋臺，框架式承臺接1.2m群樁基礎，樁基均按摩擦樁設計。

2.2 鋼結構主梁設計

鋼主梁橫向由2片工字鋼組成，鋼材采用Q345qE橋梁用結構鋼。工字梁上翼緣板寬800mm，板厚度為20～44mm，在中支點附近加厚到44mm；工字梁下翼緣板寬960mm，厚度為36～50mm，在中支點附近加厚到28mm，縱向加勁肋間距為2 000mm。

腹板厚度20～28mm，在支點附近加厚到28mm，為提高局部穩定性，設置一定數量的橫向加勁肋。橫向加勁肋采用1 800mm×16mm板肋，水平間距中支點處為1 000mm，跨中處為2 000mm。

為了提高橋梁結構的耐久性，鋼結構采用重防腐設計，具體防腐涂層設計如表1所示。

表1 鋼主梁防腐要求

2.3 混凝土橋面板設計

橋面板全寬 12.75m，厚 20～40cm，懸臂長 3.125m，采用C50補償收縮混凝土。橋面板為鋼筋混凝土結構，設置預應力鋼筋。橋面施工采用預制安裝施工。

橋面板濕接縫混凝土采用現場澆筑施工方案，由跨中向墩頂，對稱澆筑剩余預制行車道板橫向濕接縫,待強度達到90%后方可進行下一道施工工序。剪力釘采用φ22mm圓頭焊釘，長200mm，剪力釘在鋼主梁頂板橫向間距為12.0cm，縱向間距為12.5cm。

全橋剪力釘均為工廠焊接，剪力釘的檢驗、焊接工藝、焊接質量檢驗及生產焊接控制均應滿足有關規范的要求。

2.4 主要施工方案

鋼板梁安裝擬采用少支架分段吊裝施工。全部鋼板梁吊裝、焊接就位后，經檢查整梁位置、橋面標高、支座與鋼板梁連接合格后，拆除支架，緩慢落梁；最后對鋼板梁局部作補充涂裝、涂最后一道面漆。

預制板在工廠預制，現場分塊吊裝至鋼主梁上，最后澆筑剪力釘槽濕接縫，橋面板的現場按從跨中向墩頂方向進行合攏。預制橋面板保濕養護不少于30d，存放期應在6個月以上?，F場現澆濕接縫保濕養護不少于28d。

3 主橋縱向靜力分析

3.1 結構計算假定

主橋上部結構的靜力計算分析以空間桿系理論為基礎，Midas Civil 2019進行結構分析計算?？v梁采用Midas組合梁截面，橫向分布系數采用杠桿法[3]進行計算。

根據JTG D64-01—2015《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[4]7.1.2條文規定，混凝土橋面板按部分預應力混凝土B類或普通鋼筋混凝土構件設計時，應采用開裂分析方法，中間支座兩側各0.15L（L為中支點兩側橋梁跨徑）范圍內組合梁截面剛度取開裂截面剛度，其余段組合梁截面剛度取未開裂截面剛度。

此次模型分析，采用負彎矩區開裂模型，即不考慮負彎矩區混凝土對結構剛度的貢獻，分析混凝土板及鋼主梁上緣在負彎矩區的受力情況。

3.2 鋼結構部分計算結果

負彎矩開裂模型下，荷載基本組合包絡作用下，鋼梁應力如圖1、圖2所示。

圖1 基本組合作用下鋼梁上緣最大應力（拉應力）：186.4MPa

圖2 基本組合作用下鋼梁下緣最大應力（壓應力）：171.7MPa

由圖1、圖2可知，在基本組合作用下，鋼梁上緣最大拉應力（186.4MPa），鋼梁下緣最大壓應力（171.7MPa），均小于鋼材抗拉、抗壓強度設計值260MPa（Q345鋼，厚度40～63mm）。

組合梁截面的剪力全部由鋼梁腹板承擔，不考慮混凝土板的抗剪作用。組合梁抗剪承載力驗算取跨中與支點截面進行驗算，組合截面承載能力組合Ⅰ作用下最大剪力值如表2所示。

表2 主梁剪力設計值計算表

當組合梁承受彎矩與剪力共同作用時，應考慮二者耦合的影響，主梁折算應力如表3計算所示。

表3 主梁折算應力值計算表（開裂模型）

3.3 混凝土橋面板計算結果

由于負彎矩區橋面板開裂，需控制橋面板最大裂縫。根據JTG D64-01—2015《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》7.1.2條紋規定，混凝土橋面板按部分預應力混凝土B類或普通鋼筋混凝土構件設計時，應采用開裂分析方法，中間支座兩側各0.15L范圍內組合梁截面剛度取開裂截面剛度，其余段組合梁截面剛度取未開裂截面剛度。

荷載短期效應組合下，橋面板軸力最大為7 705kN，按D25mm@120mm，雙層雙肢并排布置，鋼筋拉應力為157MPa。故按負彎矩區軸力控制裂縫更為安全。經計算負彎矩區最大裂縫寬度Wfk=0.155mm＜0.2mm。其他區域橋面板鋼筋按D16mm@120mm雙層布置，最大裂縫寬度Wfk=0.191mm≤0.2mm。

4 橋面板橫向受力分析

4.1 結構計算模型

主梁橫斷面由2片工型鋼梁與混凝土橋面板通過剪力鍵連接為整體，鋼梁腹板間距6.5m，最大懸臂長度3.125m；由于主梁中橫梁頂板與橋面板分離，橋面板計算可按單向板模型進行分析計算。

在順橋向取單位長度上部結構進行離散化，建立平面框架有限元模型，如圖3所示。

圖3 橋面板橫向計算有限元模型

4.2 計算荷載

平面框架模型主要承受的恒載包括一期自重恒載和二期鋪裝、護欄等荷載。溫度荷載與徐變按JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》取值。汽車荷載采用車輛荷載進行加載，重車軸重140kN，車輪間距1.8m，相鄰車輛間距1.3m，沖擊系數取為1.3，組合系數取1.8。

同時考慮汽車撞擊作用，SS級護欄在車輛行駛垂直方向取87kN/m撞擊力，作用高度取1.2m，荷載分布寬度取5m，則撞擊力彎矩M=87×1.2=104.4kN·m/m。

對于單位長度模型，需進行荷載分布寬度計算，根據JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定，分別計算梁間跨中、支承處、懸臂處荷載有效分布寬度，根據計算得到的荷載分布寬度，調整作用在單位寬度模型上的車輛荷載作用系數。

4.3 主要計算結論

結合規范要求，對橋面板進行抗彎承載能力、正截面抗裂等驗算。荷載基本組合作用下，橋面板承載能力滿足規范要求。在短期效應組合下，跨中橋面板拉應力1.63MPa，支承處橋面板上緣未出現拉應力，滿足規范要求；在長期效應組合下，跨中橋面板與支承處橋面板上緣均未出現拉應力，滿足規范要求。

5 結語

本文以某跨線橋為工程背景，介紹了一種新型的雙主梁鋼板組合梁的設計方案及有限元分析。主要結論如下：

1）鋼板組合梁結構是一種經濟合理的橋梁結構形式，符合綠色公路的發展理念。本項目采用的雙主梁鋼板組合結構形式簡單、施工方便，為同類項目的建設提供了參考與借鑒。

2）多主梁簡支鋼板組合梁具有較好的經濟性，本項目上部結構用鋼量為160kg/m2,橋面板混凝土用量為0.3m3/m2，普通鋼筋用量為125kg/m2。

3）通過有限元計算分析結果表明，雙主梁鋼板組合梁的縱/橫向受力均能滿足規范要求。