钢混组合梁桥在异型桥设计中的应用

许伟龙

摘 要：随着城市建设扩张，快速路成为连接新老城区与的重要交通线，高架桥梁是高架道路的承重结构形式，其中钢混组合梁桥是通过剪力连接件形成混凝土与钢的组合构件组成的桥梁，受力性能兼具混凝土桥和钢桥的优点。在异型桥的设计中，采用钢混组合梁桥可以避免设计多室箱梁、搭设满堂支架、制作复杂模板，设计经济合理，施工便利。该文针对异型钢混组合梁桥采用Midas Civil梁格法计算内力分布，论证其在桥梁设计中的应用。

关键词：钢混组合梁桥；剪力连接件；异型桥；梁格法

中图分类号：U44 文献标志码：A

0 引言

我国的高架桥梁上部结构以混凝土梁为主，钢梁为辅，混凝土桥往往需要搭设满堂支架、张拉预应力钢束等工序，施工烦琐，加上混凝土的自身缺陷和性能退化使其耐久性不良，钢桥的脆性疲劳、屈曲失稳、腐蚀等问题不可避免。从全寿命经济性设计角度看，钢混组合梁桥能扬长补短，使结构设计、施工、维护更合理。

1 钢混组合梁桥概念

钢混组合梁桥是截面内由钢和混凝土连接而成的组合构件组成的梁式桥，按钢梁形式分为组合钢板梁桥、组合钢箱梁桥、组合钢桁架梁桥。通常情况下，先吊装钢梁，在钢梁上浇筑或安装桥面板，待形成整体截面后施工其他荷载。

2 异型桥梁设计方法

在城市高架道路设计中，匝道口、转换段往往是异型桥梁，其构造较为复杂，受力呈现空间特性。目前多采用预应力混凝土箱梁，具有抗扭刚度大，整体性优良的特点。但是异型结构自身的复杂构造导致箱梁构造复杂，如曲线折线腹板、箱室不连续、横梁多样和预应力钢筋布置烦琐等，且在施工中需要搭设支架、张拉钢束、普通钢筋绑扎、制作模板等工序制约着工程进度。针对混凝土箱梁的缺点，钢混组合梁桥能发挥组合结构的优势，应用到异型桥梁中，避免设计复杂异型箱梁，又能解决异型桥梁受力性能计算。施工免于搭设支架、张拉钢束，减少钢筋工作量。所以从设计合理性、施工便利性、运营耐久性等全寿命成本看，钢混组合梁桥是具有显著的优势。

钢混组合梁应用到异型桥时，用构造简单的钢梁替代混凝土腹板和底板，免除不规则的箱室分布。钢梁沿着桥梁主受力方向布置，支撑混凝土板和施工荷载，在其上浇筑或拼接桥面板，形成钢材与混凝土共同承受使用荷载的组合结构桥梁。

混凝土箱梁和钢混组合梁，异型桥梁推荐采用剪力—柔性梁格法计算结构受力。剪力—柔性梁格法非常适用于曲线桥梁和异型桥梁的计算，它的基本思想是将桥梁上部结构用刚度等效的梁格来模拟，当桥梁承受相同荷载时，原结构和等效梁格结构的挠曲相同，且每一纵梁的内力等于其等效的梁体的内力。梁格法的基本步骤是将梁整体截面按腹板位置划分，划分原则是纵梁形心高度与箱梁的形心高度一致，纵梁的位置与腹板相重合，然后通过横向构件连接成整体。

3 钢混组合梁桥设计

将桥面混凝土板与钢梁通过连接件共同作用的组合梁起源于20世纪30年代，我国近年来开始关注钢混组合梁桥。在常规桥梁设计中，组合梁桥凭构造简单，施工简便而应用广泛，其设计主要包括如下部分。

3.1 钢梁

钢梁的形式有钢板梁、钢箱梁和钢桁架梁，梁式桥主要采用钢板梁或钢箱梁，组合钢板梁桥因其开口截面，因此在安装和维护上更便利，但开口截面抗扭惯性矩小，整体性能差，在受力不明确的异型桥梁谨慎使用。钢箱梁分为槽形钢梁和闭口钢梁。钢梁形式应根据桥梁总体方案确定，满足施工期间的承载力与稳定性，一般除了规则桥梁采用钢板梁，其他情况采用钢箱梁。

3.2 桥面板

桥面板既作为组合断面的一部分参与整体受力，也直接承受车辆轮压作用。桥面板是组合梁中最为关键的部位，但因其存在开裂和剪力键疲劳破坏等问题，也成为设计难点。桥面板横向可采用普通钢筋或预应力钢筋混凝土，在支点负弯矩区域张拉纵向预应力钢束或预加压力以控制桥面板开裂。桥面板分为现浇、预制及叠合板。现浇板整体性好，但模板耗工费时。预制板直接安装在钢梁和横梁上翼缘，接缝处浇筑混凝土，但对接缝处的钢筋搭接和预制板边缘槽口要求较高。

3.3 连接件

连接件起到连接钢梁与混凝土板作用，有焊钉、开孔板、型钢形式。组合梁桥的连接件主要为圆柱头焊钉，保证焊钉的抗剪和抗拔承载力。焊钉布置通常结合钢梁上翼缘行走支架的预留轨道空间。

4 工程实例

该文以高架桥梁的变宽段为例，采用钢混组合梁桥方案，选择钢梁和桥面板形式，建立有限元梁格模型，模拟组合梁的施工阶段和成桥分析，论证钢混组合梁桥在城市高架桥中的应用。

4.1 工程概况

某高架桥梁连接城区与副城，其中在高架出口有变宽段，桥梁呈异型构造，宽度从25 m渐变到35 m，跨径布置3×35 m。拟采用预应力混凝土箱梁或钢混组合梁。

4.2 工程方案

考慮到混凝土箱梁要支架浇筑、绑扎钢筋、张拉钢束等工序，且箱室倒角模板复杂，因此选择钢混组合梁，钢梁采用分箱式槽形箱梁，腹板焊接翼缘板和纵向加劲肋，底板焊接纵向加劲肋，箱梁纵向间距3.5 m设置横隔板和横梁，横隔板相间设置箱梁横隔系，桥面板采用变厚度预制板，每个腹板上方横行焊接4排圆柱头焊钉，如图1、图2所示。

4.3 组合梁计算

采用剪力—柔性梁格法计算组合梁内力，每个分箱为纵梁，桥面板为虚拟横梁，悬臂端设置虚拟纵梁便于施加护栏重量。由于分两阶段施工，第一阶段吊装钢梁并安装横梁，施加桥面板湿重和施工荷载，第二阶段组合桥面板并浇筑接缝，施加二期恒载和使用荷载。同一截面分阶段施工可用MIDAS施工阶段联合截面模拟。桥面板计算单独建立横向模型，计算桥面混凝土板横向配筋，如图3、图4所示。

4.4 计算结果

第一阶段计算同全钢桥梁，控制构件的应力强度。第二阶段利用表格查看联合截面混凝土和钢的应力、构件内力和变形，并根据内力计算顶缘裂缝。

5 结论

通过对钢混组合梁桥的研究和计算，对于异型桥梁采用钢混组合梁时应注意以下几点：

（1）异型桥梁采用钢混组合梁桥能避免混凝土箱梁的缺点，设计经济合理，施工便利快速，在桥梁建设领域推广。

（2）组合梁在钢梁形式选择时，因结合桥梁总体方案，梁式规则桥梁采用钢板梁，其他桥梁采用钢箱梁。钢梁的局部稳定和疲劳强度计算同全钢桥梁。

（3）负弯矩区桥面板开裂是组合结构自身特点决定的，可采用张拉预应力钢束法、预加荷载法、支点位移法。

（4）桥面板计算同常规桥面板计算，采用普通钢筋或预应力钢筋混凝土板。

（5）钢混组合梁的变形要考虑滑移效应的折减刚度，注重其他细节如腹板上翼缘钢筋搭接、桥面分块和留槽等设计。

参考文献

[1]绍长宇.梁式组合结构桥梁[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]汉勃利.桥梁上部构造性能[M].北京：人民交通出版社，1982.

[3]李连强.梁格法在异型曲线箱梁桥的计算分析与应用[J].城市道桥与防洪，2008（7）：49-52.

[4]马勇毅.剪力-柔性梁格法在midas中的具体应用[J].中外公路，2007，27（5）：173-175.