钢—混组合梁桥在国外水电站专用道路上的应用

鲁玉忠 王 玲

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

钢—混组合梁桥在国外水电站专用道路上的应用

鲁玉忠 王 玲

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

阐述了国外水电站专用道路所处环境的特殊性，结合厄瓜多尔CCS水电站专用道路10座钢—混组合简支钢板梁桥的设计，简要叙述了简支组合钢板梁的特点及整体设计思路，重点介绍了美国桥梁规范钢板组合梁桥的设计与计算，为相关桥梁工程的设计提供参考。

水电站专用道路，钢—混组合梁，TBM

近几年，中国水电企业在国外的水电站建设项目日益增多，并修建了大量的水电站专用道路。专用道路建设地点一般地形起伏大、地质条件复杂，再加上国外对环保的高度重视，桥梁可供选择的预制场地就非常有限；往往还受水电站所在国经济发展水平的制约，预应力施工技术相对落后。基于预制场地受限、预应力施工技术落后，钢桥相对混凝土桥投资又较高，钢—混组合梁桥自然成为水电站专用道路上适宜的桥型。

钢—混组合梁结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，场地清洁较有保证，钢材部分可回收利用，有利于环保、节能，具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减少地震作用，减少构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省高空支模工序和模板，工厂加工，不需要专门的预制场，缩短施工周期，增加构件和结构的延性等。同钢桥相比，可以减少用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，降低建筑高度，减少冲击，耐疲劳，减少钢梁腐蚀，减少噪声，维修养护工作量较少，增强结构的抗火性和耐久性等。

1 工程概况

Coca Codo Sinclair水电站项目位于厄瓜多尔Napo和Sucumbios省内，主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道及地下厂房，场内专用道路是水电站建筑物和国道的连接通道，桥梁建设情况见表1。

2 钢—混组合梁桥设计

简支钢—混凝土组合桥的桥面系由主梁、横向连接系、混凝土桥面板、抗剪连接件及附属设施等部分组成，适用跨径15 m～80 m。

2.1 钢—混组合桥梁设计方法

美国桥梁规范[1]采用荷载抗力设计法(Load and Resistance Factor Design)，我国《公路钢结构桥梁设计规范》(征求意见稿)、《钢—混凝土组合桥梁设计规范》(征求意见稿)中采用了极限状态设计方法。两国设计方法有差异[3]，美国规范是以可靠度理论为基础，采用荷载抗力设计法，设计表达式没有分项系数，而我国桥梁规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。

表1 CCS水电站专用道路桥梁一览表

2.2 主梁根数的选取

简支组合梁的主梁间距比混凝土梁桥主梁间距大，桥面板横桥向跨度一般可以做到2.5 m～4.0 m，桥面悬臂板为1.0 m～1.5 m，采用横向预应力桥面板时，桥面板横向跨度可以达到6 m以上，主梁可减少至2根～3根。由于本项目桥梁为重载交通，不具备预应力施工技术，故双车道采用4根主梁，单车道采用2片根梁，主梁间距采用2.1 m～3 m。

2.3 简支组合梁桥经济梁高的选取

经济性梁高的选用是进行结构设计的关键，主要考虑桥梁的承载力、刚度、经济性、地形地貌等因素。对于简支钢—混凝土组合桥由于承载能力高且自重较轻，主梁截面尺寸可明显小于钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构桥梁，跨径15 m～80 m高跨比范围为1/18～1/25[4]，对于有重载运输要求的专用道路建议取1/15。

2.4 抗剪连接件设置

为发挥组合梁中钢混两种材料的组合作用，每根钢梁上需设置抗剪连接件。目前常采用的抗剪连接件有栓钉、槽钢、角钢、弯筋、摩擦型高强螺栓等多种型式，且栓钉采用专业设备焊接，具有焊接质量容易保证、施工速度快、造价低等优点被广泛采用。经调研，厄瓜多尔市场无专业栓钉设备，本项目采用了槽钢抗剪连接件。

2.5 连接系设计

为防止主梁侧向失稳、合理分配荷载、抵抗桥梁扭矩、便于主梁安装架设定位等需要设置横向连接系。横向连接系根据构造形式的不同有实腹式、桁架式、平联式，结合当地桥梁的设计习惯，本项目采用桁架式连接形式，间距5 m～6 m。处于更换支座和检修的需要，35 m跨以上桥梁梁端部采用实腹式横向连接。

2.6 钢梁防腐设计

为保证钢结构的耐久性，一般采用油漆涂层防护体系，以达到隔绝空气、防腐的目的。本项目防腐方案：表面除锈质量等级达到Sa2.5级；钢梁外油漆涂料采用三层：第一层：环氧富锌漆(灰)，干膜厚度60 μm，一道；第二层：环氧云铁中漆，干膜厚度120 μm，1道～2道；第三层：丙烯酸脂肪族聚氯氨酯面漆(颜色为银灰色)，干膜厚度80 μm，两道，三层涂料合计干模厚度为260 μm。建议类似工程采用耐候钢。

2.7 材料选用

1)结构钢。主梁上部钢构件均采用A588-50(350 N/mm2)钢材，fy=350 N/mm2，弹性模量E=1.998×105N/mm2，剪切模量G=7.579×104N/mm2，弹性泊松比v=0.3，线性膨胀系数为1.17×10-5/℃。

2)混凝土。行车道桥面板采用ASTM C5000psi混凝土，混凝土弹性模量Ec=2.8×104N/mm2，混凝土弹性泊松比v=0.2，线性膨胀系数为9×10-6/℃。

3 钢—混组合梁桥结构计算

3.1 设计荷载

1)结构自重。结构自重包括桥面板及结构钢自重，其中结构钢包括：钢梁、连接系及抗剪连接件。

2)二期恒载。二期恒载包括沥青桥面铺装、人行道、栏杆及其他交通附属设施。

3)施工阶段荷载。施工阶段荷载按1.5 kN/m2考虑。

4)混凝土收缩徐变。上部结构混凝土收缩徐变作用按ACI 318-08[2]相关规范执行。

5)温度荷载。温度荷载包括整体升温、整体降温、结合梁正温度梯度、结合梁负温度梯度。整体升温：13 ℃；整体降温：-13 ℃。结合梁温度梯度按AASHTO LRFD规范第3.12.3相应条文执行。温度梯度如图1所示，其中正温度梯度：T1=23 ℃，h1=0.1 m；负温度梯度：T1=-11.5 ℃，h1=0.1 m。

6)活载。a.汽车标准活载按照AASHTO LRFD规范，取HL-93TRK最不利汽车荷载效应；b.水电站施工特种活载：运输TBM的特种荷载(轴距1.2 m，轴重150 kN，共10轴)；c.人群荷载3.6 kN/m2，见AASHTO LRFD 3.6.1.6；d.其他附加活载均按规范AASHTO LRFD取值。

7)静风荷载WS和WL。按照规范AASHTO LRFD第3.8条执行。考虑作用在结构上的风WS和作用在车辆上的风WL。结构风WS，上风向荷载4.4 N/mm，下风向荷载2.2 N/mm。车辆风WL，上风向荷载1.46 N/mm。

3.2 计算内容

1)有效宽度计算。有效宽度直接影响组合梁的内力计算以及挠度和抗剪连接件的设计，通常情况下，有效宽度的取值对承载能力极限的影响较小，但对正常使用阶段变形验算的影响较大。美规AASHTO LRFD第4.6.2.6.1条规定：

内梁有效宽度取下列三种情况较大者：

a.有效跨长的1/4；b.混凝土板平均厚度的12倍，加上腹板厚度和大梁顶板宽度的1/2这两者较大值；c.相邻梁的平均间距。

外梁有效翼缘宽度可取相邻内梁有效宽度的1/2加上下列三种情况的最小者：

a.有效跨长的1/8；b.混凝土板平均厚度的6倍，加上腹板厚度的1/2和主梁顶板宽度的1/4这两者中的较大者；c.悬臂的宽度。

2)截面特性计算。考虑在静荷载下混凝土的徐变，当作用在短期结合截面上的瞬暂荷载(如汽车活载)，板的面积应该用短期模量比n来换算；对于作用在长期结合截面的永久荷载，板的面积用模量比3n来换算，n为主梁钢材弹性模量与混凝土弹性模量的比值。

3)钢板梁、连接系及桥面板的计算。每座桥梁采用“空间杆系程序Midas Civil”软件，梁格法建立全桥模型，75 m跨全桥模型见图2。建模进行静力计算及稳定分析，提取施工阶段、使用阶段内力及变形，根据规范进行强度、剪力强度及桥面板应力复核。剪切承载力应考虑竖向加劲肋的贡献。

4)焊接连接计算。焊接连接计算内容包括钢梁腹板与翼缘板角焊缝连接计算、风撑与加劲肋角焊缝连接计算，根据计算确定焊缝长度及连接板尺寸。

5)桥面板计算。对混凝土桥面板特性的广泛研究发现，桥面板抵抗集中轮荷载的主要结构左右并不是像传统上所认为的弯曲，而是一种复杂的称之为内部拱的内部薄膜应力状态，这种分析方法称为经验设计法。本项目根据AASHTO LRFD 9.7.2条，桥面板设计采用经验设计方法。

6)刚度计算。公称活载作用下组合梁桥结构刚度均不大于1/800。

7)结构稳定性分析。结合该桥的结构特点及施工过程，对其成桥运营状态进行稳定性分析，在全桥满载工况，并考虑恒荷载及风载影响，最不利布载阶段稳定系数均远远大于4，稳定性满足要求。

除以上计算内容外，尚应根据AASHTO LRFD 6.10.10.4,AASHTO LRFD 6.6.1进行槽钢剪力键及疲劳计算。

4 结语

通过设计实例，对采用美国规范的简支钢—混组合梁的设计、计算做了简要介绍，本项目桥梁承受最大活载为运输TBM的特种荷载，简支梁单跨最大跨径达75 m，具有重载、大跨的特点。本项目的设计，可为国外类似的桥梁设计提供经验，具有一定的借鉴作用。

[1] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Fifth Edition[S]. American Association of State Highway and Transportation Officials, 2010.

[2] ACI 318-11, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-11) and Commentary [S].

[3] 鲁玉忠，于剑丽，宋银平.中美公路桥梁设计规范对比研究[J].铁道标准设计，2013(5)：79.

[4] 聂建国.钢—混凝土组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2011.

Application of steel-concrete composite bridge on dedicated road of foreign hydroelectric station

LU Yu-zhong WANG Ling

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

This article describes the particularity of environment of dedicated road in foreign hydroelectric station. According to design of 10 steel-concrete composite bridges on dedicated road of Ecuador CCS hydroelectric station project, briefly illustrates the characteristics of steel-concrete composite bridge and the overall design ideas, highlights design and calculation of steel-concrete composite bridge in AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Provides reference for the design of bridge related.

dedicated road of hydroelectric station, steel-concrete composite beam, TBM

1009-6825(2014)30-0170-03

2014-08-10

鲁玉忠(1981- )，男，工程师； 王 玲(1981- )，女，硕士，工程师

U448.34

A