提高钢箱梁顶板整体刚度的优化研究

韩有龙++赵亮++刘元+++李朴++王贵林

摘要： 针对钢混组合梁桥，钢箱梁顶板刚度小的特点，利用空间有限元进行模拟，提出四种解决方案。结合实际工程对进度的要求，最终确定使用槽钢作为背向加劲肋，增加钢箱顶板刚度。通过设置沉降观点，在混凝土桥面板浇筑过程中，进行实时观测顶板变形，确定该方案的合理性及实用性，为今后类似工程的应用提供良好借鉴。

Abstract： Aiming at the steel-concrete composite beam bridge with the characteristics that steel box girder roof stiffness is small， four kinds of solutions are put forward using the space finite element simulation. Combined with the actual engineering requirements on the progress， ultimately determine the use of channels as back stiffener to increase the roof stiffness. Through setting the settlement observation point， in the concrete bridge deck pouring process， take the real-time observation for the roof deformation， determine the rationality and practicality of the program， so as to provide a good reference for the future application of similar projects.

关键词： 钢混组合梁桥；顶板刚度；优化；挠度

Key words： steel-concrete composite bridge；roof stiffness；optimization；deflection

中圖分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0091-04＼

0 引言

钢混组合结构桥梁目前被广泛应用。在实际施工过程中，以钢箱梁顶板作为混凝土桥面板浇筑的底模板，可以节省搭设临时支撑等材料、人力费用。实际的钢箱梁顶板刚度较小，不能承担混凝土产生的自重，本文通过一定的技术措施来提高钢箱梁整体刚度，满足施工过程中的要求。

1 工程概况

钢箱梁主梁采用钢-混组合箱梁（图1）。由预制好的钢主梁通过剪力钉与现浇混凝土板结合而成。钢箱梁设计采用倒梯形，钢箱截面为单箱三室，主要由上翼缘板、腹板、底板、顶板、腹板加劲肋、底板加劲肋、顶板加劲肋以及横隔板组成。钢主梁在梁中心线处高1.15m，钢主梁顶板宽15m，翼缘板宽2.4m，厚度t=12mm，纵向隔梁处加厚为26mm，下底板宽7.97m，厚度t=20mm；腹板厚度t=16mm。钢梁普通节段横隔板均采用桁架式空腹横隔板，永久支座处横隔板采用实腹式横隔板。横隔板的间距墩顶为3.00m，跨中为4.0m。在钢主梁上现浇350mm标号为C50的混凝土作为桥面板。

2 施工过程有限元分析

本工程为文博会配套基础设施，采用EPC总承包模式管理，施工周期仅为150天。钢箱梁采用工厂预制，现场拼装完成。在设计时仅考虑成桥荷载状态下的内力计算。钢箱梁现场拼接至第五片梁时，经有限元软件（图2）对施工过程进行分析。

以钢箱梁顶板为模板，浇筑350mm混凝土时，混凝土未与钢箱梁结合为整体，共同受力。因此施工过程中混凝土产生的自重全部由钢箱顶板承担。根据计算结果，作为底模的顶钢板板厚为12mm，加劲肋的间距为4m且尺寸都较小。浇筑混凝土时顶板加劲肋最大应力达到563MPa，钢板局部竖向变形最大达到51mm；翼缘挑臂加劲肋最大应力达到296MPa，局部竖向变形最大达到33mm。浇筑混凝土时的钢板应力及变形都远超规范，无法保证施工安全和浇筑质量。

3 提高顶板刚度的优化分析

3.1 箱内加支撑

在钢箱梁内加入支撑，增加其受力性能，其实施如图3所示。

在中箱底板横梁上设置三道纵向支撑，间距1.4m，钢管支撑位置与底板纵向加劲肋对应，且增加斜向支撑做好支撑系统的稳定性，钢管与木方节点位置以钢管顶加楔形块作为高差调整装置，保证顶钢板在同一平面内。桥面板浇筑前，选取纵向8m（2道隔板间距）横向全断面范围采用120%的桥面板自重进行加载试验，以确保浇筑的安全性。

其有限元计算结果如图4所示。

由计算结果可知，加载纵向支撑后，顶板在浇筑混凝土过程中，最大变形为2.46mm，应力最大为40.3MPa，满足规范要求。

3.2 箱内顶板增加横向加劲肋

对顶板加劲肋进行加密：中箱顶板加劲肋加密至50cm一道，边箱加劲肋加密至100cm一道（需增加相应位置处的斜腹板内侧横向加劲肋），加劲肋尺寸保持原设计尺寸不变，如图5所示。

加劲肋加密后，建立有限元模型进行分析，计算结果如图6。

根据计算结果，中间加劲肋最大应力为163MPa，竖向最大变形为10mm。满足施工及设计要求。

3.3 顶板外部增加竖向钢板

顶板设置横向12*120*15000mm钢板，间距50cm，与原顶板焊接。由于桥面铺装钢筋网片较密，须在钢板处设置预留孔洞（图7），以通过原纵向主筋。

由图8中可以看出，最大位移变形梁为0.65mm，最大应力为19MPa，满足规范要求，保证了施工的安全性。

3.4 顶板外部增加槽钢

顶板上部每隔50cm采用横向100*48*5.3mm的热轧槽钢，反扣于钢板上，且与顶板焊接。单块槽钢长度为9300mm，以提高钢箱顶板的整体刚度，保证混凝土桥面板浇筑过程中的施工质量。建立有限元模型进行分析（图9）以验证该方案的合理性。

根据有限元分析可知，采用该种方案，其最大变形为0.83mm，最大应力为24.1MPa，满足设计要求，且能够保证施工安全性。

3.5 方案对比与优化（如表1）

本工程的施工工期为最大的困扰因素。综合考虑到安全性、适用性及可操作性等因素，选择顶板外部增加槽钢的施工方法。采用该种施工方法，避免了加劲板开洞，箱内施工作业难度大等施工困扰因素，且48mm高度的槽钢，恰好符合桥面铺装钢筋保护层厚度。

施工过程中在每跨跨中变形最大处设置沉降观测点，浇筑混凝土过程中及施工完成24h内的顶板挠度变化如表2所示。

由表中数据可知，采用方案四施工，钢板最大挠度变形为7mm，最小难度变形为2mm，满足设计及施工要求。

槽钢焊接工作共用时3天，为后续工作展开争取了宝贵的时间。

4 結论

钢-混凝土组合结构桥梁具有上部结构高度小、自重轻、地震作用小、结构延性好、基础造价低、便于工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快等优点，近年来在我国得到了迅速的发展。本文介绍了在组合结构桥梁顶板增加刚度方面的四项最新研究和实践工作，内容包括箱内加支撑、箱内顶板增加横向加劲肋、顶板外不增加竖向钢板、顶板外部增加槽钢。通过对四种方案的有限元计算，结合对工期、施工安全性的综合比较，选取顶板外部增加槽钢作为实际施工方案，取得了良好的效果，可为解决组合结构桥梁的类似问题提供参考和借鉴。

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