装配式波形钢腹板工字型组合梁试设计

赵 森 雷 政 马春祥

(河南大建桥梁钢构股份有限公司,河南 郑州 450000)

装配式波形钢腹板工字型组合梁试设计

赵 森 雷 政 马春祥

(河南大建桥梁钢构股份有限公司,河南 郑州 450000)

结合工程实例，对一种新型的波形钢腹板工字型组合梁结构进行了分析，提出了改善组合结构墩顶负弯矩区混凝土桥面板受力性能的方法，并简要介绍了装配式波形钢腹板工字型组合梁的施工过程，指出了装配式波形钢腹板工字型组合梁在实际应用中的优势。

波形钢腹板，装配式，组合梁

组合钢板梁桥是由钢板或型钢等通过焊接、螺栓或铆钉等连接而成的工字型或者箱型截面的实腹式钢梁作为主要承重结构的桥梁[1]。工字型组合钢板梁桥结构受力明确，计算简单，制作与施工也比较方便，是一种经济耐久的桥梁结构形式，在欧洲、日本、美国等发达国家的桥梁建设中得到广泛应用。在法国，最近几年建造的公路组合梁桥中有90%都是工字型组合钢板梁桥[2]。

随着工字型钢板组合梁桥的广泛应用，人们对其研究更加深入，一种新型的装配式波形钢腹板工字型组合梁逐渐被提出[3]。在新型装配式波形钢腹板工字型组合梁桥中，波形钢腹板结构代替工字型实腹钢梁。由于波形腹板的波折效应，腹板临界屈曲应力有着显著提高，抗屈曲能力明显增强[4-6]。波形钢腹板的使用可以减少直至省略纵、横向加劲肋，同时避免了大量的焊接工作，减少了由于焊接带来的残余应力和焊接变形，使桥梁整体结构得到简化。

结合预制装配式施工技术，波形钢腹板工字型组合梁能够进行工厂标准化预制生产，施工质量得到有效保证的同时，大大缩短施工周期，节省工期和成本。

本文依托某公路跨S河特大桥项目方案设计，阐述了新型装配式波形钢腹板工字型组合梁的结构要点，探讨了解决连续组合结构墩顶负弯矩区混凝土桥面板开裂破坏问题的措施。

1 工程概况

S河特大桥为某省道公路项目，全长1 240 m，上部结构采用新型的装配式波形钢腹板工字型组合梁结构，桥梁单孔跨径40 m，采用四跨一联或五跨一联结构，单幅桥面宽22.5 m。

2 方案介绍

2.1 总体构造

主梁标准跨径40 m，在同一联梁板中，纵向考虑外拼接施工要求，每跨预制长度根据安装及技术要求做相应调整；单幅桥横向7片波形钢腹板工字型组合梁，主梁中心间距3.1 m，跨中采用3道横向连接系，以增强整体结构的横向稳定性。

波形钢腹板主梁高2.2 m，上下翼缘板宽度均为80 cm，波形腹板采用1 200双翼缘型波形钢腹板。

预制组合梁混凝土顶板中，中板宽2.5 m，边板宽3.2 m，板间纵向预留60 cm后浇混凝土湿接缝。组合梁边梁示意图见图1，组合梁中梁示意图见图2。

2.2 总体计算

利用Midas Civil有限元分析软件建立施工与运营阶段全桥有限元模型，如图3所示。

2.2.1 内力计算分析

在计算组合梁抗弯承载力时，考虑施工方法及顺序的影响，并应对施工过程进行抗弯验算，施工阶段作用组合应符合现行《公路桥涵设计通用规范》的规定。内力计算结果如图4～图7所示。

2.2.2 验算结果

由图4～图7可看出，边跨梁内力较中跨梁大，因边跨与中跨梁板截面形式相同，验算时仅取内力较大的边跨梁进行，验算截面位置如图8所示。

在墩顶负弯矩区受力状态分析时，考虑允许出现裂缝，但限制裂缝宽度的设计方法。强度验算结果见表1。

表1 组合梁截面基本组合下抗弯强度验算表

由表1可看出，工字钢梁上、下翼缘应力及混凝土受压区应力满足要求。墩顶处负弯矩区(F截面～H截面)混凝土板上翼缘名义应力大于抗拉强度设计值，桥面板混凝土开裂，进一步验算裂缝宽度[7,8]。

钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土构件，在Ⅰ类、Ⅱ类环境下其计算的最大裂缝宽度不应超过0.2 mm；Ⅲ类、Ⅳ类环境下，不应超过0.15 mm。

矩形截面钢筋混凝土构件及B类混凝土受弯构件，其最大裂缝宽度可按下式计算：

由作用(荷载)短期效应引起的开裂截面纵向受拉钢筋的应力σss按下式计算：

负弯矩区的混凝土桥面板受力状态接近拉弯的混凝土桥面板，一般弯矩较小，拉力较大。验算裂缝宽度时可按照混凝土轴心受拉构件进行，验算结果见表2。

表2 裂缝宽度验算表

由表2可看出，墩顶负弯矩区最大裂缝宽度为0.13 mm，满足规范要求。

3 特殊构造措施

相比较于简支梁结构体系,连续梁在中墩处存在卸载效应,可以减小跨中正弯矩,在相同荷载和梁高条件下,桥梁可以实现更大跨度。但连续梁自身也存在一些问题，墩顶负弯矩引起混凝土上缘拉应力过大，混凝土桥面板容易开裂破坏，从而导致结构耐久性降低。

在设计过程中根据对负弯矩区桥面板的性能要求，可以分成不允许出现拉应力、不允许裂缝产生以及允许开裂限制裂缝宽度三种设计方法。控制拉应力主要方法是施加负弯矩区预应力。墩顶负弯矩施加预应力的方法主要有三种：张拉预应力钢束、支座顶升、加载配重法[9]。对于混凝土和工字钢梁的组合结构而言，施加预应力的效果很大一部分施加在了钢梁上面，后期混凝土的收缩徐变还会进一步导致预应力的损失。经过长时间的实践研究，目前技术人员更倾向于限制裂缝宽度的方法，在不影响结构安全及耐久性的情况下，允许墩顶出现不超限裂缝，这样结构实现起来较为容易。

对于钢—混连续组合结构，采用预制装配式施工时，一般采用先简支后连续施工方法，需要设置临时支座进行体系转换，这样一方面增加了施工工序，体系转换施工较为繁琐；另一方面组合结构体系转换时，墩顶范围内设计施工质量难以保证，墩顶负弯矩区桥面板开裂破坏问题更加突出。

为解决装配式波形钢腹板工字型组合连续梁结构，在墩顶处负弯矩区桥面板易开裂破坏的问题，通过综合采用一系列措施，能够有效控制负弯矩区桥面板裂缝开展。

1)采用支座外拼接施工。将装配式组合梁纵向预制长度加长，伸出支座以外，从而将拼接缝错开支座位置，避免了设置临时支座以及后续体系转换等工作，减少工序的同时使墩顶负弯矩区受力更均匀；

2)中支点钢横梁上翼缘加宽处理。横梁上翼缘横向上与主梁上翼缘连接成为整体，加宽的上翼缘一方面给墩顶处混凝土浇筑带来方便，另一方面在上翼缘上增加PBL剪力键，增强桥面板混凝土与钢主梁的连接，使组合结构能够协同参与受力，改善墩顶组合部位受力状况；

3)后浇筑负弯矩桥面板混凝土。即待梁板架设完成，先施工横向连接系及纵向湿接缝，最后施工墩顶处桥面板混凝土。采用高性能、补偿收缩性质混凝土的同时增大墩顶处桥面板配筋率，以达到控制裂缝的目的。

墩顶处局部构造示意图见图9。

4 施工概述

波形钢腹板工字型组合梁设计采用预制装配式施工，常规架设安装设备即可满足施工要求，主要施工流程如下:工厂制作钢主梁节段→钢主梁拼接→波形钢腹板组合梁预制→组合梁架设安装→湿接缝及后浇段施工→桥面系及附属结构施工→成桥运营。

工厂完成波形钢腹板工字梁节段加工制作后，将波形钢腹板工字梁节段组焊形成整体。在预制梁场利用工字主梁搭设支架、安装顶板模板，顶板钢筋施工完毕后浇筑混凝土，并按要求养护形成波形钢腹板预制组合梁[10]。将预制组合梁移至梁场按要求时间存放，待其初期收缩徐变完成后，利用架桥机架设安装组合工字梁，如图10所示。

架设安装波形钢腹板工字型组合梁时，纵向上每片主梁均伸出支座中心线以外，钢主梁采用螺栓固定连接，将拼接缝设置于墩顶之外，因此墩顶可直接安放永久支座，无需临时支座过渡以及体系转换施工。

5 结语

本文通过跨S河大桥项目方案试设计分析，阐述了新型装配式波形钢腹板工字型组合梁在结构及施工上的特点，并探讨了改善组合结构连续梁负弯矩区受力性能的措施，指出了装配式波形钢腹板工字型组合梁在实际应用中的优势。其结构主要特点有：

1)波形腹板结构体系，避免了纵横向加劲肋，增强结构抗屈曲能力；

2)支座外拼接施工避免了装配式连续梁的体系转换过程；

3)中支点加宽上翼缘改善墩顶负弯矩区受力；

4)预制装配式施工，标准化作业提升效率，施工质量可靠。

装配式波形钢腹板工字型组合梁是一种简洁、施工高效的桥梁结构形式，可以广泛应用于公路、市政桥梁建设。

[1] 吴 冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社，2006:117-163.

[2] 邵长宇.梁式组合结构梁桥[M].北京:中国建筑工业出版社,2015:12-13.

[3] 聂建国，陶慕轩，吴丽丽，等.钢—混凝土组合结构桥梁研究新进展[J].土木工程学报，2012(6):110-122.

[4] 聂建国，朱 力，唐 亮.波形钢腹板的抗剪强度[J].土木工程学报，2013(6):97-109.

[5] 朱 力，蔡建军，聂建国.波形钢腹板的弹性剪切屈曲强度[J].工程力学,2013,30(7):40-46.

[6] 张宏杰，唐明敏，万 水.波形钢腹板混凝土工字梁剪切变形研究[J].中外公路，2012,32(6):149-152.

[7] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[8] JTG D64—2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].

[9] 刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社，2005:94-100.

[10] 雷 政，陈华利，赵 森.波形钢腹板组合梁桥的SCC悬臂施工法[J].山西建筑，2016,42(14):147-148.

Trial design of assembled composite beams with corrugated steel webs

Zhao Sen Lei Zheng Ma Chunxiang

(HenanDajianBridgeSteelStructureCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Combining with the engineering examples, a new type of corrugated steel web girder structure is proposed. The analysis of structure shows that the assembly corrugated steel webs Ⅰ-shaped composite structure has good mechanical properties. The paper discussed the measures of improving the force performance of concrete bridge deck of composite structure at the top of pier negative moment area, and briefly introduced the construction process of assembly corrugated steel webs Ⅰ-shaped girder, points out the advantage of applying the assenbe corrugated steel web Ⅰ-shaped combined beam in practice.

corrugated steel web, assembly, composite girder

1009-6825(2017)21-0138-04

2017-05-22

赵 森(1989- )，男，助理工程师； 雷 政(1988- )，男，工程师; 马春祥(1989- )，男，助理工程师

U448.216

A