预制组合钢板梁桥纵横梁钢-混结合段局部构造分析

孙一鸣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 预制组合钢板梁桥简介

城市高架桥标准跨径一般小于35 m，其中绝大多数采用普通钢筋混凝土或预应力混凝土结构。最近几年采用组合结构桥梁趋势越来越明显。

预制组合钢板梁桥主梁采用焊接或者轧制工字钢截面，全部在工厂中制作加工。钢筋混凝土桥面板部分在工厂中预制，部分现浇。支点处钢梁之间不直接连接，而是通过现场浇筑的混凝土横梁连系前后。这种桥梁结构的现场施工不需要设置模板，无焊接操作，避免限制下方交通，对周边环境影响小，且能极大地缩短工期。

图1～图3所示为一典型预制组合钢板梁桥。

图1 预制组合钢板梁桥实桥

2 国内某工程实例

（1）某工程概况

图2 预制组合钢板梁桥的叠合桥面板

图3 浇筑支点横梁及支点附近区域混凝土

西南某省省会城市某主干路周边区域发展日趋成熟，随之而来的是交通流量的不断增加，该主干路无法满足未来的交通发展需求，并且其沿线的轨道交通、高速公路跨线桥等项目已在施工或准备开工，快速化改造工程已势在必行，并且是迫在眉睫。

为适应工程建设速度，减少工程建设对周边环境影响，采用上述结构型式桥梁。

（2）桥梁总体布置

主线高架桥标准段采用30 m连续组合钢板梁桥，3～6孔一联，桥面总宽25.0 m，梁高1.4 m，桥面横坡2%，见图4。

主梁横向共11片预制小组合梁，小组合梁之间横向间距为2.3 m，单片钢主梁设计成工字型结构，主梁只在边墩及中墩墩顶处设置混凝土横梁联结各小组合梁，其余位置各组合梁之间不设置横向连接系，依靠混凝土桥面板来横向分配荷载。

图4 立面布置图（单位:m）

底层混凝土桥面板采用C50混凝土，中梁处宽2 290 mm，边梁处宽1 995 mm，厚100 mm。底层混凝土板采用分块预制。顶层混凝土桥面板采用C50混凝土，总宽25.0 m，厚20 cm，采用现场浇筑的方式。

跨中、支点横断面见图5、图6。

图5 跨中橫断面图（单位:m m）

图6 支点橫断面图（单位:mm）

（3）纵横梁钢-混结合段局部钢结构构造

在一孔30 m标准跨钢梁端部焊接横向封板，端封板总宽为2 300 mm与主梁横向间距相同，高1 080 mm，厚为14 mm。钢梁中支点处底板厚度为24 mm，腹板厚16 mm。相邻两孔梁在浇筑支点混凝土前通过锚固螺栓进行连接，见图7。

3 纵横梁钢-混结合段局部计算分析

下面采用通用有限元程序ANSYS，分析钢-混结合段处横梁混凝土受力情况，主要研究混凝土体应力情况。

（1）确定模型范围

局部模型的纵向范围为中支点前后各5.6 m，横向范围为腹板左右各1.15 m。局部模型范围内剪力钉按设计图全部建出。

（2）材料参数取值

图7 纵横梁钢-混结合段处钢梁构造图（单位:mm）

钢材：Q345qD，质量密度 78.5×10-6N/mm3，弹性模量2.06×105MPa，线膨胀系数12×10-6/℃，泊松比0.3。

混凝土：C50，质量密度 26×10-6N/mm3，重量作为荷载加载，弹性模量3.5×104MPa，线膨胀系数 1×10-5/℃，泊松比 0.2。

（3）单元类型及实常数

按照设计图纸通过ANSYS板壳-实体模型进行实桥模拟。钢结构板件采用Shell63单元模拟，每个单元有4个节点，每个节点有6个自由度（3个平动自由度和3个转动自由度），板壳厚度按设计；混凝土板采用Solid45单元模拟，该单元有8个节点，每个节点有3个平动自由度；剪力钉采用combin39单元模拟，其中，每个剪力钉处设x、y与z方向三个单元，分别模拟剪力钉的两个剪切方向刚度以及轴向刚度，剪切方向的刚度kss=13.0dss向刚度。有限元弹簧单元示意见图8。

图8 有限元弹簧单元示意图

在钢梁顶板与混凝土交界面设置接触单元准确模拟钢与混凝土的关系，采用contact173和target170单元，见图9～图11。

图9 模型全部单元

图10 钢与混凝土间的接触单元

图11 钢结构结合段单元

（4）边界条件及加载

将支座位置节点施加Ux、Uy、Uz三向约束。

在梁端面建立节点刚性区，在梁端中性轴位置建立刚臂，在单梁模型中读取标准组合最不利工况内力，通过节点集中力加载在刚臂端，见图12。

图12 支撑边界条件及梁端荷载

（5）计算结果

通过计算可得出混凝土应力大小情况，分别沿纵向和横向截取横梁范围内混凝土关键截面处的应力情况，见图13～图16。

图13 钢板梁中心线位置顺桥向剖面主压应力（单位:MPa）

图14 距梁钢板梁中心线0.1m位置顺桥向剖面主压应力（单位:MPa）

图15 墩位中心线位置横桥向剖面主压应力（单位:MPa）

图16 横梁混凝土与钢梁交界面横桥向剖面主压应力（单位:MPa）

由上述细部分析应力结果可知，标准组合下，工字形钢梁与混凝土横梁交界面上，底板和腹板下段附近区域，横梁混凝土主压应力达到30 MPa，超过了《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》中规定的的材料抗压强度。

4 纵横梁钢-混结合段局部受力优化

分析上述计算结果，中支点钢板梁纵向钢梁与横向混凝土梁连接处在负弯矩作用下钢板梁腹板下段和底板受压，有插入混凝土横梁的趋势，抵抗这种插入趋势的构造是端封板，端封板就是钢-混结合段的承压板。钢板梁板厚很薄，此处负弯矩值又很大，如果端封板不能很好的限制钢板梁插入混凝土横梁，钢板梁对于混凝土产生集中应力，混凝土横梁尤其是交界面处局部压应力很可能超标。所以此处合理的构造应是采用面外刚度很大的端封板，简而言之就是采用一块足够厚的承压板。

本项目端封板厚度是14 mm，面外刚度还无法满足要求，下面参考国外规范拟定端封板厚度，然后修改有限元模型参数重新验算。

如图17所示，钢板梁下翼缘与混凝土横梁接触处压力最大，厚度为tf下翼缘经厚度为tcp的端封板传递后，在混凝土横梁上的作用厚度为tc。

图17 局部承压混凝土承压面积的确定

参考EN1992-1-1，6.7条规定，混凝土在由端封板传力后，最大局部承压抗力。故tcp只要大于2tf倍即可完全发挥与其接触的混凝土局部承压抗力，再厚混凝土局部承压抗力也不会增加。

故取混凝土承压板厚度为48 mm。

经重新计算后，得到混凝土应力见图18、图19。

图18 钢板梁中心线位置顺桥向剖面主压应力（单位:MPa）

重新计算得到的横梁混凝土主压应力结果小于22.4 MPa，满足规范要求。

图19 横梁混凝土与钢梁交界面横桥向剖面主压应力（单位:MPa）

由此证实加厚端封板能够减小钢板梁对混凝土横梁产生的压应力。

另外将混凝土横梁高度加高，超出钢板梁下缘，取消混凝土横梁范围内的底板钢板，这样对于混凝土横梁局部承压更有利，同时节省钢材。

5 纵横梁钢-混结合段钢结构细节构造

根据结构受力情况，钢-混结合段处应采用2种不同的构造型式：

（1）钢-混结合段一直受负弯矩作用时，钢主梁与混凝土横梁只要通过厚的端封板连接，见图20；

图20 通过厚端封板连接的纵横梁钢-混结合段

（2）钢-混结合段受正负弯矩交替作用时，钢主梁与混凝土横梁要通过厚的端封板和混凝土内锚拉板连接，见图21。

图21 通过厚端封板和锚拉板连接的纵横梁钢-混结合段

对应2种不同的构造型式的焊接方式如下：

钢-混结合段一直受负弯矩作用时，采用角焊缝连接钢主梁与端封板，见图22；

图22 采用角焊缝连接钢主梁与端封板

钢-混结合段受正负弯矩交替作用时，采用全熔透焊连接钢主梁与端封板，见图23。

图23 采用全熔透焊连接钢主梁与端封板

6 混凝土横梁构造

德国设计规范及DIN104对此类型横梁及其最小尺寸进行了规定。当支座直接支撑在主梁下时，中支点处横梁宽度不应小于60 cm；当支座不是直接支撑在主梁下方，如支撑在横梁上时，中支点横梁宽度不应小于80 cm。另外，当下翼缘承受拉力，混凝土横梁内应配环筋与钢结构上焊钉搭配，见图24。

7 结语

图24 混凝土横梁构造细节

预制组合钢板梁桥（VFT-bridge）在德国、波兰和澳大利亚等国使用较多，多用于跨线桥。该桥型的最大亮点是其施工对下部交通影响极小，而这是由于其在支点设置混凝土横梁，施工时无现场焊接操作，只需在桥墩墩顶处浇筑少量混凝土的缘故。钢主梁与混凝土横梁的连接是此种桥型的必要的关键的构造。本文认为预制组合钢板梁桥纵横梁钢-混结合段设计要点如下：

（1）纵横梁钢-混结合段处端封钢板要有足够的厚度以保证混凝土横梁的局部受力。但端封板也不是越厚越好，当达到一定厚度以后，其下混凝土横梁局部承压抗力不再增加。

（2）横梁混凝土底缘最好低于钢梁下翼缘，即横梁梁高略高于纵梁。这样可以使钢梁下翼缘处的压力分摊到更大面积的混凝土横梁上。

（3）若纵横梁钢-混结合段受正负弯矩交替作用，应设计锚拉板构造，钢梁与端封板的连接建议采用全熔透焊，因为全熔透焊的疲劳等级比较高。

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

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