装配式钢-混叠合箱梁设计要点分析

李晓龙，张敦宝

（1.山东高速科技发展集团有限公司，山东 济南 250002；2.中铁二院昆明勘察设计院有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

21世纪以来，城镇化进程迅速，传统的高架桥设计方法已经不能满足新时期各种新生条件，钢-混叠合梁结构不仅极大地减少了现场施工难度，缩短施工工期，并且能够满足质量、节能、环保、高效等的施工要求，是适应时代发展的一种组合桥梁结构形式。钢-混叠合箱梁能够充分发挥钢材和混凝土刚度、强度优势，结构重量相比传统钢筋混凝土结构极大减少，耐久性得到提升[1-2]。

1 桥梁上部结构设计

1.1 工程概况

某市拟建以主线为四车道公路标准的特大高架桥一座，拟建桥梁全长4.8 km。为了避免工期过长对城市交通造成过大的影响，高架桥主线全线采用装配式吊装结构，其中跨越被交道路，中小跨径桥梁采用钢-混叠合梁结构。本文针对钢-混叠合梁设计相关理论进行分析。

1.2 断面形式选择

当前常见的钢-混叠合梁结构形式主要有Ⅰ形、∏形、箱形、倒梯形、三角形等，钢梁部分主要的形式有钢板梁、钢箱梁、钢桁架等[3]。因为钢-混叠合梁跨径较大，桥梁横断面较宽[4]，因此叠合梁钢主梁部分采用多主梁形式，这种结构形式方便运输及施工吊装。经过综合对比，钢-混叠合梁采用简支结构，箱梁采用开口截面形式。此种钢-混叠合梁结构外形与高架桥其他上部小箱梁结构相一致，景观上比较相适应[5]。

1.3 结构设计要点及主要技术特点

钢-混叠合梁钢结构部分采用Q345qD级钢材，弹性模量为 2.06×105MPa，泊松比为 0.3，膨胀系数为 1.2×10-5，钢材容重 78.5 kN/m3。采用C50混凝土，弹性模量为 3.45×104MPa，泊松比为0.2，膨胀系数为1.0×10-5。预应力钢绞线采用s15.2，fpk=1 860 MPa，EP=1.95×105MPa，梁段采用工厂制作，现场拼接。

钢-混叠合梁受力阶段为一阶段，施工阶段在L/3和2L/3处设置临时支撑，并且需要具备以下条件：

（1）结构形式主要以多主梁形式为主，预制箱梁自重轻，运输安装比较方便，对交通、环境影响较小。

（2）主梁采用开口截面形式，整体结构刚度比较大，受力性能比较好，梁高相对于工字形梁减少，有利于降低建筑物高度，节省成本，结构比较轻盈，降低材料使用量，有利于把控总体桥梁设计的控制。

（3）桥面板由桥梁预制厂分块预制，质量得到有效保证，并进行预拼装，确认无误方可运至现场安装，减少了现场施工工作量，减少了现场施工对周边环境的影响。

（4）结构形式要根据实际受力特点以及便于预制厂施工及运输的合理形式，进一步提升桥梁上部结构装配施工效率，充分体现节能、环保、高效的施工理念。

2 桥梁上部结构计算分析

2.1 计算方法与基本假定

钢-混叠合梁在开裂前，沿截面高度的应力、应变变化规律基本上符合平面假定。钢-混叠合梁在开裂前，应力、应变场的计算继续沿用弹性理论，采用截面换算，引入两种材料的弹性模量比的概念。针对混凝土梁部分产生的收缩和徐变及其产生的应力，近似换算成弹性模量进行计算。本文对计算上部结构受力采用的是平面杆系程序计算截面内力，应力计算过程中采用换算弹性模量计算截面特性。

在混凝土与钢梁连接牢固的前提之下，截面弯曲时的应力、应变变化规律符合平面假定条件，材料受力符合胡克定律，建立简化模型。

（1）根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015），计算截面在受短期荷载作用下建立钢材与混凝土的弹性模量比n0、换算面积Fi、换算惯性矩Ii，换算公式如下：

（2）根据《公路钢结构桥梁设计规范》，对组合梁进行整体受力分析，分析过程中考虑混凝土收缩徐变的影响，建立钢材与混凝土长期结合受力作用下的有效弹模比计算公式：

式中：φ（t，t0）表示混凝土的加载龄期为t0时，计算龄期为t时的混凝土徐变系数。系数按照现行规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）中的相关规定取值，其中ΨL为根据所受荷载类型取的徐变因子，永久作用取值1.1，混凝土的收缩作用取值0.55，由于外界强制力引起的作用取值1.5。

（3）对于组合结构中产生的附加应力依据《高等桥梁结构理论》进行分析计算。

2.2 主要计算结果及分析

利用MIDAS建立55 m简支钢-混叠合梁模型进行分析，模型如图1所示。通过钢-混叠合梁钢主梁之间设置横向连系梁，连系梁高1 000 mm，55 m一跨共设置10道横向连系梁。钢箱梁内沿桥纵向每3 m设置一道横隔板。

图1 全桥模型

通过分析计算得到的计算结论，可以得到组合结构主梁在承载力、刚度、钢梁稳定性方面均能满足现行规范要求，桥面板承载力、裂缝也能满足现行规范要求，从结论中可以发现结构在各个方面受力性能良好。由于篇幅原因，本文对各种荷载工况进行最不利组合后进行桥梁承载能力极限状态计算，只将主梁跨中截面应力计算结果列入表1中。

表1 主梁跨中截面应力计算结果

计算结果表明，钢-混叠合梁受力性能较好，结构受力也较安全，但从结果中也能发现存在的一些问题：

（1）钢-混叠合梁中，混凝土材料的收缩、徐变对叠合梁的整体稳定性影响不能忽视，特别是混凝土的收缩性能对整个桥梁结构不均匀变形影响较大，能够产生较大的附加变形，必须采用相应的措施进行处理。

（2）桥面板与钢梁通过剪力钉结合成整体，在计算收缩徐变引起的附加效应时忽略了滑移效应对组合结构整体的影响，对于构件长期变形需要进一步分析。

（3）桥面的防水处理及结构防水、防腐处理是今后钢-混叠合梁养护的关键，设计部门应该充分重视防水层与防腐层的涂装设计。

（4）设计中应重视钢-混叠合梁阶段划分及拼装设计，及时与钢-混叠合梁厂家沟通联系，便于生产与施工。

3 结语

钢-混叠合梁在实际工程应用中能够将两种材料的特性充分发挥出来，通过剪力键将钢-混叠合梁与混凝土桥面板连接起来，共同受力，实现变形协调，充分利用了钢材的抗拉性和混凝土的抗压性，显著提高了钢-混叠合梁整体的刚度和稳定性。此外，钢-混叠合梁具有结构轻盈、跨越性大、承载能力强、抗震效果好、施工快速简洁、结构安全可靠等优点，逐渐成为现代化城市高架桥建设的首选结构，其发展前景广阔。