大跨度空腹式钢-混凝土混合连续梁桥钢箱梁长度参数分析

林 涛

(福州市城乡建设发展有限公司， 福建 福州 350004)

钢混凝土混合连续梁在中孔大跨全部或部分采用钢主梁，两侧采用预应力混凝土主梁，充分发挥了混凝土材料的压重作用和钢材跨越能力大的优势，自重轻，施工快，节省材料[1-3]。该桥型发展仅有几十年，实际工程应用也偏少，存在着一些设计和施工中需予以研究和解决的新问题，如钢箱梁长度的合理选择是该桥型往大跨度方向发展时结构受力与经济性能平衡的难点之一[4-6]。

现假定240 m主跨为等截面梁且两端固结，将240 m梁等分为三等份，通过简单结构受力计算可得，当在主跨跨中1/3部分采用重量约为等效混凝土梁30%的钢箱梁时可减少两固结支点处约1/3的负弯矩，在如此大跨径的连续梁桥上减小端部负弯矩是极其有利的。所以当跨中的钢箱梁段长度越长则支点处产生的负弯矩越小，但钢箱梁的造价远高于混凝土梁，因而在减小主梁关键截面所受弯矩的同时缩短钢箱梁的长度，就能估算出主跨钢箱梁段的最佳长度[7-9]。

本文以福州马尾大桥为背景工程，针对大跨度空腹式钢-混凝土混合变截面连续梁桥的桥型新颖、设计与构造复杂、跨度大等特点[10-11]，利用桥梁专用软件MIDAS/Civil进行数值模拟分析，以主跨钢箱梁长度为变化参数，探讨恒、活载比例分配以及恒、活载作用下主梁受力性能及变化规律，提出受力合理且相对经济的钢箱梁长度建议。

1 工程概况

马尾大桥跨江段主桥分左右幅，采用双向八车道，桥面宽度42.5 m，设计荷载等级为城市-A级，抗震设防烈度等级为Ⅶ度。马尾大桥主桥桥型布置如图1所示，主跨采用240 m空腹式钢-混凝土混合变截面连续箱梁结构，其余各跨均采用变截面连续混凝土箱梁结构，主桥桥跨布置为795 m。

图1马尾大桥主桥桥型布置及标准横断面图(单位：cm)

主跨钢箱梁理论区段长(至结合面处)为96 m，钢箱梁分三段，分别为：左侧钢混结合段5.5 m(钢箱梁段3.0 m)，整体吊装钢箱梁段90 m，右侧钢混结合段5.5 m(钢箱梁段3.0 m)，截面形式为单箱双室，变截面箱梁高度按3.8次抛物线变化，由主墩支点处梁高20 m变化至跨中3.8 m，而钢箱梁高度则由4.203 m变化至跨中3.8 m。混凝土主梁采用C55混凝土，钢箱梁选用Q370qD钢材。

2 有限元模型

2.1 主要参数的确定

为分析主跨混合梁长度比例对桥梁结构受力性能的影响，以主跨钢-混凝土混合梁中钢箱梁段长度为主要参数进行参数分析。参数范围主要依据主跨钢箱梁段长度96 m(左、右侧钢混结合段处预拼钢箱梁长度各3 m，整体吊装钢箱梁段长度90 m)为基准，并结合国内外同类型桥梁混合梁长度比例为参考来确定，考虑整体钢箱梁长度取为主跨(240 m)的0.2～0.5之间变化，按56 m、66 m、76 m、86 m、96 m、106 m、116 m、126 m这一系列不同的钢箱梁长度参数进行变化[12]，其他参数均相同。由此来建立相对应的有限元模型探讨大跨度空腹式钢-混凝土混合连续梁桥主跨混合梁长度比例参数规律。

2.2 有限元模型

结合现行桥梁设计规范[13-14]，以杆系理论为基础，采用桥梁专用软件MIDAS/Civil建立全桥空间杆系有限元模型，对桥梁上部结构成桥状态进行受力分析。全桥共采用587个节点和494个梁单元，比较真实的模拟了主桥各梁段的截面形状，如截面变化复杂的梁段：主V结构、次边V结构、边V结构以及相对应的上弦梁截面等；其中主桥混凝土箱梁横隔板、齿块和钢箱梁横隔板不考虑其刚度，通过计算其重量按集中荷载进行模拟。建模过程中材料与实际结构一致，为C55混凝土(弹模35.5 GPa，泊松比0.2，质量密度2 549 kg/m3)和Q370qD(弹模2.06×105MPa，泊松比0.3，质量密度7 850 kg/m3，屈服强度370 MPa，抗拉强度510 MPa)，物理参数均按照对应规范设定。

边界条件的设置中V形结构与主梁交汇处及主梁立柱连接均采用刚性连接模拟；主梁顶部中心节点和主梁立柱用刚性连接模拟；主梁立柱底部节点和支座顶部节点用刚性连接模拟；永久支座依据支座规格对应设置竖向、横桥向、纵桥向(SDx、SDy、SDz)刚度进行弹性支撑模拟，依据设计图选定的支座类型计算的支座反力即可得出弹性支撑的竖向刚度，然后依据该支座的横纵向刚度与竖向刚度比例关系(10%)来进行横、纵桥向刚度设置；支座底部用一般支承固结，即约束该点的六个方向的自由度(三个方向平动及三个方向的转动)。

计算荷载主要包括梁自重、二期铺装、汽车和人群荷载等。其中混凝土箱梁和钢箱梁容重分别取25 kN/m3和82.42 kN/m3，钢箱梁考虑制作偏差和焊缝重量，增大计算系数1.04；考虑桥面沥青混凝土铺装、人行道、防撞栏杆以及桥面其它附属设施，按单幅102.6 kN/m计算；汽车荷载采用城市—A级，单幅桥汽车按四车道计算，偏载系数取为1.15，横向折减系数取为0.67，纵向折减系数取为0.97，人行道和非机动车道均按照人群加载，加载值按照《城市桥梁设计规范》[15](CJJ 11—2011)选取，汽车冲击系数μ按照《公路桥涵设计通用规范》[13](JTG D60—2015)第4.3.2条进行计算得到μ0=0.05。

3 随钢箱梁长度变化规律分析与讨论

3.1 恒载弯矩随钢箱梁长度变化规律

通过有限元计算分析得到主梁恒载弯矩随钢箱梁长度变化情况如图2所示。由图2可知，钢箱梁长度的变化对主梁与主V结构交界截面1、2和主跨跨中截面3的弯矩产生较大影响。

图2主桥主梁恒载作用下弯矩图

图3和图4分别列出了截面1、2和截面3所受弯矩随钢箱梁长度变化情况。

从图3可以看出，随着钢箱梁长度的增大，截面1、截面2所受的负弯矩均逐渐减小；钢箱梁长度由56 m增加到96 m时，截面1和截面2的弯矩减小幅度逐渐增大，其分别对应减小8.8%、8.6%、9.3%、12.4%和8.1%、7.7%、8.3%、10.6%；钢箱梁长度由96 m继续增加到126 m时，其减小幅度相对减缓；当钢箱梁长度为96 m时对称截面1、截面2所受弯矩基本相等，受力对称。

图3恒载作用下截面1和截面2弯矩图

图4恒载作用下截面3弯矩图

从图4可以看出，随着钢箱梁长度的增大，截面3所受弯矩呈现先减小后增大的趋势；钢箱梁长度由56 m增长到96 m时，截面3的弯矩减小幅度分别为17.5%、13.8%、11.5%、10.8%；钢箱梁长度由96 m增长到116 m时，截面3的弯矩减小幅度仅为2.4%、1.0%；钢箱梁长度由116 m增长到126 m时，截面3所受弯矩增长2.5%。

综上所述，钢箱梁长度增加有利于减小截面1和截面2负弯矩，钢箱梁长度为96 m是截面1和截面2对称受力的重要分界点；对于截面3，钢箱梁长度由56 m增加至96 m时受力显著减小，然而进一步增加钢箱梁长度，截面受力基本不再减小，当超过116 m截面受力反而增大。因此，由恒载作用下截面1、截面2、截面3所受弯矩随钢箱梁长度变化规律可得到，钢箱梁长度为96 m时主梁截面受力较为合理。

3.2 活载弯矩随钢箱梁长度变化规律

通过有限元计算分析得到主梁活载弯矩随钢箱梁长度变化情况如图5和图6所示。从图5和图6可以看出，活载作用下主跨钢箱梁长度的变化对主梁所受负弯矩影响相对较小，而对主梁与主V结构交界截面2和主跨跨中截面3所受正弯矩产生较大影响。

图5 左半幅主桥主梁活载作用下正弯矩图

图6左半幅主桥主梁活载作用下负弯矩图

图7列出了随钢箱梁长度变化截面2和截面3所受正弯矩变化情况。从图7可以看出，随着钢箱梁长度的增长，截面2所受弯矩逐渐减小，平均减小幅度约为10.9%；截面3所受弯矩在钢箱梁长度由56 m增长至96 m时保持在±3%左右的波动，超过96 m以后则以约5%的幅度稳定增长。因此在尽量减小截面2和截面3所受弯矩的同时缩短钢箱梁长度情况下得出钢箱梁长度约为96 m比较合适。

图7活载作用下截面2和截面3弯矩图

3.3 恒载与活载比例随钢箱梁长度变化规律

由第3.1、3.2节恒载和活载对主梁关键截面内力影响分析结果，选取主梁与主V结构交界截面2以及主跨跨中截面3作为控制性截面进行主跨不同钢箱梁长度下恒载与活载比例关系讨论，截面示意如图8所示。

图8主桥主跨关键受力截面

图9和表1列出了截面2和截面3所受弯矩随钢箱梁长度变化情况。可以看出，截面2、截面3恒载与活载的比例关系均随着主跨钢箱梁长度的增长而逐渐减小，但增长幅度均逐渐减小。截面2所受恒载与活载的比例范围约为0.93∶0.07～0.88∶0.12，当钢箱梁长度由56 m增长至96 m时恒载与活载比例降低了26.9%，由96 m增长至126 m时恒载与活载比例降低了17.8%；截面3恒载与活载比例变化范围约为0.88∶0.12～0.79∶0.21，当钢箱梁长度由56 m增长至96 m时恒载与活载比例降低了42.2%，由96 m增长至126 m时恒载与活载比例仅降低14.3%。

图9 恒载与活载比例关系变化趋势

由此可说明，当钢箱梁长度超过96 m时关键受力截面的恒载与活载比例减小幅度明显放缓，综合考虑恒载与活载比例变化规律和缩短钢箱梁长度的经济性可得出：针对主跨240 m的钢-混凝土混合梁，钢箱梁长度取96 m为最佳选择。

4 结 语

(1) 在恒荷载或活荷载作用下，钢箱梁长度增加均有利于减小主V结构与主梁交界处截面所受弯矩。在恒载作用下，钢箱梁长度由56 m增加至96 m时主跨跨中截面受力显著减小，但进一步增加钢箱梁长度，主跨跨中截面受力基本不再减小甚至会出现增大的趋势。在活荷载作用下，钢箱梁长度由56 m增长至96 m时，主跨跨中截面弯矩变化率约3%，但超过96 m以后则弯矩变化率约5%。

(2) 主V结构与主梁交界处截面和主跨跨中截面恒载与活载的比例关系均随着主跨钢箱梁长度的增长而逐渐减小，但增长幅度均逐渐减小。当钢箱梁长度超过96 m时关键受力截面的恒载与活载比例逐渐趋于稳定。

(3) 综合考虑钢箱梁长度变化对主梁受力特性的影响规律以及对工程造价的影响，对于主跨240 m的钢-混凝土混合梁，钢箱梁长度取96 m是最佳选择。