钢-混组合连续钢板梁负弯矩区若干问题的设计分析

侯俊勇

摘  要：随着钢-混组合连续钢板梁在我国的大量应用，其在结构受力、可施工性、经济性和耐久性等方面优势突出。钢-混组合连续钢板梁在设计、施工和运营过程中也存在一些问题，特别是负弯矩区开裂问题。针对负弯矩区开裂问题，重点对负弯矩区2个问题进行设计分析：开裂区长度和剪力钉数量;通过国内外规范的计算和对比分析，给出开裂区长度和剪力钉数量的最优计算方法，为钢-混组合连续钢板梁的设计提供了有利的建议。

关键词：组合钢板梁;负弯矩区;开裂区长度;剪力钉数量

中图分类号：U442.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）22-0083-04

Abstract： With the wide application of steel-composite continuous steel plate girder in China， its advantages have been obvious in structural stress， constructability， economy and durability. There are several problems in the design， construction and operation of steel-concrete composite continuous steel plate girders， especially the cracking of negative moment region. In view of the cracking problem of negative moment region， two problems of negative moment zone are mainly analyzed： the length of cracking region and the number of shear nails. Through the calculation and comparative analysis of domestic and foreign codes， the optimal calculation method of the length of cracking region and the number of shear nails is given， which provides beneficial suggestions for the design of steel-concrete composite continuous steel plate girder.

Keywords： composite steel plate beam; negative moment region; length of cracking region; shear nail number

引言

近年來，钢-混组合连续钢板梁以其结构受力、可施工性、经济性和耐久性等方面优势在我国应用越来多[1]，同时国内学者在此领域开展了大量研究，为钢-混组合连续钢板梁的应用积累了较多的设计和施工经验。对于钢-混组合连续钢板梁，国内规范《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）[2]、《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）[3]和《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG TD64-

01-2015）[4]均提供了设计依据和指南。但由于我国组合梁桥的发展相对欧美发达国家依然滞后，且规范颁布时间较短，设计过程中仍有较多疑点。钢-混组合连续钢板梁的设计难点在负弯矩区的设计，运营后负弯矩区为带裂缝工作。本文重点对负弯矩区如下2个问题进行设计分析：（1）开裂区长度;（2）剪力钉数量。

选取某一座（36+60+44）m跨钢-混组合连续钢板梁桥为背景，分别依据国内外规范，对负弯矩区开裂区长度和剪力钉数量2个问题进行对比分析，为今后钢-混组合连续钢板梁的设计提供一些有利的建议。

1 开裂区长度和剪力钉数量计算方法

1.1 开裂区长度

对于普通钢筋混凝土桥面板或B类预应力混凝土桥面板，钢-混组合连续钢板梁整体分析时须考虑桥面板开裂导致的内力重分布，应采用开裂模型分析，因此准确计算出开裂区长度非常重要。

1.1.1 国内规范对开裂区的规定

截面抗弯刚度分为开裂截面刚度EIcr和未开裂截面刚度EIuu，计算开裂截面刚度时，不考虑负弯矩区混凝土对刚度的影响，但计入桥面板有效宽度内纵向钢筋的作用。若采用普通钢筋混凝土桥面板，整体分析时应采用开裂分析方法，中支点两侧各0.15L（L为梁的跨度）范围内组合梁截面刚度取开裂刚度EIcr，其余区段组合梁截面刚度取未开裂截面刚度EIuu。

1.1.2欧洲规范[5]对开裂区的规定

混凝土桥面板开裂区长度应通过应力计算求得，一般通过2次整体分析完成。

（1）一次分析：也称非开裂分析，全桥通长所有截面的截面特性均考虑混凝土强度的贡献，一次分析结果中，若标准组合下截面混凝土上缘最大拉应力大于2fctm（其中fctm=0.3fck2/3，fck为混凝土的棱柱体强度。），则在二次分析中认为该截面混凝土已经开裂。由上述方法，可确定中墩顶两侧混凝土桥面板开裂区段。

（2）二次分析：也称开裂分析，处于开裂区的混凝土桥面板仅考虑其中钢筋的刚度进行整体分析，计算结构内力并用于验算。若桥梁任意相邻两跨跨径之比大于0.6，不采用任何支点升降措施，且采用现浇混凝土桥面板，则可直接取中支点两侧各0.15倍跨径的范围作为开裂区进行分析。

1.2 剪力钉数量

钢-混组合梁的连接件宜采用剪力钉，剪力钉受力均匀，方便施工，可以很好的保证钢梁和混凝土桥面板的有效组合并共同承担作用。国内规范计算剪力钉数量方法主要分为2类：（1）内力控制法（按开裂模型计算）;（2）承载能力控制法（按未开裂模型计算）。剪力钉配置数量与钢梁和混凝土桥面板间的剪力成正比关系，因此以下仅给出水平剪力的计算方法。

1.2.1 内力控制法

内力控制法即是《公路钢结构桥梁设计规范》规定的计算方法，其纵向水平剪力计算原则如下：

（1）剪力钉的设计作用包括仅包括形成组合截面之后的各种荷载;（2）根据开裂模型求得的剪力计算钢与混凝

土结合面上纵桥向单位长度水平剪力时，应按未开裂截面进行计算。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第11.4.3条，混凝土板和钢梁结合面上单位长度纵桥向水平剪力按下式计算：

Vld=VdS/Iuu

其中：Vd-组合梁截面的剪力设计值;Iuu-组合梁的未開裂截面惯性矩;S-桥面板对组合梁截面中和轴的面积矩。

1.2.2 承载能力控制法

承载能力控制法即是《钢-混凝土组合桥梁设计规范》规定的计算方法，其纵向水平剪力计算原则如下：

负弯矩剪跨区段内混凝土板和钢梁接触面的纵向剪力Vs应按下列方法确定：

Vs=Artfsd

其中：Art-受拉区混凝土桥面板有效宽度范围内的纵向钢筋截面面积（mm2）;fsd-钢筋抗拉强度设计值（MPa）。

2 工程实例

2.1 工程背景

钢-混组合连续钢板梁桥位于深汕特别合作区深汕大道扩建提升工程（2标段），跨径为（36+60+44）m，采用双工字型断面，钢板梁跨中高度2.3m，中支点高度3.2m，边支点高度分别为2.1m和2.3m，混凝土板板厚为0.25m，腹板间距7.0m，横梁间距4.0m，桥梁全宽12.5m，剪力钉采用D25×180。设计荷载标准：城-A级;机动车道数：3车道;设计车速：50km/h。设计基准期：100年;设计安全等级：一级;耐久性设计环境类别：I类。钢-混组合连续钢板梁总体布置和横断面图如图1和图2所示。

2.2 空间模型

采用MidasCivil 2019建立空间梁格模型，主梁采用双工字型断面，主梁单元长1m。全桥共5075个单元，3819个节点，空间模型如图3所示。

2.3 开裂区长度计算

（1）按国内规范计算开裂区长度

（2）按欧洲规范计算开裂区长度

整体分析中考虑桥面板开裂引起内力重分配问题，通过非开裂模型进行计算，若模型标准组合下混凝土桥面板上缘拉应力超过2fctm=2×0.3fck2/3 =6.84MPa（桥面板采用C60混凝土），则判断截面处于开裂区。混凝土板应力图如图4所示，图中A区域表示上缘拉应力超过6.84MPa;负弯矩区开裂区长度如表2所示。

通过对比表1和表2，国内和欧洲规范对于负弯矩区开裂区长度的计算结果相差较大。对于等跨径钢-混组合连续钢板梁，国内规范可以适用;但是对于不等跨径钢-混组合连续钢板梁，须通过未开裂模型应力分析，精确确定开裂区长度。

2.4 剪力钉数量计算

国内外规范对于剪力钉的抗剪承载力的规定不尽相同[6]，在此不再进行对比，选取《公路钢结构桥梁设计规范》计算剪力钉的抗剪承载力。

依据《公路钢结构桥梁设计规范》11.4.4条，圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力按下式计算：

Vsu=min{0.43Asu（Ecfcd）1/2，0.7Asufsu}

其中：Asu-焊钉杆径的截面面积;fcd-混凝土轴心抗压强度设计值;fsu-焊钉材料的抗拉强度最小值。

本工程采用的剪力钉规格为：D25×180;混凝土规格为：C60。主梁剪力钉布置如图5所示，横桥向每排布置6根。通过以上参数，计算得剪力钉抗剪承载力为：Vsu=135.2kN。

（1）按内力控制法计算剪力钉数量

按1.2节内力控制法的计算理论（即《公路钢结构桥梁设计规范》计算理论），计算得剪力钉数量见表3。其中：L0-计算得顺桥向剪力钉间距;L-实际选取顺桥向剪力钉间距;其他参数含义详见1.2节。

（2）按承载能力控制法计算剪力钉数量

按1.2节承载能力控制法的计算理论（即《钢-混凝土组合桥梁设计规范》计算理论），计算得剪力钉数量见表4。其中：L0-计算得顺桥向剪力钉间距;L-实际选取顺桥向剪力钉间距;其他参数含义详见1.2节。

通过对比表3和表4，内力控制法和承载能力控制法对于负弯矩区剪力钉数量的计算结果相差较大。前者计算得剪力钉数量与桥面板和钢梁间的实际剪力值有关，计算理论合理，并偏于保守;后者计算得剪力钉数量与剪跨区桥面板配置的钢筋数量有关，配置钢筋数量越多，剪力钉数量越多，方法科学性存疑。通过以上的对比分析，建议设计过程中采用内力控制法（即《公路钢结构桥梁设计规范》计算理论）计算剪力钉数量。

3 结论

基于不同的国内外规范，对钢-混组合连续钢板梁负弯矩区开裂区长度和剪力钉数量2个问题进行对比分析，得出以下结论及设计建议：

（1）国内和欧洲规范对于负弯矩区开裂区长度的计算结果相差较大。国内规范适用于等跨径钢-混组合连续钢板梁;但是对于不等跨径钢-混组合连续钢板梁，须通过未开裂模型应力分析，精确计算开裂区长度。

（2）内力控制法和承载能力控制法对于负弯矩区剪力钉数量的计算结果相差较大。前者计算得剪力钉数量与桥面板和钢梁间的实际剪力值有关，计算理论合理，并偏于保守;后者计算得剪力钉数量与剪跨区桥面板配置的钢筋数量有关，计算方法科学性存疑。建议设计过程中采用内力控制法（即《公路钢结构桥梁设计规范》计算理论）计算剪力钉数量。

参考文献：

[1]邵长宇.组合结构桥梁的发展与应用前景[J].城市道桥与防洪，2016（09）：11-15+260+6.

[2]JTG D64-2015.公路钢结构桥梁设计规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]GB 50917-2013.钢-混凝土组合桥梁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[4]JTG/T D64-01-2015.公路钢混组合桥梁设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5]Eurocode 4： Design of composite steel and concrete structures Part 2： General rules and rules for bridges [S].London： British Standards Institution， 2005.

[6]田山坡.钢混组合梁剪力连接件的计算方法研究[J].铁道工程学报，2014，31（08）：56-61.