钢-混组合连续箱梁结构受力研究

朱 斌

(中电建冀交高速公路投资发展有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

钢混组合桥充分发挥了各自的性能特点，但钢混结合后性能是否能充分发挥，是亟须研究的问题之一[1-5]。千里堤大桥是津石高速公路重点工程，是京津冀协同一体化的重要交通枢纽，千里堤特大桥主线桥为(55+80+55) m钢混组合连续箱梁桥，该桥钢混结合后的质量高低直接影响了桥梁的安全使用，因此本文以千里堤特大桥为工程背景，对千里堤特大桥主线桥(55+80+55) m钢混组合连续箱梁桥进行施工阶段和成桥阶段内力分析，为该工程的顺利、安全、快速施工提供保障。

1 桥梁概况

千里堤特大桥主桥孔径布置及桥长基于防洪而设计，孔跨布置为(55+80+55) m钢-混组合连续箱梁，左右幅错孔，桥墩按右前夹角90°布置，桥台正交布置。半幅桥梁长度为190 m，下部结构为柱式墩、桩基础。

桥梁位于整体式路基上，桥梁与路基同宽，单幅桥梁全宽16.152 m，净宽15.63 m。主梁横向由3片单箱单室截面钢箱梁组成，其中梁体与混凝土桥面板采用抗剪焊钉进行连接。千里堤大桥钢箱梁梁间距为2.26 m，其中悬臂部分1.4 m，底板宽度为3.0 m，在中心线处，梁高2.0～4.3 m，主梁高2.5～4.6 m。

桥梁平面为圆曲线和缓和曲线，钢梁按曲线预制，各片钢梁的梁高变化段采用相同长度，内外侧弧差由跨中等高段调整。为有效对负弯矩区混凝土桥面板施加预应力，千里堤大桥采用了“剪力钉群”方案。首先以较小间距形成焊钉群，再以较大间距将形成的焊钉群布置在翼缘长度方向上，并在浇筑混凝土时预留孔洞，当千里堤大桥施加预应力后采用微膨胀浆液填充孔洞，这样将钢梁和桥面板形成一个整体，共同发挥作用。千里堤大桥预留孔洞间距为1.2 m，大小为620 mm×420 mm，采用的焊钉尺寸大小为φ22 mm，长220 mm。各“剪力钉群”由4 行6列排立的20根焊钉组成，间距为100 mm。砂浆的强度为混凝土强度的1.3倍。

2 计算模型

2.1 有限元模型

全桥纵向计算时考虑桥面板之间的横向连接作用，采用Midas Civil双单元以及弹性连接模拟钢纵梁与桥面板的实际受力过程，结合施工步骤对结构进行离散化。全桥按空间网格建模，全桥共1 016个节点，1 278个单元，建立全桥有限元模型如图1所示。

图1 组合桥梁Midas有限元模型图

2.2 计算荷载及荷载组合

计算荷载及荷载组合如表1所示。

表1 荷载及荷载组合一览表

3 计算结果分析

3.1 全桥施工阶段受力分析

施工过程中，在混凝土桥面板浇筑并达到设计强度之前，钢梁横向联系、浇筑的混凝土和模板的重量等，应由钢梁承担；在混凝土桥面板达到设计强度之后，二期恒载、活载、温度荷载以及支座沉降荷载应由钢梁和桥面板形成的组合截面共同承担。经计算，整个施工过程中钢梁上、下缘和桥面板上、下缘应力包络如图2～9所示。

图2 施工阶段钢梁上缘最大应力云图(MPa)

图3 施工阶段钢梁上缘最小应力云图(MPa)

图4 施工阶段钢梁下缘最大应力云图(MPa)

图5 施工阶段钢梁下缘最小应力云图(MPa)

图6 施工阶段桥面板上缘最大应力云图(MPa)

图7 施工阶段桥面板上缘最小应力云图(MPa)

图8 施工阶段桥面板下缘最大应力云图(MPa)

图9 施工阶段桥面板下缘最小应力云图(MPa)

依据规范，组合梁在施工阶段，梁体的短暂状况设计需要进行承载能力和稳定性验算，如有特殊情况还需进行抗倾覆演算。其中承载能力和抗弯承载力验算分别采用基本荷载组合、线弹性方法计算。并应符合式(1)规定：

(1)

式中：Md，i——钢梁或组合截面的弯矩设计值；

Weff，i——钢梁或组合截面的抗弯模量；

f——材料强度设计值。

通过计算可知：钢梁最大拉应力：1.2×123.9=148.7 MPa<270 MPa；钢梁最大压应力：1.2×105.1=126.1 MPa<270 MPa；桥面板最大压应力：1.2×15.5=18.6 MPa<22.4 MPa。结果表明，全部施工过程中结构承载能力满足规范要求。

3.2 全桥成桥阶段受力分析

3.2.1 全桥持久状况承载能力极限状态分析

(1)钢梁抗弯承载力计算

采用线弹性计算方法进行组合梁截面抗弯承载能力验算。计算中考虑恒载、支座沉降、汽车荷载、梯度温度、体系温度作用，其中汽车荷载按照三车道偏载布置，按照基本组合乘以各自的分项系数。基本组合下，钢梁上、下缘应力包络图如图10～11所示。

图10 基本组合钢梁上缘应力云图(MPa)

图11 基本组合钢梁下缘应力云图(MPa)

基本组合下，钢梁最大拉应力位于边梁中支点上缘，为149.9 MPa，小于钢材抗拉设计强度270 MPa；钢梁最大压应力位于边梁中跨跨中截面上缘，为-165.6 MPa，小于钢材抗压设计强度270 MPa。

(2)组合梁竖向抗剪承载力能力验算

根据规范，竖向剪力设计值可取联合截面最大剪力计算值，并由钢梁腹板承担。组合梁竖向抗剪，经计算在支点位置剪力最大，需验算支点的截面竖向抗剪承载力。此时，组合梁中支点最大剪力为9 858 kN，端支点最大剪力为4 976kN。对其进行验算有：

γ0ννd≤Vνu，Vνu=fνdAW

(2)

中支点：γ0ννd=9 858 kN<(25×4 180×2)×155/1 000=32 395 kN；端支点：γ0ννd=4 976 kN<(20×1 980×2)×155/1 000=12 276 kN，结果表明组合梁竖向抗剪承载力满足要求。

3.2.2 全桥持久状况正常使用极限状态分析

(1)使用极限状态桥面板正截面压应力分析

在考虑预应力效应、荷载取标准值的情况下，混凝土桥面板正截面压应力计算结果如图12～13所示。

图12 标准组合桥面板上缘应力云图(MPa)

图13 标准组合桥面板下缘应力云图(MPa)

经验算：组合梁混凝土顶板在标准值组合下出现最大压应力15.4 MPa，小于规范C50混凝土σkc+σpt=16.2 MPa限值，满足要求。

(2)使用极限状态桥面板裂缝宽度分析

使用阶段预应力混凝土桥面板分析在荷载短期效应组合下的正截面应力，主要计算结果如图14～15所示。

图14 短期组合桥面板上缘应力云图(MPa)

图15 短期组合桥面板下缘应力云图(MPa)

在荷载短期效应组合下，桥面板出现最大拉应力为2.25 MPa，位于边跨跨中位置，超出规范C50混凝土σkc+σpt≤0.7 fck=1.855 MPa，建议延长负弯矩钢束布置，消掉此处超限拉应力区。除此之外，其余部位拉应力均满足规范要求。

(3)刚度分析

汽车荷载作用下，结构的最大上挠为18.3 mm，桥梁的最大下挠为-36.6 mm，得到桥梁的计算挠度为54.9 mm=L/1457，该值小于规范的限值1/500，满足要求。如图16、图17所示。

图16 活载作用组合梁最大上挠云图(MPa)

图17 活载作用组合梁最大下挠云图(MPa)

3.3.3 支座反力

标准值组合作用下，全桥各支座最大及最小反力如表2所示。

表2 支座反力计算结果对比表(kN)

结果表明，中支点最大支座反力为-7 274 kN，支座采用TXPZ-7.0支座，支座反力稍超出支座承载力，但考虑到计算是按超载1.3系数进行验算的，因此中支点支座规格能满足受力要求，端支点支座规格也满足要求。

4 结语

经过分析得到，施工阶段，钢箱梁及混凝土桥面板强度均满足规范要求；成桥阶段，结构刚度及支座选型均满足规范要求；成桥阶段，钢箱梁总体应力水平较低，最大压应力为-165.6 MPa，最大拉应力为149.9 MPa，远小于Q345qD的强度设计值270 MPa，建议适当优化梁高或者钢板厚度；成桥阶段，桥面板最大压应力为15.4 MPa<16.2 MPa，满足规范要求；桥面板在边跨跨中附近截面上缘出现了2.25 MPa拉应力，>0.7 fck=1.855 MPa，不满足A类预应力抗裂要求，建议延长负弯矩钢束布置，消掉此处超限拉应力区。