大跨径简支钢-混凝土组合梁桥设计及计算分析

台州市交通勘察设计院有限公司，浙江 台州 318000

钢结构桥梁具有跨越能力强、结构自重轻、建筑高度小、施工方便、周期短、对交通影响小等优点，而钢-混凝土组合梁桥除具有钢结构桥梁的优点外，还具有节省钢材、增加结构刚度和稳定性、减少钢梁腐蚀等优点，近年来得到了广泛的应用，但其也存在工程造价高、后期维护费用高等不足。钢-混凝土组合梁桥可分为钢板组合梁桥、钢箱组合梁桥、钢桁架组合梁桥和波形钢腹板组合梁桥等，其施工过程一般是先由工厂制作钢梁节段，运至现场后进行吊装，拼装完成后施工桥面板，桥面板可采用预制和现浇两种施工方法制作。钢-混凝土组合梁桥施工过程及施工方法的不同会影响最终主梁结构受力，可通过一些措施改善桥梁受力状况。

1 工程概况

台州路桥机场进场道路工程为双向四车道一级公路，设计速度为80km/h，路基宽度为28m，预留远期拓宽条件。路线总体呈南北走势，起点位于椒江区下陈街道，与椒新路平交，终点位于路桥区蓬街镇，与东方大道相交，路线全长约5.2km。

2 桥梁方案选择

小伍份立交桥需要跨越石八线与青龙浦，由于石八线位于青龙浦北侧岸边，两者之间无设墩条件，桥梁与被交路和河流交叉角度约为124°，受通航净空限制，水中无条件设墩，需要采取一跨跨越。而且桥梁与被交路交叉角度较小，预应力混凝土悬臂浇筑箱梁因承台占地空间需要，最小跨径为60m；钢-混凝土组合梁因其结构自重轻，可采用柱式墩，一跨跨越的距离为55m。该项目施工工期紧张，采用悬浇箱梁施工周期较长，因此最终主跨采用1～55m简支钢-混凝土组合梁桥方案，引桥采用先简支后连续预应力混凝土T梁，下部结构采用柱式墩、座板台。

3 结构设计

桥梁全宽28m，为双幅布置，单幅桥面宽度为13.75m，两侧防撞护栏各0.5m，桥面净宽12.75m。采用双箱单室等高度钢-混凝土组合箱梁，梁间距为7m，槽型钢梁宽度为3.5m，混凝土桥面板悬臂长1.635m。组合梁中心线处梁高3.15m，钢梁高度为2.75m。

4 主梁及桥面板构造

槽型钢梁由上翼缘板、底板、腹板、横隔板、支点横梁、底板加劲肋、腹板加劲肋组成，钢梁上翼缘板厚30mm、宽600mm；底板厚30mm、宽3560mm；腹板厚20mm。腹板设置竖向加劲肋，布置间距为1000mm；底板设置纵向加劲肋，布置间距为500mm，加劲肋形式均为板式。箱室内设横隔板，板厚14mm，并设竖向加劲肋，横隔板预留800mm×600mm人孔，纵向间距按3000mm布置。梁端横梁由3道横隔板组成，横梁中间横隔板厚度为24mm，两端横隔板厚度为20mm。每片钢梁一端设双支座，支座横向间距为2000mm，纵向距离梁端780mm。槽型钢梁间采用箱间横梁连接，箱间横梁为工字型，高1900m、厚16mm；顶板宽320mm、厚24mm；箱间横梁每隔600mm设置1条竖向加劲肋，纵向布置间距为6000mm；钢梁主材均采用Q355D。混凝土桥面板采用C55补偿收缩混凝土，桥面板全宽13.75m，悬臂长度为163.5cm，跨中厚度为25cm，与钢梁顶板连接处厚度为40cm，设置50cm×15cm承托，悬臂端部厚度为20cm，桥面板配置普通钢筋。桥面板与钢主梁之间通过布置与钢梁顶板的剪力键连接，焊钉连接件直径为22mm，长度为200mm。每片钢梁一侧顶板横向布置4根剪力钉，剪力钉纵向间距按150mm布置，局部间距进行调整；梁端横梁范围内横隔板顶板均布置剪力钉，纵横向间距均按150mm布置。

5 结构计算及施工方案

钢-混凝土组合梁桥施工过程为工厂制作后运至施工现场，搭建临时支撑后进行吊装焊接，钢梁吊装完成后进行混凝土桥面板浇筑。为了方便钢梁运输吊装，该桥1～55m跨槽型钢梁分A、B、C三个节段进行制作，A、C段长度都为14.5m，B段长度为26m，如图1所示。

图1 钢梁分段示意图（单位：cm）

5.1 混凝土桥面板有效宽度计算

根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTJ/T D64-01—2015）（以下简称《规范》）中5.3.2条规定，对混凝土桥面板进行计算，跨中截面混凝土板有效宽度按下式计算：

支点截面混凝土板有效宽度按下式计算：

式中：b0为外侧剪力连接件中间的距离；bef,i为外侧剪力连接件一侧的混凝土板有效宽度；Le,i为等效跨径；bi为外侧剪力连接件至相邻钢梁腹板上方的外侧剪力连接件中心的距离的一半，或外侧剪力连接件中心至混凝土板自由边间的距离。

该桥计算跨径为53.44m，简支梁等效跨径为计算跨径Le,i，对于跨中截面，bef,i=8.91m ＞bi，取bef,i=bi；对于支点截面，计算得出βi=1.42＞1.0，取βi=1.0，得出bef,i=8.91m＞bi，取bef,i=bi，混凝土桥面板全截面有效。

5.2 结构计算参数及模型

该桥采用MIDAS/Civil有限元结构分析软件空间梁格模型进行计算，模型如图2所示，钢梁与混凝土桥面板之间采用施工阶段联合截面，主梁之间通过横梁和虚拟桥面板连接。全桥模型共108个节点，207个单元。计算永久作用包括结构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变，可变作用取公路-Ⅰ级汽车荷载及温度梯度作用。

图2 结构计算模型

5.3 施工阶段

（1）施工方案拟定。对于钢-混凝土组合结构，施工工序的不同，使混凝土桥面板和钢梁组合截面参与受力的阶段也各不相同，导致各阶段主梁受力状态不同。为分析施工方案对结构受力及变形的影响，文章对以下四种施工方案进行对比分析。

方案一：现场搭建临时墩→钢梁节段吊装并焊接→拆除临时墩→整体浇筑桥面板→施工桥面系。

方案二：现场搭建临时墩→钢梁节段吊装并焊接→整体浇筑桥面板→桥面板混凝土达到设计强度后拆除临时墩→施工桥面系。

方案三：现场搭建临时墩→钢梁节段吊装并焊接→浇筑A、C段桥面板→A、C段桥面板混凝土达到设计强度后浇筑B段桥面板→B段桥面板混凝土达到设计强度后拆除临时墩→施工桥面系。

方案四：现场搭建临时墩→钢梁节段吊装并焊接→浇筑B段桥面板→B段桥面板混凝土达到设计强度后浇筑A、C段混凝土桥面板→A、C段桥面板混凝土达到设计强度后拆除临时墩→施工桥面系。

（2）施工阶段结果分析。方案一、方案二施工速度均较快，但方案一在钢梁吊装焊接完成后即可拆除临时墩，对桥下交通影响最小；方案三和方案四需要的施工周期相对较长。施工阶段应力如表1所示。方案一是在钢梁无支撑条件下进行桥面板浇筑，施工阶段应力均明显大于其他方案，经计算，其成桥阶段钢梁应力大于270MPa，因此不予采用；方案二、方案三、方案四在施工阶段的内力均接近，方案三受力性能最优。施工阶段钢梁最大拉应力为90MPa，最大压应力为103.6MPa，桥面板最大压应力为4.1Mpa，均满足《规范》要求。

表1 施工阶段跨中截面正应力 单位：MPa

5.4 使用阶段

（1）钢梁使用阶段承载力计算。根据《规范》第7.2.1条规定，使用阶段应力计算结果如图3所示，组合梁基本组合作用下钢主梁最大拉应力为175MPa，应力验算满足要求。

图3 使用阶段钢梁应力图

根据《规范》第7.2.2款第1条，组合梁的竖向抗剪承载力计算如下：

式中：fvd为钢梁腹板抗剪强度设计值；Aw为钢梁腹板面积。

组合梁端支点最大剪力Vvd=6375.7kN，结构重要性系数γ0为1.1，则γ0Vvd=7013.3kN＜Vvu，竖向抗剪承载力满足要求。

（2）混凝土桥面板纵向承载力及裂缝计算。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）规定，在基本组合作用下，桥面板最大压应力为13.7MPa，小于C55混凝土抗压设计值24.4MPa，桥面板纵向承载力满足规范要求。

（3）混凝土桥面板纵向抗剪计算。该桥桥面板横向钢筋采用HRB400钢筋，直径为22mm，纵向间距为15cm，承托处加强筋直径与通长钢筋相同。根据《规范》第6.3条规定，对桥面板纵向抗剪承载力进行验算，混凝土板纵向抗剪界面如图4所示。

图4 混凝土板纵向抗剪界面

在图4中，At为混凝土板上缘单位长度内垂直于主梁方向的钢筋面积总和，单位为mm2/mm；Ab、Abh为混凝土板下缘、承托底部单位长度内垂直于主梁方向的钢筋面积总和，单位为mm2/mm。取单片梁梁端最大剪力计算钢梁与混凝土板之间水平剪力：

式中：V为形成组合截面之后作用于组合梁的竖向剪力，N；S为混凝土板对组合截面中性轴的面积矩，mm3；Iun为组合梁未开裂截面惯性矩，mm4。

单位长度上a-a断面纵向剪力计算如下：

式中：V1作用引起的单位长度内钢和混凝土结合面上的纵向剪力。

单位长度上d-d断面纵向剪力计算如下：

单位长度内混凝土板纵向抗剪承载力计算如下式：

式中：bf为纵向抗剪截面在垂直于主梁方向上的长度；Ae为单位长度内垂直于主梁方向上的钢筋面积。

对于a-a断面，bf=250mm，Ae=4.56mm2/mm，经计算V1Rd=1525N＞V1d，满足规范要求；对于d-d断面，bf=906mm，Ae=4.56mm2/mm，经计算V1Rd=2403N＞V1d，满足规范要求。

5.5 组合梁稳定计算

5.6 组合梁挠度计算及预拱度设置

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）第4.3.3节规定，由汽车荷载（不计冲击力）所引起的简支或连续梁的竖向挠度不应超过计算跨径的1/600，当结构自重和静活载产生的挠度超过计算跨径的1/1600时，桥跨结构应设置预拱度，其值等于结构重力和1/2静活载所产生的竖向挠度之和，预拱度线形应采用平顺曲线。组合梁挠度及预拱度如表2所示。

表2 组合梁挠度及预拱度 单位：mm

6 结束语

通过对小伍份立交桥1～55m简支钢-混凝土组合梁桥的计算分析可以得出，对于大跨径简支钢-混组合梁桥，混凝土桥面板有效宽度一般为全截面。同时，钢-混组合梁桥受力及变形与施工方法密切相关，设计中应根据施工条件合理制订施工方案。在临时支撑条件下，混凝土桥面板施工顺序对结构受力影响不大，桥面板从两端向中间的施工顺序对结构受力较为有利，大跨径简支钢-混组合梁宜在桥面板施工完成并达到设计强度后拆除临时支撑。

该桥主跨采用了1～55m钢-混凝土组合梁桥方案，下部结构采用普通的柱式墩即可满足受力需要，极大地方便了下部结构施工，有效地缩短了桥梁施工周期。