钢箱-混凝土板组合梁主桥静力计算分析

陶伟

（四川雅康高速公路有限责任公司，四川 成都 610041）

一、概述

冷竹关大桥位于喇嘛寺隧道和大杠山隧道间，跨越山坡上一道冲沟。本桥平面位于R=820右偏圆曲线上，纵面位于2.58%的上坡处，本桥主桥采用跨径组合为：1×76m钢箱混凝土板组合梁，桥台下部采用扩大基础。上部结构采用钢箱-混凝土板叠合梁，主梁为双箱单室截面，横向通过横联连接成整体，单箱室内设置横隔板。箱式底板宽2.2m，钢箱梁顶板为厚12mm钢板，通过PBL剪力键与18cm厚现浇C50钢纤维混凝土形成钢-混凝土组合桥面板，腹板为厚16mm的钢板，在底板及腹板设置纵向加劲肋，加劲肋厚度为16mm厚钢板。各分段钢板现场采用高强螺栓连接，桥面设单向4%横坡，桥面横坡通过腹板高度调整，底板水平，顶板横坡与路线横坡保持一致。

二、主要设计标准

本文试验段道路等级为高速公路，设计行车速度为80km/h，设计荷载为公路I级。

三、材料参数

桥面采用C50钢纤维混凝土，钢主梁采用Q345qD，两种材料的相关材料参数和力学参数如表1、表2、表3所示。

表1.材料的力学参数

表2.C50混凝土强度设计值

表3.Q345钢材强度设计值

四、计算荷载

（一）恒载

一期恒载：钢构件和混凝土桥面板自重按构件断面重量自动计入，混凝土容重取为26kN/m3（包括普通钢筋重量），钢材容重取78.5kN/m3，这些自重均需考虑给定的材料表构件自重，并以自重系数考虑计入。

二期恒载：包括桥面铺装、防撞护栏、遮阳棚。10cm沥青混凝土铺装的容重取24kN/m3，护栏每侧取12kN/m3，遮阳棚取4kN/m。

（二）汽车荷载

汽车冲击力，根据《公路桥涵设计通用规范》第4.3.2节，结构基频采用有限元模型计算结果，f=1.63Hz，当1.5Hz≤f≤14Hz时，u=0.1767Lnf-0.0157，因此本钢板组合梁桥冲击系数u=0.07。

（三）温度作用

计算中考虑以下温度作用效应：

1.结构整体升降温

整体升温25℃；整体降温-25℃；

2.主梁梯度温度效应

梯度温度效应按《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2015)的相关规定进行取值，梯度升温时，T1=14℃，T2=5.5 ℃；梯度降温时，T1=-7℃，T2=-2.75 ℃。

（四）混凝土收缩徐变

收缩：按降温15℃计算其效应。

徐变：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计》（JTG D62-2004）考虑混凝土徐变的影响。

年平均相对温度：70%。

五、施工流程

根据施工总体安排，共划分7个施工阶段和1个使用阶段。具体施工阶段划分为以下几个方面：下部结构桥台施工；曲线内侧钢主梁顶推施工（导梁长度35m），最大悬臂状态，导梁全推出，钢主梁推出41m；曲线内侧钢主梁顶推到位，导梁拆除，浇梁；曲线外侧钢主梁在已顶推就位的曲线内侧钢主梁上顶推到跨中；曲线外侧钢主梁顶推就位，横梁落梁；安装横联，现浇桥面板；桥面铺装、护栏、遮阳棚等附属工程施工，全桥施工完成。

六、主桥静力计算

（一）桥梁模型

进行钢主梁整体强度、刚度验算分析时，采用Midas/civil 2012(V8.05)三维空间有限元软件。计算模型采用梁格模型计算，模拟施工阶段。钢主梁、桥面板分别采用梁单元模拟，两单元共节点。空间分析计算模型如图1所示。

图1.空间有限元模型

（二）承载能力极限状态计算

主梁抗弯承载能力计算取跨中截面，抗剪承载能力取支点截面进行计算。根据《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015第11.2.1和11.2.2条规定进行计算。

组合梁抗弯承载力应采用线弹性方法计算，并应符合以下规定：

组合梁截面的剪力应全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土板的抗剪作用，抗剪验算应符合以下规定：

1.抗弯验算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第4.1.5条对各单项荷载进行基本组合，应力包络如图2（a）所示。

图2.基本组合作用下钢主梁上下翼缘应力包络图（a、b）

由图2(b)所示，钢主梁上翼缘压应力最大为-257MPa，小于钢材抗压强度设计值最小值275MPa；钢主梁下翼缘最大拉应力为227MPa，小于钢材抗拉强度设计值最小值260MPa，因此钢主梁抗弯承载力满足规范要求。

2.抗剪验算

图3.基本组合作用下钢主梁剪力包络图

边支点剪应力为62MPax＜160MPa，因此钢主梁抗剪承载力满足规范要求。

（三）刚度验算

1.挠度计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第4.2.3条规定，公路钢桥应采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值（频遇值系数取为1.0），并按结构力学的方法计算竖向挠度。根据第11.3.2条规定，当计算组合梁正常使用极限状态下的挠度时，考虑混凝土开裂的影响，支座处采用开裂截面，0.15L范围以外区段组合梁截面刚度采用考虑滑移效应是折减刚度B，折减刚度B应按下式计算：

图4.车道荷载频遇值挠度图

由图4计算可知，考虑刚度折减挠度增长系数的由汽车车道频遇值引起的总挠度值为：，故刚度满足规范要求。

2.预拱度设置

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第4.2.4条规定，钢桥应设置预拱度，预拱度为结构自重标准值加1/2 车道荷载频遇值（频遇值系数取为1.0）产生的挠度值。

图5.结构自重标准值+1/2车道荷载频遇值挠度图

由图5计算可知，结构自重标准值加1/2车道荷载频遇值挠度值为249mm，跨中预拱度值取300mm。

（四）桥面板验算

桥面板与钢梁形成组合截面，在负弯矩区受拉，正弯矩区受压。验算桥面板在正弯矩区的压应力和负弯矩区的裂缝宽度。

1.桥面板压应力验算

按照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第11.2.1条规定，组合梁抗弯承载力应采用线弹性方法计算，并应符合以下规定：

图6.桥面板基本组合作用下正应力包络（-13.3MPa）

由图6 计算可知，桥面板在基本作用下最大压应力为-13.3MPa

2.桥面板裂缝宽度验算

负弯矩区桥面板开裂，需控制桥面板最大裂缝。根据《公路钢混组合梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015）第7.1.2条的规定，连续组合梁的整体分析时，当混凝土板按普通钢筋混凝土构件设计时，应采用开裂分析方法，从中间支座两侧各0.15L范围内组合梁截面刚度取开裂截面刚度EIcr，其余区段组合梁截面刚度取未开裂截面刚度EIun。根据第7.5.1条规定，正常使用极限状态下最大裂缝宽度：

桥面板裂缝按受拉构件，按《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D62-2004）进行验算。

图7.桥面板在正常使用极限状态下轴力包络（10495kN）

最大轴向拉力20990kN，按轴心受力构件验算桥面板裂缝，C1=1.0；C2=1.4；C3=1.1；d=20mm。桥面板布置123根钢筋单层直径为20mmHRB钢筋，轴力最大裂缝宽度为0mm。另外，考虑到轴力最大位置仅为局部位置，因此桥面板按照峰值计算布置钢筋是安全的。

（五）剪力连接件验算

根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）第7.2.2 规定，开孔板连接件的单孔抗剪承载力设计值应根据下式确定：

钢梁与混凝土板之间的剪力由PBL剪力连接件承受。PBL剪力件的数量计算和布置按《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）第7.5节的规定计算和设计。实际配置的PBL剪力键个数均大于计算要求，故PBL剪力键数量和布置满足规范要求。

七、结语

雅康高速冷竹关右线桥为复杂地形条件下的钢-箱组合梁桥，桥梁设计、施工、营运环境复杂，需综合考虑各种影响因素。本文采用弹性静力计算软件，对桥梁的承载力、刚度（及预拱度设置）、桥面板抗剪设计等指标进行了计算分析，可为同类桥梁的设计计算提供参考。