热轧H型钢组合梁桥结构选型研究

杜迎东

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

中小跨径桥梁是我国道路交通网的重要组成部分，其在我国桥梁建设中有着举足轻重的作用[1-2]。当前我国大跨径桥梁已经开始广泛采用钢结构形式，但中小跨径桥梁对于钢结构的应用还处于刚刚起步阶段。

在中小跨径桥梁中推广应用钢结构，能够进一步提高我国桥梁品质，使得中小跨径桥梁设计更加标准化，是我国绿色公路的建设理念，也能够推动我国桥梁产业迈向工业化发展。发展中小跨径桥梁的关键在于材料和结构形式的选择，需我们对于以往的桥梁建设以及养护经验进行细致的分析研究。

1 中小跨径桥梁结构型式统计分析

中小跨径钢桥按桥型进行统计，使用率最高的桥型为简支多片主梁结构，其中钢简支多主梁、钢连续多主梁、钢简支少主梁及钢连续少主梁分别占中小跨径钢桥总座数的53.1%、29.1%、11.9%、5.9%[3-6]，见表1。通过分析数据可以看出，中小跨径钢桥结构形式应以构造简单、受力明确的多主梁的钢梁桥为主。

表1 中小跨径钢桥统计表

2 工程实例

借鉴美国中小跨径桥梁桥型及材料应用情况，结合现阶段我国桥梁发展现状，拟对六官营子中桥进行改建，采用热轧H型钢组合梁结构。热轧H型钢各部位结构尺寸已考虑到局部稳定问题，不会发生局部屈曲，因此不需设置纵向、竖向加劲肋，无需考虑焊接残余应力影响，具有更稳定的力学性能。

六官营子中桥位于朝阳市喀左县境内凌源-兴城线(S225)K45+842处，建成于1986年。跨径布置为5×13m，交角为90°，全桥平面线形为直线段，横桥向13m。设计荷载：公路-Ⅰ级，本桥设计三方案比选。

2.1 简支结构热轧H型钢组合梁(7片梁)

本桥采用预制简支结构热轧H型钢组合梁方案。横向设置7片H708×304×16×28主梁(梁高708mm，腹板厚16mm)，主梁间距为1900mm。桥面板采用C40混凝土，桥面板厚度220mm。跨间设置一道横梁。端横梁厚度为400mm，跨间横梁300mm。

2.2 简支结构热轧H型钢组合梁(6片梁)

本方案采用预制结构连续热轧型钢组合梁方案。横向设置6片H912×302×18×34主梁(梁高912mm，腹板厚18mm)，主梁间距为2200mm。桥面板采用C40混凝土，桥面板厚度220mm。跨间设置一道横梁。端横梁厚度为400mm，跨间横梁300mm,见图1。

图1 典型横断面

2.3 连续热轧H型钢组合梁(5片梁)

本方案采用现浇结构连续热轧型钢组合梁方案。横向设置5片H808×302×16×30主梁(梁高808mm，腹板厚16mm)，主梁间距为2600mm。桥面板采用C40混凝土，厚度220mm。每跨跨间设置两道钢横梁。

3 结构计算

采用桥梁通用分析软件Midas Civil，计算模型选用梁单元，其中桥面板与钢梁采用施工阶段联合截面进行计算，中间无临时支撑，见图2。主要荷载组合为：

(1)恒载+设计车道偏载+混凝土收缩徐变+整体升温+温度梯度。

(2)恒载+设计车道偏载+混凝土收缩徐变+整体降温+温度梯度。

图2 简支结构热轧H型钢组合梁(6片梁)模型

在上述荷载组合情况下，分别对3种不同结构形式在最不利荷载组合作用下，对上、下翼缘板的应力和活载挠度进行计算见式(1)、式(2)，计算结果见表2。

(1)

(2)

式中：σ为正应力；Weff为有效截面模量；M为计算截面弯矩设计值；L为跨径长度；B为抗弯刚度。

表2 组合梁应力计算表

由表2可知：在偏载作用下，组合梁的上下翼缘应力均小于270MPa，活载挠度小于L/500(26mm)，均满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)要求限制，通过计算以上三种方案均满足设计要求。

通过以上结果可见三种方案下翼缘与上翼缘应力比值依次为1.31、1.30、1.25，说明热轧H型钢的上翼缘板的富余度较大，顶板设计厚度偏于保守。

4 实用性

该桥跨越地方路桥下净空必须满足相应要求，在满足结构强度基础上尽量选择建筑高度小的结构形式，3种不同结构形式的建筑高度见表3。

表3 建筑高度对比表

由表3可知，简支结构热轧H型钢组合梁(7片梁)建筑高度最小(928mm)。

5 经济指标分析

从用钢量角度对3种方案进行对比，见表4。

表4 经济指标对比表

从表4中可以看出，13m跨径热轧H型钢组合梁3种结构形式的用钢量指标，每平米用钢量由低到高依次为连续热轧H型钢组合梁(5片梁)、简支结构热轧H型钢组合梁(7片梁)、简支结构热轧H型钢组合梁(6片梁)。

由于型钢组合梁桥桥面板厚度有限，连续热轧H型钢组合梁结构形式在墩顶负弯矩区很难布置预应力钢筋，从而出现连续墩顶负弯矩区混凝土桥面板开裂的问题，给后期养护增加很大难度；如墩顶桥面板采用高性能混凝土，大大增加了施工成本，因此连续热轧H型钢组合梁结构形式不建议应用到13m跨径桥梁中。

综上所述，通过受力性能、实用性和经济指标综合对比分析，建议13m跨径钢结构桥梁采用简支体系横桥向7片热轧H型钢(H708×304×16×28)结构性最为经济适用。

6 结论

通过上面分析，针对跨径为13m的热轧H型钢组合梁桥结构选型三种方案综合比选结论如下：

(1)连续型热轧H型钢组合梁中支点负弯矩区配筋率非常高，耐久性没简支型钢组合梁好；简支型热轧H型钢组合梁质量和工期更容易保证，同时减少施工期间社会影响。

(2)通过受力分析计算可知热轧H型钢顶板宽度最大为300mm左右，翼板厚度有限，翼缘板顶板和底板等厚，从受力角度热轧H型钢尺寸不太合理,导致组合梁中顶板不能充分发挥作用。

(3)经过综合比较，简支热轧H型钢具有明显的综合优势，作为13m跨径钢桥设计的推荐方案。