某高速公路40m跨简支槽型钢组合梁纵横向受力分析

作者简介：杨千里（1985—），工程师，主要从事路桥施工工作。

文章以某高速公路40 m跨简支槽型钢组合梁为研究对象，对结构设计情况进行了阐述，借助Midas Civil有限元软件，基于梁格法对槽型钢梁纵向受力进行了计算分析，考虑活载分布宽度，得到了钢筋混凝土桥面板裂缝宽度。分析表明，该设计的槽型组合梁受力较好，满足使用要求。

简支槽型钢组合梁；结构设计；纵向受力；横向受力

U448.21+6A471673

0 引言

公路交通网是实现城镇互通互联的重要基础设施，在公路建设中，桥梁占据重要而不可替代的位置。除小半径互通匝道外，公路桥梁大多采用常规跨径装配式小箱梁和T梁形式，跨径大多取25 m、30 m和40 m，此类桥梁结构形式简单，施工工艺成熟，因此在过去的几十年里得到了极大的推广应用。近年来，减碳、降耗理念首先在建筑业进行了一定规模的推广，而后，公路交通行业也掀起了一场工业化浪潮。对于沿海平原地区，机械化程度高，桩基已尝试采用预制管桩，预制墩柱和节段梁也进行了实践与尝试，并形成了成熟完备的施工工艺。对于中小跨径桥梁而言，国内设计单位和研究院所开展了钢板组合梁和钢箱组合梁的相关研究［1-2］，形成了典型路幅宽度下的标准图集，使钢混组合结构在目前公路交通行业中占据重要地位。近年来，钢混组合桥梁设计、施工和运维管养等仍是桥梁研究的重要课题。

槽型组合梁由开槽的钢箱梁与桥面板通过焊钉连接键组成，与钢板组合梁相比，抗扭性能较好，可适用于弯桥，与钢箱组合梁相比，节约了钢材用量，结构轻盈，考虑到钢材受拉性能好，混凝土受压承载力高的优势，槽型组合梁更加适用于常规跨径简支桥梁中。陈卓异等将波形钢腹板代替混凝土腹板，基于模型试验研究了槽型组合梁的破坏特征［3］；郭智磊从节段划分、施工安装角度分析了钢箱组合梁的优势［4］；万淑敏等基于Midas Civil软件建立了50 m跨简支钢箱组合梁受力模型，重点分析了临时支架对施工过程受力的影响［5］。由于槽型组合梁结构形式出现较晚，目前对于钢混组合梁相对缺少对槽型组合梁设计和受力方面的研究。基于此，参考钢箱组合梁研究思路，本文选取适用性较强的40 m跨简支槽型组合梁为研究对象，介绍了整体结构设计情况，分别考虑纵横向受力特点对钢槽型梁和混凝土两种材料进行了验算分析，为类似结构的设计与应用提供参考。

1 工程背景

某高速公路止点段连接城市重要节点，受桥下空间利用的影响，入城段尽量少墩，上部结构轻盈美观。在混凝土桥、钢桥和钢混组合桥三者方案比选过程中，拟采用能兼顾梁高和施工工期因素的槽型组合梁方案。桥梁主要技术标准如下：设计速度为120 km/h；双向八车道，桥宽17.75 m；地震动加速度为0.05 g；主梁采用分离式槽型组合梁设计，桥面荷载采用公路-Ⅰ级。支点和跨中横断面分别如图1和图2所示，梁高为2 200 mm，钢梁高度为1 800 mm，钢筋混凝土板厚度为400 mm。

设计时，为适应主梁受弯和受剪需要，将40 m跨槽型组合梁划分为5个梁段，包含两个梁段A，长度均为4 500 mm，两个梁段B，长度均为9 000 mm，1个梁段C，长度为12 900 mm，梁段内布设框架横隔板，间距为5 000 mm。如图3所示。

槽型钢梁钢材均采用Q345qD，不同梁段槽型钢梁上下翼缘和腹板厚度按照不同参数取值，适应受力需求。板厚变化见表1。

2 有限元模型

2.1 纵向分析有限元模型

有限元模拟时需要考虑钢混组合结构的施工过程，上部结构施工过程主要分为5步：（1）槽型钢梁安装；（2）浇筑桥面板混凝土；（3）桥面板混凝土达到设计强度，与槽型梁形成共同受力的联合截面；（4）二期铺装施工；（5）收缩徐变。槽型钢梁横向通过高度为500 mm的焊接工字钢相连接，采用施工阶段联合截面，按照不同施工顺序分别激活槽型钢单元和桥面板混凝土单元，横向按照梁格法［6］建立虚拟桥面板混凝土单元，确保横向传力的需要。框架横隔板按照节点荷载考虑，焊缝重量按照1.5%的槽型钢梁自重系数进行考虑。基于Midas Civil软件，所建立的纵向分析有限元模型如图4所示。

2.2 横向分析有限元模型

根据纵横向跨度大小，桥面板混凝土为单向板，在活载作用下，荷载主要沿横向进行分配。桥面板沥青混凝土铺装层厚度为10 cm，计算得到平行于板跨径方向的荷载分布宽度为0.8 m，垂直于板跨径方向的荷载分布宽度按照规范进行计算取值［7］，取桥面板有限元模型纵向长度为1 m，单轮加载轮载为70 kN，纵向分析有限元模型如图5所示。其中，单元按从左到右进行编号，共计38个单元。

3 纵横向计算分析

3.1 纵向计算分析

考虑施工过程最不利受力状态，即桥面板混凝土作为外荷载不参与结构受力阶段，混凝土湿重容重取26 kN/m3。槽型钢梁应力云图如图6所示，上、下翼缘应力最大值分别为-109.4 MPa（压）和107.0 MPa（拉），最大值均位于跨中截面位置。整体而言，截面应力分布与弯矩分布相符合，梁段划分符合应力变化规律。

为分析成桥后槽型钢梁持久状况下的承载能力，取基本组合（1.2恒载+1.4偏载+1.05梯度温度）为加载工况，活载按照4车道偏载进行布置，此时边梁截面应力处于不利状态。计算得到成桥后的基本组合下槽型钢边梁应力云图如图7所示，基本组合下，上下翼缘最大应力为-180.7 MPa（压）和237.8 MPa（拉），考虑结构重要性系数1.1后，应力最大值为261.6 MPa，其数值接近《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）强度设计值270 MPa限制要求［8］。从施工阶段到成桥阶段而言，考虑组合系数及活载作用后，应力增幅明显。经分析，对于槽型钢边梁跨中截面下翼缘而言，在基本组合荷载成分中，活载占比为28.8%，因此大跨度钢结构应加强活载效应的分析。

3.2 横向计算分析

将横向分析有限元模型中槽型钢上翼缘与桥面板混凝土接触部分进行固结约束。横向受力主筋直径截面上层取20 mm，截面下层取16 mm，强度等级为HRB400，横向间距为12 cm。考虑荷载纵横向分布宽度，对桥面板钢筋混凝土构件进行持久状况下的承载能力和裂缝宽度进行验算分析。计算结果分别如图8和图9所示。

结果表明：（1）抗弯最不利截面位于边支点负弯矩处，即槽型钢边梁上翼缘与桥面板混凝土连接处，最大负弯矩组合值为-139.8 kN·m，小于弯矩抵抗值-265.4 kN·m。此外，最大正弯矩组合值为38.7 kN·m，小于弯矩抵抗值95.6 kN·m，抗弯承载力最小安全系数为1.9，桥面板抗弯承载能力较好，满足规范要求；（2）桥面板混凝土裂缝宽度最大值受负弯矩控制，出现在截面顶缘位置，最大值为0.084 mm，小于规范0.2 mm限值要求。跨中最大正弯矩引起的裂缝宽度为0.047 mm，根据裂缝宽度计算结果及分布规律，分离式槽型钢组合梁桥面板混凝土在进行横向配筋时，截面顶缘处的钢筋规格应大于底缘，确保裂缝宽度满足要求。

经试算分析，钢筋规格配置对裂缝宽度的影响比抗弯承载能力更敏感。由于桥面板混凝土设计受负弯矩控制，此处在截面顶缘配置直径为20 mm的主筋的基础上，保持底缘钢筋和间距不变，进一步对比分析直径分别为14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm和28 mm的主筋对裂缝宽度的影响，如图10所示。

根据以上计算结果，当桥面板混凝土截面顶缘钢筋直径＜20 mm时，负弯矩区裂缝宽度将＞0.1 mm。负弯矩区混凝土开裂形成受力裂缝后会威胁行车安全，可能导致槽型梁箱内出现锈蚀，影响结构耐久性。对于钢筋混凝土桥面板构件而言，应严格控制槽型组合梁负弯矩区混凝土裂缝宽度，建议≤0.1 mm，便于后期桥梁的管养维护。

4 结语

本文以某高速公路40 m跨简支槽型钢组合梁为研究对象，基于Midas Civil软件进行了纵横向受力数值模拟分析，得出主要结论如下：

（1）将槽型钢梁根据受力需要划分成5个不同板厚参数的纵向梁段，经纵向受力分析，成桥状态下承载能力小于规范限值，槽型钢梁几何尺寸设计经济合理。

（2）经横向受力分析，分离式槽型组合梁钢筋混凝土桥面板承载能力和裂缝宽度均受钢-混连接处负弯矩区控制。在本文所选取的槽型组合梁结构尺寸条件下，桥面板横向应按照双筋截面进行配筋，建议截面顶缘处钢筋直径应≥20 mm。

参考文献

［1］刘永健，高诣民，周绪红，等.中小跨径钢-混凝土组合梁桥技术经济性分析［J］.中国公路学报，2017，30（3）：1-13.

［2］余 宏.广州市花蕾路新型钢结构槽型梁人行天桥设计与分析［J］.城市道桥与防洪，2019（7）：105-107，121，15.

［3］陈卓异，黄 侨，李传习，等.波形钢腹板组合槽型梁静载试验与有效预应力分析［J］.土木工程学报，2018，51（8）：60-70.

［4］郭智磊.分离式钢箱组合梁安装施工技术研究［J］.交通科技与管理，2023，4（7）：72-74.

［5］万淑敏，张守龙，刘 彬，等. 50 m简支钢-混组合梁的设计及受力分析［J］.工程建设，2021，53（2）：34-38.

［6］钱 进，梁振隆.钢混组合梁结构有限元计算方法研究［J］.湖南交通科技，2022，48（2）：81-84，117.

［7］JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［8］JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范［S］.