简支钢-混组合梁桥设计

简支钢混组合梁桥设计葛云江苏省交通科学研究院江苏南京 210017摘要：本文结合丁伙枢纽L匝道桥设计，介绍了简支钢混组合梁的整体设计思路，详细说明了简支钢混组合梁的构造设计和材料选择，重点阐述了简支钢混组合梁的设计与计算。

关键词：简支钢混组合梁设计思路设计与计算1 前言钢混组合梁由钢箱梁和钢筋混凝土桥面板形成组合截面共同受力，充分发挥了钢梁受弯性能好和混凝土受压性能好的特点，在受力上具有承载能力高、刚度大、延性好等优点，在使用上具有轻型大跨、预制装配、快速施工、不中断交通的优点。

20世纪50年代，钢混组合梁结构首先在铁路上得到研究和应用。

近年来，随着基础建设的蓬勃发展，该结构在城市立交桥中得到了广泛应用，实现了大跨桥梁与城市桥梁美学的有机统一。

1993年，北京国贸立交桥首次采用了钢混组合梁结构，之后，仅北京又有30多座大跨立交桥主跨采用该种结构，国内其他城市也正在相继采用，最大跨度已达到95m，取得了显著的技术经济效益和社会效益。

随着公路网建设的不断完善，新建高等级公路与投入运营高等级公路的立体交叉，受施工期间交通组织和施工建造条件的限制，需要布置较大跨径的立交桥梁，由此钢混组合梁结构得到了更为迅猛地推广和发展。

钢混组合梁一般采取连续和简支两种结构形式，位于扬州西北绕城高速公路中的丁伙枢纽L匝道桥，采用了简支钢混组合梁设计。

2 工程概况丁伙枢纽位于江都市丁伙镇内，采用扬州西北绕城高速公路上跨京沪高速公路的变形苜蓿叶半定向立交方案。

因扬州西北绕城东延线尚未实施，故丁伙枢纽分本期和远期两阶段实施，一次设计完成，本期仅需实现京沪高速与润扬大桥方向的互相转向交通，互通总体布置图见图1。

L匝道桥同时跨越京沪高速公路、H匝道和F匝道，与C、D两环形匝道桥相接分别解决了上海向润扬大桥方向转向和泰州向上海方向转向的交通，L匝道桥起终点至合分流处前采用8.5m桥宽，与C匝道桥合流后至D匝道桥分流前采用12.25m桥宽，采用等高度钢筋混凝土连续箱梁跨越H匝道和F匝道，41m简支钢混组合梁跨越京沪高速。

合分流处的变宽部分均采用等高度钢筋混凝土连续箱梁结构。

桥孔布置为：5×20＋6×20.9（远期实施）＋（4×21.334+17）＋41+5×20.06＋5×21.2+4×20m，桥梁全长661.116m。

41m主跨位于R=6519.5m平曲线及R=9800m凸型竖曲线上，纵坡±2.3%。

下部桥墩按径向布置，上部按平曲线设计放样。

设计荷载汽车-超20级、挂车-120；桥宽净11.25+2x0.5m，桥梁横坡单向1.5%，桥下通行净高≥5m; 地震基本烈度7度，按8度进行抗震设计。

理公司意见，经专家评审后，一致推荐采用41m跨径简支钢混组合梁桥型方案。

4 钢混组合梁的结构型式与材料选用4.1 横断面组成与布置简支钢混组合梁一般由钢筋混凝土翼板、抗剪连接件和钢梁三部分组成。

翼板不仅是组合梁的承压件，同时还具有保证结构整体稳定的作用，一般采用现浇钢筋混凝土板、压型钢板混凝土组合板、钢筋混凝土叠合板等形式。

设计选用了结构简单、施工工序简便的C40现浇钢筋混凝土翼板，翼板宽1225cm、厚22cm，每个钢梁上翼缘两侧均设置12x5cm的承托。

到内力合理分配的目的，需设置横隔梁。

设置时要考虑受力和构造等因素，选用合适的形式和间距。

设计采用每5m左右设置一道横隔梁，每5m左右设置一道隔仓板，与横隔梁交错布置，每2.5m段中间设置一道竖向加劲肋，底板内侧设置3道纵向加劲肋，全梁段通长布置，钢板厚均为20mm。

4.3 组合梁梁高的合理选取合理选用梁高是进行合理结构设计的关键，主要应考虑桥梁的承载力、刚度、经济性、地貌限制等因素。

根据经济性可得到一个经济梁高，一般大于实际设计可能的梁高，而由刚度要求得到的最小梁高往往与实际设计可能的梁高比较接近，但会增加较多的钢材用量，表1是变化组合梁高（桥面板厚度不变）时，结构主要设计参数的变动情况。

从表中可看出，随着梁高的增加，钢材用量、截面抗弯模量和活载挠跨比均产生不同程度的变化，后两者的变化幅度明显大于前者，因此在满足梁高的设计条件下，适当放大梁高，可取得既节省钢材又优化结构的目的。

4.4 材料选用4.4.1 结构钢设计采用16Mnq钢，并对具体型号进行了比选。

考虑到结构部位的重要性，为保证材料的焊接性能和冲击韧性，选用Q345—D或Q345—E钢，要求p、s含量≤0.025%，其余技术条件要求符合GB/T1591—94标准的规定。

4.4.2 钢纤维混凝土桥面板采用C40现浇钢筋混凝土板，为减低收缩率，有效阻止收缩裂缝产生，提高混凝土的抗弯拉、抗剪切和抗渗性能，在混凝土内掺加了一定量的钢纤维。

对于钢纤维砼，目前无国家规范可循，参照一些行业规范和试验研究资料后，选用了铣削型钢纤维，其性能、施工控制优于剪切钢纤维，掺量为55~60kg/m3左右，28天的弯拉强度应达到7.25Mpa.。

4.4.3 涂装为保证钢结构耐久性，一般采用油漆涂层防护体系。

钢板除锈质量的好坏直接影响到涂装质量，钢板除锈应达到Sa2.5级。

涂层应有一定的厚度，以达到隔绝空气、防腐的目的，一般涂层厚度在200μm左右。

要选择相溶的底漆和面漆，使整个涂层形成一个完整可靠的保护系统。

5 钢混组合梁设计与计算5.1 总体思路本桥按单梁整体制作吊装就位的施工方法进行设计。

分两个阶段计算，第一阶段为钢梁吊装就位后，以钢梁为模架浇筑混凝土桥面板时，一期恒载（包括钢梁自重和联结系、桥面板及模板重力）等施工活荷载均由钢梁承担；第二阶段为桥面板混凝土终凝形成组合梁后，二期恒载（桥面铺装、防撞护栏）和活载等其它荷载由组合梁承受。

设计采用弹性分析法，分阶段计算结构在恒载、活载、温度力、混凝土收缩徐变等荷载作用下的受力，并对结构的强度、稳定和挠度进行验算。

温度力按钢梁与钢筋混凝土桥面板温度差±15℃考虑；混凝土收缩按钢筋混凝土桥面板分段浇筑考虑，相应于混凝土降温15℃，并考虑混凝土徐变影响。

5.2 换算截面计算5.2.1 有效宽度计算钢筋混凝土桥面板有效宽度采用以下宽度中的最小值：（1）内主梁间的有效板宽B①两主梁间的中心距；②主梁计算跨径的1/3；③桥面板承托以外加6倍的桥面板厚度。

计算可得，两主梁间的中心距300cm为最小值。

（2）边主梁外侧的有效板宽B1①主梁内外侧悬臂板端之间的距离；②主梁计算跨径的1/3；③桥面板承托以外加6倍的桥面板厚度。

经计算，最小值为边主梁内外侧悬臂板端之间的距离312.5cm。

5.2.2 组合梁截面特性计算第二阶段，结构按组合梁截面受力，计算时需将受压区混凝土截面换算成钢截面。

设计分不同的荷载效应，通过钢与混凝土的弹性模量比进行换算。

在荷载的短期效应组合时，用弹性模量比n=E g/E h直接换算; 在荷载的长期效应组合时，考虑混凝土徐变的影响，引入混凝土有效弹性模量E h1=kE h的概念，此时n= E g /（kE h），具体数值见表2。

换算计算分两种方法进行，相互校核。

一种是保持混凝土板的高度不变，混凝土板的有效宽度除以钢与混凝土的弹性模量比值n，换算成钢截面；另一种是采用面积换算法。

两种方法的换算截面中心轴相差2～5cm，换算截面惯性矩相差微小，n值不同相差值略有差别，长期效应组合时相差最小，可以说两种方法基本一致。

因此，在该桥设计中，两种方法都是可行的，而方法一更精确。

5.3 强度、稳定和挠度计算5.3.1 强度计算钢混组合梁主要进行抗弯、抗剪强度的计算，采用弹性分析法，按允许应力控制设计。

分两个阶段分别对钢梁底部的弯拉应力、混凝土桥面板顶缘的弯压应力及腹板剪应力进行验算。

对于承受动应力的钢梁和剪力键还应进行疲劳强度验算，选用实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载控制设计。

5.3.2 稳定计算钢混组合梁的稳定计算分两阶段进行，第一阶段的稳定尤为重要，此阶段钢梁为开口断面，稳定性较差。

第二阶段混凝土桥面板与钢梁形成了闭口整体断面，稳定一般能满足要求。

设计使用空间有限元软件进行了分析，分析结果表明，通过设置合理间距的横隔梁、隔仓板、底板纵向加劲肋和竖向加劲肋，能有效地防止了顶板、底板及腹板的局部屈曲，满足了施工及运营阶段的稳定要求。

5.3.3 挠度计算组合梁的挠度应为施工阶段挠度与使用阶段挠度的叠加。

施工阶段挠度由三部分组成，第一部分为U型开口钢梁的自重挠度，第二部分为在U型开口断面下的混凝土桥面板重力挠度，第三部分为在组合闭口断面下的二期恒载挠度；使用阶段挠度为组合断面在活载、温度力、混凝土收缩徐变等荷载作用下的挠度。

挠度计算采用结构力学公式进行，换算截面抗弯刚度分不同的荷载效应选用，同时考虑混凝土桥面板与钢梁间相对滑移引起的附加挠度，须对换算截面抗弯刚度进行折减。

钢混组合梁的变形限值与钢筋混凝土结构相似，结构的竖向静活载挠度应不大于1/600L，当结构重力、静活载的竖向挠度和大于1/1600L时须设置预拱度，其值为结构重力+1/2静活载挠度，故该桥跨中设置了向上12.5cm预拱度，按二次抛物线设置，钢梁在制作时需同时考虑竖曲线和预拱度的影响。

5.4 栓钉剪力键设计在钢混组合梁设计中，为防止钢梁与混凝土接触面之间产生水平滑移和竖向分离，确保钢梁与混凝土整体变形，须在钢梁的翼缘上配置一定的剪力键。

剪力键除了传递剪力，同时还必须把混凝土板锚固在钢梁上。

根据剪力键的工作性质和破坏形态，分为柔性和刚性两大类。

设计剪力键时，首先要选定剪力键的形式，确定每个剪力键的设计强度，然后根据梁在接触面之间作用的水平剪力，计算所需剪力键的个数。

本次设计选用了变形能力大、施工方便、质量可靠的φ22栓钉柔性剪力键，主要靠栓杆抗剪来承受剪力，用圆头抵抗掀拉力。

剪力键的布置可全梁段均匀布置，而不按剪力不等距布置，这是因为均匀布置不仅施工方便，同时也反映了连接件的实际工作状态，连接件塑性重分布能力较大，在支座附近，均匀布置的剪力集度小于不均匀布置的，可缓和连接件对混凝土的局部承压作用；在跨中剪力较小区段，均匀布置的剪力集度大于不均匀布置的，有利于跨中截面最大抗弯承载能力的充分发挥。

5.5 混凝土收缩、徐变计算《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—86）中，没有明确徐变的计算方法。

由于该桥是简支钢混组合梁，不存在预加力问题，混凝土徐变引起的内力重分布较小。

因此，仅采用弹性模量比的计算方法，通过计算徐变对混凝土收缩、结构重力的影响来考虑徐变，对本桥是基本可行的。

6 钢混组合梁的施工与制作京沪高速管理公司要求，钢混组合梁的施工应基本不影响高速公路的正常交通。

故采用在京沪高速中分带设置跨中临时墩，全梁段单梁整体制作吊装就位的施工方案。