钢-混组合梁桥的设计优化及应用

钢-混组合梁桥的设计优化及应用

作者：周俊书李兵任亚

来源：《中国科技纵横》2020年第06期

摘要：近年来，钢-混凝土组合梁桥因其施工快速及结构性能优越而越来越多地被应用于高速公路的建设中。以某高速公路互通主线的钢-混组合连续梁桥为背景，介绍了该类型梁桥的基本结构形式，阐述了钢-混组合连续梁桥设计过程中优化负弯矩区混凝土桥面板受力采取的措施，为类似桥梁设计优化提供思路。

关键词：钢-混组合梁;连接件;负弯矩区混凝土

中图分类号：U448.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0130-02

1设计背景

随着科学技术的进步，中国桥梁建设工作在近年来迅速发展，预应力混凝土箱梁由于施工工艺成熟，施工质量优异等优点而被广泛应用。然而，随着桥梁对大跨径需求的增加，传统的混凝土箱梁桥由于结构自重大、地震响应大、腹板后期开裂等问题日益突出，已逐渐满足不了大跨径桥梁建设的需求。大跨径桥梁趋于选择自重更轻、跨越能力更大的结构形式。钢-混凝土组合梁桥相较于传统的混凝土箱梁桥具有自重小、结构轻巧美观、施工周期短、不中断下穿公路的通行等优点，而越来越多地被应用于高速公路的建设中。

钢-混凝土组合梁是由混凝土桥面板和钢梁通过剪力连接件组合共同承受荷载的梁。在设计过程中，尽力让混凝土桥面板承受压应力，钢梁承受拉应力，以此充分发挥各自材料特性来使结构的经济效益最大化。然而在钢-混组合连续梁的设计过程中，不可避免墩存在顶负弯矩区域的混凝土桥面板承受拉应力、钢梁承受压应力。此时需要采取措施控制混凝土桥面板开裂和钢梁承压局部失稳的问题。如根据路线设计要求，半径较小的曲線组合梁桥还应考虑弯扭耦合效应[1]。即将通车的杨寨东互通主线桥主跨部分采用36m+60m+42m的组合结构，本文将介绍其设计优化过程中采取的相关措施。

2工程概况

杨寨东互通K0+412.5主线大桥位于武汉城市圈环线高速公路大随至汉十段杨寨东互通内，为跨越麻竹高速而设。桥梁左幅桥宽8.25m，跨径为11×20m+（36+60+42）m+4×20m的连续小箱梁和钢-混凝土组合梁;桥梁右幅桥宽12.75m，跨径为11×20m+（42+60+36）

m+4×20m的连续小箱梁和钢-混凝土组合梁。其中跨越麻竹高速主线按照8车道41m路幅预留，且建设期不中断麻竹高速公路的交通通行，受制于上跨麻竹高速主线的净空要求，预应力混凝土箱梁方案不再适用。在钢-混凝土组合梁与钢箱梁的方案选择过程中，钢筋混凝土桥面

相较于钢桥面板虽然自重更大，但经济指标更好、整体性能好、受力可靠、铺装病害较少、易于后期养护。在满足各指标的前提下，杨寨东互通K0+412.5主线大桥第三联采用钢-混组合梁整体跨越麻竹高速，麻竹高速中央分隔带不设桥墩。

3结构设计优化

3.1钢梁

钢-混组合梁中钢梁的截面形式由早先的钢板梁发展到工字梁、钢箱梁、槽形钢梁、钢桁梁等。由于本桥位于半径为320m的圆曲线及缓和曲线上，超高变化较大，弯扭耦合效应较为突出，故采用了抗扭刚度较大的开口钢箱作为钢主梁的截面形式。考虑到左右幅截面形式的协调性，左、右幅桥钢主梁横桥向皆为双箱单室组合箱梁结构，钢梁高度2100mm，开口钢箱之间采用1300mm高的联系梁连接。左幅桥开口钢箱每个腹板对应的上翼缘宽800mm，厚度为16mm、36mm;箱梁底板在正弯矩区厚度为18mm、20mm，在负弯矩区为24mm厚;两道腹板厚度为14mm。腹板采取不等高设计，以满足桥梁横坡的要求，减弱弯扭耦合效应。右幅桥开口钢箱每个腹板对应的上翼缘宽900mm，厚度为18mm、36mm、20mm;箱梁底板在正弯矩区厚度为18mm、22mm，在负弯矩区为28mm厚;两道腹板厚度为18mm。双幅桥纵向每4m设置一道横隔板，支座附近适当加密。为提高开口钢箱梁钢板的局部稳定性，在中支座12m的范围内每道底板加劲肋间布置四排栓钉，栓钉沿桥纵向间距150mm，并灌注高度为400mm的

C50混凝土，并在底板混凝土顶面配置一层钢筋网，以保证底板混凝土与钢的双重组合作用，发挥混凝土的抗压能力，提高负弯矩区钢梁的局部稳定性。

3.2混凝土桥面板

混凝土桥面板可分为预制混凝土桥面板和现浇混凝土桥面板。大多钢-混凝土组合梁桥的混凝土桥面板会采用全厚度的预制混凝土桥面板和现浇微膨胀高性能混凝土作湿接缝的施工方法。其优点是施工最为便捷，但受制于部分主梁位于缓和曲线上，预制桥面板间存在空隙、钢筋不贯通，预制桥面板并不能较好地协同承受车辆荷载。因此，本桥采用8cm厚预制混凝土板和17cm厚现浇混凝土叠合构成25cm厚的钢筋混凝土叠合板作为混凝土桥面板。左幅桥预制板长130cm，右幅桥预制板长245cm，宽90cm，预制混凝土板上表面应保证一定的粗糙度，预制板安装前，事先将橡胶条牢固粘在钢梁上翼缘板的外边，避免浇筑后浇层混凝土出现漏浆现象。将预制部分运输至现场，支撑在焊有连接件的钢梁上，作为现浇层混凝土的模板，并铺设现浇层钢筋后浇现浇层形成叠合板。此施工方法的能节省立模工序、加快施工进度、不中断下部交通、减轻吊装重量、提高混凝土整体性，具有较好的综合效益。

在钢-混组合连续梁这类超静定结构体系中，不可避免存在混凝土受拉开裂、钢梁受压失稳的区域——中支点附近负弯矩区。减小负弯矩区域的混凝土拉应力易于实践的主要措施有：预加荷载法、提高配筋率、调整支点标高法、设置预应力钢束等[2]。预加荷载法最直接的应用就是采用合理的施工顺序：在连续钢梁架设焊接完成以后拆除临时支撑，在其正弯矩区域内

先铺设预制板并现浇混凝土。中支点附近的负弯矩区段钢梁能有一定预应力，在此状态下现浇负弯矩区段的桥面板，可有效减小负弯矩区域混凝土桥面板的拉应力。提高配筋率是限制负弯矩区混凝土开裂最传统的方法，但其缺点也较为突出，过于密集排布的钢筋不利于负弯矩区混凝土浇筑时充分振捣，而且在收缩徐变、温度变化作用下会加剧开裂。调整支点标高法：架设焊接钢梁后，抬高中支点，降低边支点，浇筑叠合板待其硬化后，将各支点恢复至原位，此时全长桥面板均有一定压应力储备。此外，在大跨径连续组合梁桥负弯矩区桥面板合理布置预应力钢束控制其开裂最为有效的方法，但是也有以下局限性：在小半径组合梁上的运用应充分考虑其施工的可行性;部分预应力会通过连接件增大其区域内的钢梁压应力促成钢梁的局部失稳;预应力后浇区预留槽处混凝土拉应力较大。本桥左幅钢梁各腹板间分别布置4根15-6预应力钢束，右幅钢梁各腹板间分别布置8根15-6预应力钢束，并通过调整连接件的类型来控制负弯矩区钢梁压应力。

3.3连接件

连接键是保障混凝土桥面板和钢梁协同工作的关键，也是中外学者研究的热点所在。常见的栓钉连接件不仅能在混凝土桥面板与钢梁之间承担纵向抗剪抗滑移以此保证二者的协同变形，而且能抵抗横纵向弯曲导致的混凝土桥面板与钢梁的分离以及混凝土桥面板的掀起。连接件的抗剪能力也是控制负弯矩区混凝土桥面板开裂的关键因素。削弱连接件的抗剪能力，保留其抵抗桥面板与钢梁分离的能力，使桥面板与钢梁界面不分离，混凝土桥面板能一定程度地滑移，达到释放桥面板拉应力、降低钢梁压应力、减小预应力损失的目的，这种新型连接技术被定义为“抗拔不抗剪”连接技术[3]。经过不断试验应用，抗拔不抗剪连接件也由最初的滑动式[4]、T型[5]改进为螺杆式[6]。

大量试验研究结果表明，在几乎不降低组合结构整体承载力的前提下，采用抗拔不抗剪连接件释放负弯矩区混凝土桥面板拉应力提高其抗裂性[7]。由于螺杆式抗拔不抗剪连接件具有中心对称的特点[6]，在接触面内能360°释放桥面板拉应力，故对于此类曲线桥更为适用。

在正弯矩区钢梁与桥面板之间需抗滑移抗掀起，考虑连接件须穿过钢筋间隙，本桥左幅桥钢梁每道上翼缘布置7列，右幅桥钢梁每道上翼缘布8列，熔后长度为180mm的Φ22圆柱头栓钉，横向间距均为100mm，沿梁轴线方向间距150mm，保证钢梁与混凝土桥面板的协同工作;在本桥负弯矩区采用“抗拔不抗剪”连接技术，左、右幅桥钢梁每道上翼缘共布3列抗拔不抗剪螺杆式连接件，横向间距250mm，沿梁轴线方向间距250mm，混凝土桥面板在二者接触面上允许一定程度错动，仅限制其竖向位移。

通过对本桥的有限元计算分析，结果显示：当负弯矩区连接件采用与正弯矩区一致的栓釘时，在荷载长期效应组合下负弯矩区混凝土拉应力最大值为4.9MPa，在荷载短期效应组合下负弯矩区混凝土拉应力最大为5.8MPa;而将负弯矩区连接件优化采用抗拔不抗剪连接新技术时，负弯矩区桥面板在荷载长、短期效应组合下都能始终处于受压状态，在荷载短期效应组合