预应力钢-混组合梁截面设计及比选

预应力钢-混组合梁截面设计及比选

摘要：预应力钢－混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式。它兼有二者的优点，而选择合理的截面形式，才能更大的优化设计。

本文简单介绍了预应力钢－混凝土组合连续梁桥箱型、工字形、槽型等多种截面型式及其特点。并通过对比不同项目的截面设计，从技术、经济、施工等方面分析比较了工字形和箱型截面的优缺点，并给出其适用的桥梁形式，以期对类似的桥梁设计具有一定的借鉴作用。

关键词：预应力钢-混组合梁，截面设计，比选

中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：

绪论

欧美及日本等国自1950年前后开展了组合梁研究，并陆续制定了设计指南或规范，组合结构在桥梁上的应用还要早。

混凝土桥梁虽然短期养护费用低，但自重大、工期长、盐害与性能退化问题不可回避；钢桥则存在疲劳、压屈、腐蚀、振动、噪声等问题；组合结构桥梁可以充分利用钢与混凝土两种材料的优点、弥补各自缺点，从钢桥与混凝土桥中找到结合点，使结构设计、施工、维修更趋合理。因此，在今后的桥梁建设中，这种结构形式的应用前景是非常广阔的。

预应力钢－混凝土组合连续梁桥一般采用箱型、工字形、槽型等

截面梁，本文通过对比刘家窑桥改造工程、永定门城楼南广场桥梁工程两个项目的工字形和箱型截面，从技术、经济、施工等方面分析比较了不同截面预应力钢-混组合梁的优缺点，并着重给出这两种截面适用的桥梁形式。

预应力钢－混凝土组合连续梁桥截面形式简介

预应力钢－混凝土组合连续梁桥的主梁除了在跨中部分承受正弯矩外，在支点附近还要抵抗较大的负弯矩，在进行截面设计时往往要加强截面底部的受压区，因此一般采用箱型、工字形、槽型等截面梁。

闭合截面组合箱梁桥主要是用混凝土桥面板承担上缘压应力。箱形截面整体性强，横向抗弯刚度大，对预施应力、运输、安装单梁的稳定性好，而且由于截面的闭合特性，抗扭刚度大，内力分布比较均匀。

组合钢板梁桥是通过使用连接件把钢板梁与混凝土桥面板加以组合，抗弯刚度能够大幅度提高，减小梁高，增大跨径。工字形截面结构简单，制作和施工容易，用钢量小，其下翼缘提高了截面的稳定性，但横向抗弯刚度小，抗扭能力差，在预制、运输、吊装阶段的稳定性较差。

槽型截面组合梁不用钢顶板，节省材料，但施工精度及其控制要求较高，且设计和施工经验少。

本文重点介绍、比较了工字形和箱型截面。

工程实例

1、蒲黄榆快速路（二环－五环）市政工程桥梁工程刘家窑桥改造工程

蒲黄榆快速路是北京市中心城道路网布局中17条快速路放射线之一。刘家窑桥旧桥改造解决了南三环公交车站与地铁5号线车站之间乘客换乘问题。新建主桥位于现况旧桥主桥连续梁两侧，采用变截面工字形截面钢－砼组合连续梁，两座主桥跨径为：

20.96+4x35.3+27.12=189.28米，桥宽8.2米，梁高0.85~1.6米。桥梁横断面，由4个底板宽0.6米的工字梁组成，如图2－1所示，每个工字梁的具体截面尺寸如图2－2所示。

图2－1图2－2

2、北京市崇文区永定门南广场景观工程永定门城楼南广场桥梁工程

永定门城楼南广场新建主桥结构形式为钢-砼组合连续梁接一跨悬臂梁，跨径28.0+44.5+44.0+4.85=121.35米，桥宽69米，梁高1.80米。

桥梁横断面，由9个底宽4米的单箱单室钢箱组成，如图2－3所示，每个箱型梁的具体截面尺寸如图2－4所示。

图2－3

图2－4

截面比较

1、主梁设计

主梁受力一般都是“弯、扭、剪”同时存在的复合受力状态，下面就从这三方面分别分析不同截面的优缺点。

（1）抗弯、抗剪设计

对于弯曲变形规律可作出如下假设：

横截面变形后仍为平面，且仍垂直于纵向面，只作相对转动。

纵向面之间互无挤压，为单向拉、压状态

以上就是弯曲平面假设（实际上，对纯弯曲问题，横截面保持为平面的结论可由杆件受力的对称性直接导出），由其可知

截面正应力：

（3－1）

式中：md-弯矩组合设计值；

y-正应力到中性轴的距离

i-叠合梁截面惯性矩

截面剪应力：

（3－2）

式中：vd-剪力组合设计值；

s-钢筋混凝土板对叠合截面中性轴的面积矩

t-钢腹板厚度

i-叠合梁截面惯性矩

从强度方面考虑，合理的截面形状应该是截面积较小，而抗弯截面模量较大。一般情况，抗弯截面模量与截面高度的平方成正比，因此，当截面积一定时，应将较多的材料配置在远离中行轴的部位，

必然会提高材料的利用率。在相同截面积的情况下，工字形截面的抗弯截面模量就要大于矩形、正方形、圆形等。而箱型断面，将孔开在了中性轴附近，也充分发挥了材料的潜力。

由公式（3-1）、（3-2）可知，截面的正应力和剪应力与叠合梁截面惯性矩，也就是抗弯截面模量有着很大关系，也就是说，抗弯截面模量越大，正应力越小。而工字形和箱型截面的抗弯截面模量相对于其他截面来说，都较大。因此对于受弯构件，从抗弯设计角度来说，工字形和箱型截面都有一定的优势，但工字形截面就抗弯性能来说其截面利用率高于箱型截面。

（2）抗扭设计

扭转的应力状态为纯剪切，工字形为开口薄壁截面，

扭转剪应力：

（3－3）

式中：td-扭矩组合设计值；

tmax-所有狭矩形中最大的宽度（厚度）

ti-每个狭矩形的宽度（厚度）

hi-每个狭矩形的高度

箱型为闭口薄壁截面

扭转剪应力：

（3－4）

式中：td-扭矩组合设计值；；

a-截面面积

t-杆件壁厚

由公式（3-1）、（3-2）可知，截面尺寸越大，扭转剪应力越小。工字形截面为开口截面，又仅有一个腹板，而箱型截面为闭口截面，有两根腹板，截面积大，因此抗扭刚度大于工字型截面。

2、施工工艺

预应力钢-混组合梁施工均为在预制厂预制钢梁制作段，运输到现场后进行吊装、拼接，然后以钢梁为平台，浇筑桥面板混凝土连接成整体。这种方法利用了钢梁自重轻、承载能力强的特点，可以降低对机具设备与临时设施的要求，同时体现了快速施工的特点。下面就从钢梁加工、钢梁运输与安装、后期维护三方面分析不同截面的优缺点。

（1）钢梁加工

焊接对钢结构的加工无疑是最重要的环节之一。如果没有相应的焊接工艺质量保证，则任何一个钢结构都难以达到设计指标。

每片工字形截面梁仅有顶板、底板和一根腹板，且均外露。焊接空间充足，方便焊接操作，构件少，工作量也小，能更好的保证焊接质量。其截面简单，也便于进行喷砂除锈及喷涂防锈层处理。而且由于是开口截面，梁高没有限制。比如：刘家窑桥改造工程钢-砼组合梁最矮处仅仅高0.85米，除去桥面板，钢结构部分仅高0.58米。