摘要：文章依托某項目4 m×45 m連續(xù)窄箱室鋼混組合梁，介紹了連續(xù)窄箱室鋼混組合梁的構(gòu)造設(shè)計，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析。設(shè)計出一種窄箱式鋼梁和有承托混凝土橋面板結(jié)合的鋼混組合梁截面形式。鋼混組合梁增大了組合截面的剛度，減小了梁的撓度；提高了梁的基頻，利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計；整個截面重心的抬高，鋼梁的腹板較大一部分處于受拉區(qū)，避免鋼梁腹板產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”。文章總結(jié)了鋼混組合梁較常規(guī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)造上經(jīng)優(yōu)化后可為同類型橋梁方案提供設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)鋼混組合梁；窄箱室鋼混組合梁；小曲線半徑；設(shè)計與計算

中圖分類號：U442.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

近年來，鋼混組合梁以良好的受力性能，越來越多地應(yīng)用在橋梁建設(shè)中。鋼混組合梁是由鋼主梁、混凝土橋面板及剪力連接鍵組成的一種新結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮混凝土受壓、鋼材受拉的特性，在橋梁全壽命周期中有著良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益［1］。

1項目概況

橋梁平面呈S型，曲線段，曲線半徑100m；最大橫坡為5%，全橋均位于超高漸變段上，橋梁縱坡為+3.101%～-3.0%。結(jié)合現(xiàn)場的地形、地貌等情況，選用一聯(lián)4孔連續(xù)梁橋（見圖1）。

2結(jié)構(gòu)比選

上部結(jié)構(gòu)有鋼箱梁、鋼混組合梁、預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁等。

考慮到預(yù)應(yīng)力砼箱梁梁高高、自重大，需采用滿堂支架施工，影響下穿主線橋橋下凈空、交通組織，不予考慮。

相對鋼箱梁，鋼-混組合結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性好；此外，橋面板采用混凝土結(jié)構(gòu)，可直接采用瀝青混凝土作為鋪裝層，鋼箱梁則大多采用混凝土鋪裝層+瀝青混凝土。雖然近年來亦多采用鋼橋面板+UHPC（超高性能混凝土）組合鋪裝，但存在造價高的問題；同時，橋梁位于超高漸變段上，考慮到鋼箱梁頂板、底板、腹板的高度及厚度隨橫坡連續(xù)變化，加工難度大，因此不予選擇。

開口槽型鋼混組合梁，加工難度大，同時其抗扭性不如閉口箱型鋼梁；工字型鋼板梁則是構(gòu)造上受限于小曲線半徑的抗扭要求，整體穩(wěn)定性較差，均不予考慮。

綜上，本橋采用一聯(lián)4m×45m連續(xù)窄型室鋼混組合梁設(shè)計。

3設(shè)計要點(diǎn)

3.1結(jié)構(gòu)方案

橋梁斷面采用分離式閉口窄箱梁+混凝土橋面板［1］。鋼梁高度2m，高跨比為1/22.5，單梁支點(diǎn)處橋面板厚度0.35m，鋪裝層0.1 m，總高2.45m；橋面板現(xiàn)澆，懸臂長度與箱間長度比為0.42。支座間距為5.6m，傾覆力矩有效地減小。

兩個窄箱梁之間設(shè)置橫梁，形成框架結(jié)構(gòu)，間距4.3m；超高段橫坡通過兩片鋼梁的高差調(diào)節(jié)，鋼梁高度、鋼梁翼緣及底板保持水平，減小加工難度，主梁的頂、底板變厚處理，減少自重。

3.2主梁中支點(diǎn)特殊構(gòu)造設(shè)計

中支點(diǎn)處受力特殊，在中支點(diǎn)處左右兩側(cè)各約1/8L（L為梁的跨度）范圍內(nèi)布置連續(xù)的實(shí)腹式橫隔板；同時在中支點(diǎn)底板拉壓交替區(qū)及受壓區(qū)，腹板靠近上翼緣部分的縱向加勁肋FZ3斷開，在中支點(diǎn)兩側(cè)各約L/4內(nèi)范圍內(nèi)布置一道靠近底板的腹板縱向加勁肋FZ4。

3.3主梁設(shè)計

橋面總寬10.5m，橫向設(shè)置2道主梁［2］，支點(diǎn)處設(shè)置1道橫梁，邊跨每隔2.769m設(shè)置1道實(shí)腹式橫隔板，中跨每隔2.813m設(shè)置1道實(shí)腹式橫隔板，2道實(shí)腹式橫隔板之間設(shè)置1道橫肋。主梁頂?shù)装灞３炙讲蛔?，箱室頂板?.4m，底板寬1.5m，頂板厚20～40mm，底板厚24～64mm；腹板選用直腹板，厚度16mm，在跨中及端部頂部區(qū)域設(shè)置1道縱向加勁肋，在中支點(diǎn)附近靠近頂?shù)撞课桓髟O(shè)置一道縱向加勁肋，如圖2所示。

橋面板橫向支承在主梁上頂板，通過剪力連接鍵與主梁連接，按單向受力處理，標(biāo)準(zhǔn)段厚25cm，鋼梁頂板上方的混凝土橋面板厚度保持35cm不變。

3.4橋面板設(shè)計

目前，橋面板的設(shè)計原則由原來的拉應(yīng)力限值理論轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p寬度限值理論，這是組合梁未來的設(shè)計趨勢。負(fù)彎矩區(qū)域不施加預(yù)應(yīng)力，采用高配筋，配筋率可達(dá)3％～5％，在混凝土名義應(yīng)力高達(dá)7MPa時，最大裂縫小于0.15mm，同時可與支座頂升、預(yù)加荷載法結(jié)合使用。

4計算分析

4.1有限元分析

采用Midas Civil 2019有限元軟件建立全橋模型，采用雙層單元法，窄箱室鋼梁及混凝土橋面板均采用梁單元，鋼梁和橋面板之間采用剛性連接，支撐為彈性連接，全橋離散成2010個單元，1096個節(jié)點(diǎn)，橋面板采用橋博V4.0計算分析［3］。

4.2荷載取值及作用組合

按JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》等規(guī)范規(guī)定。

4.3計算分析方法

4.3.1組合梁基本計算原理

（1）有效寬度。與混凝土梁橋類似，組合梁混凝土橋面板同樣存在剪力滯效應(yīng)［4］，橋面板的橫向跨度較大。考慮到遠(yuǎn)離鋼梁腹板處混凝土橋面板的壓應(yīng)力很小，因此設(shè)計時把混凝土橋面板參與鋼梁共同受力的寬度限制在一定的范圍內(nèi)，即為橋面板的有效計算寬度beff，并且假定在beff范圍內(nèi)壓應(yīng)力是均勻分布的。

（2）截面特性。鋼梁與混凝土橋面板之間連續(xù)牢固地結(jié)合在一起，不考慮滑移；發(fā)生彎曲時，截面符合平截面假定原則；材料服從胡克定律。根據(jù)結(jié)構(gòu)的合力不變和應(yīng)變相等的原則，將混凝土截面按混凝土與鋼兩者彈性模量的比值n換算成等效的鋼截面，用材料力學(xué)公式直接求得的應(yīng)力就是假定的鋼截面應(yīng)力。

（3）截面剛度計算?；炷翗蛎姘灏雌胀ㄤ摻罨炷翗?gòu)件設(shè)計，采用開裂分析法，在中支點(diǎn)兩側(cè)各0.15L范圍內(nèi)，鋼混組合梁的截面剛度應(yīng)取開裂截面剛度EIcr，其余部分的截面剛度取未開裂截面剛度EIun。同時，在計算截面的開裂截面慣性矩Icr時，考慮混凝土板有效寬度內(nèi)縱向鋼筋的作用，不考慮受拉區(qū)混凝土對剛度的影響。

進(jìn)行等效換算，開裂截面中混凝土橋面板的彈性模量為E＇=EsAsAc（E＇、Es分別為混凝土、鋼材彈性模量，Ac、As分別為混凝土、鋼材截面面積）。

4.3.2施工階段過程模擬

施工階段劃分：鋼梁架設(shè)、施加橋面板濕重、橋面板剛度形成、施加二期恒載、模擬橋面板開裂、收縮徐變10年。

5計算結(jié)果及處理

5.1承載能力極限狀態(tài)驗算

5.1.1鋼主梁抗彎承載能力驗算

控制截面處主梁應(yīng)力如表1所示。

經(jīng)驗算，主梁上緣應(yīng)力162MPa＜［fd］=270MPa（t=16～40mm），主梁下緣應(yīng)力165MPa＜［fd］=260MPa（t=40～63mm），均滿足規(guī)范要求。

5.1.2鋼梁腹板抗剪承載能力驗算

控制截面處主梁剪應(yīng)力如表2所示。

經(jīng)驗算，鋼梁剪應(yīng)力66.3MPa＜［τd］=155MPa（t=16～40mm），滿足規(guī)范要求。

5.2正常使用極限狀態(tài)驗算

5.2.1橋面板裂縫寬度驗算

根據(jù)程序計算可知，在最不利荷載組合作用下，橋面板鋼筋的應(yīng)力約為104.8MPa，裂縫寬度為0.122mm＜0.15mm。

經(jīng)驗算，混凝土橋面板裂縫寬度滿足規(guī)范中規(guī)定的混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度不大于0.2mm的要求，在設(shè)計時裂縫寬度控制值按照偏保守處理，較規(guī)范取值偏小在實(shí)際工程中更為有利。

5.2.2撓度驗算

鋼梁在汽車荷載作用下最大撓度約為1.15×32.9mm=37.8mm

5.3結(jié)果處理

主梁驗算：根據(jù)規(guī)范可知，組合梁在承受彎矩和剪力共同作用時，應(yīng)考慮兩者耦合的影響，驗算腹板的折算應(yīng)力。由連續(xù)梁的受力特性可知，最大彎曲正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力同時發(fā)生在中支點(diǎn)處，則有σ2+3τ2≤1.1fd，則有165.62+3×66.32=201.5 MPa≤1.1fd=297 MPa，鋼混組合梁的強(qiáng)度滿足要求。

6結(jié)語

在中等跨徑橋梁設(shè)計中，鋼混組合梁橋由于自身構(gòu)造簡單，加工方便，能適應(yīng)各種現(xiàn)場施工條件，對比常規(guī)的鋼箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁，它的優(yōu)點(diǎn)可以概括如下。

（1）能充分發(fā)揮鋼材和混凝土材料的特性，同時鋼混組合梁截面高度相對較小，在凈空受限的條件下比混凝土結(jié)構(gòu)（高跨比1/20～1/18）有較大的優(yōu)勢。

（2）相比鋼箱梁，組合梁可以利用鋼梁為支撐，搭設(shè)模板澆筑混凝土橋面板，節(jié)省施工材料，經(jīng)濟(jì)性較好；相比混凝土箱梁橋施工，機(jī)械化程度較高，可加快施工速度。

（3）由于混凝土橋面板增大了組合截面的剛度，梁的撓度也會相應(yīng)減小，整體性能更好。此外，由于混凝土橋面板的自重相比鋼橋面板更大，還可以提高上部梁的基礎(chǔ)自振頻率，有利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。

（4）由于混凝土橋面板的設(shè)置，一方面，增大了組合梁的側(cè)向剛度，可以防止主梁在荷載作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)；另一方面，使得整個截面的重心抬高，鋼梁的腹板較大一部分處于受拉區(qū)，有利于避免鋼梁腹板產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”。

（5）本文以實(shí)際工程項目為例，介紹了窄箱室連續(xù)鋼混組合梁的構(gòu)造設(shè)計要點(diǎn)和計算分析，闡述了窄箱室鋼混凝土組合梁的結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計原則、計算方法，并總結(jié)了鋼混組合梁相較于其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，可作為同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

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（編輯編輯姚鑫）

Design points and stress analysis of S-shaped curved small radius continuous narrow box room steel-concrete composite beam

Huang ?Xuan

（China Ralyway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Nanjing

Design Institute， Nanjing 210000，China）

Abstract： This paper relies on a 4 m×45 m continuous narrow box room steel-concrete composite beam on ramp A. It introduces the structural design of steel-concrete composite beam with continuous narrow box room and carries out numerical analysis with finite element software. A cross-section form of steel-concrete composite beam combining narrow box steel beam and supported concrete bridge deck is designed. The steel-concrete composite beam increases the stiffness of the composite section and reduces the deflection of the beam. It improves the fundamental frequency of the beam and is beneficial to the seismic design of the structure. With the elevation of the center of gravity of the whole section， a large part of the web of the steel beam is in the tension zone， so as to avoid the “respiratory effects” of the web of the steel beam. This paper summarizes the advantages and disadvantages of steel-concrete composite beams compared with conventional structures， which can provide reference for similar bridge schemes after structural optimization.

Key words： continuous steel-concrete composite beam; narrow box room steel-concrete composite beam; radius of minor curve; design and calculation

作者簡介：黃軒（1991—），男，工程師，碩士；研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。