趙婷婷

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)廣東有限公司，廣東 佛山528200）

0 引 言

組合梁橋（Composite girder bridge）是指采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和鋼筋混凝土結(jié)合成組合截面共同工作的一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)[1]。組合梁橋主梁上緣的材料通常采用混凝土，主梁下緣則采用鋼材，對(duì)于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，主梁上部受壓、下部受拉，這樣能夠充分發(fā)揮工程材料的力學(xué)優(yōu)勢(shì)，提高該類橋梁的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。組合梁橋的鋼梁在工廠預(yù)制，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，橋面板可現(xiàn)澆也可預(yù)制。這樣能夠極大地縮減施工時(shí)間，提高工程效率。組合梁橋以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性、材料優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的合理性，以及施工方法的便捷性得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

組合梁橋的結(jié)構(gòu)形式主要包括組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合鋼桁梁橋、波折腹板組合梁橋和桁式腹桿組合梁橋。組合鋼板梁橋的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低，適用環(huán)境范圍廣泛，其中雙主梁結(jié)構(gòu)的組合鋼板梁橋是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。組合鋼箱梁相較于組合鋼板梁整體性能更佳，抗扭剛度大。根據(jù)截面形式分為槽型鋼梁和閉口鋼梁。槽形鋼梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確，是最常用的形式；閉口鋼梁則適用于抗扭剛度要求高的情況。組合鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)輕巧，跨越能力強(qiáng)，景觀效果好，用鋼量不隨跨徑增大而大幅度增大，在跨徑超過60 m 時(shí)經(jīng)濟(jì)性有一定優(yōu)勢(shì)[2]。

1 組合梁橋設(shè)計(jì)及分析

1.1 工程概況

現(xiàn)介紹某跨徑為40 m 的簡(jiǎn)支組合梁橋的設(shè)計(jì)。該橋梁兩端均與30 m 跨徑的小箱梁相連。汽車荷載為公路—Ⅰ級(jí)，橋梁整幅寬度為28 m，雙向六車道，斷面布置如圖1 所示。

圖1 行車道斷面布置圖(單位:mm)

根據(jù)組合梁橋不同結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，該工程采用槽形鋼箱組合梁，單幅橋采用三個(gè)箱室。主梁高度設(shè)為2.0 m，高跨比為1/20。其中：混凝土橋面板厚0.25 m，鋼梁高1.75 m。為了保持與兩端小箱梁的外觀一致性，外邊梁腹板外側(cè)距橋面板端部距離設(shè)為817 mm，內(nèi)邊梁腹板外側(cè)距橋面板端部距離設(shè)為808 mm，邊梁外側(cè)腹板坡度設(shè)置為4∶1，其余腹板均垂直。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，該橋鋼構(gòu)件尺寸初步擬定為：頂板板厚25 mm，寬600 mm；腹板板厚14 mm；底板在支座8.6 m 范圍內(nèi)厚度為20 mm。橋面板采用預(yù)制吊裝的方式，為了便于工廠的制作，橋面板的橫橋向尺寸可一致化，箱室頂部尺寸和箱室間距均設(shè)為2 425 mm，如圖2 所示。

1.2 工況介紹

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:mm)

為了研究模型精度、施工方案、材料優(yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，共建立四個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)參數(shù)如表1 所列。模型一和模型二對(duì)比分析的目的是研究底板加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，以此來論述模型建立精度的必要性；模型三基于模型二調(diào)整了施工方案，在吊裝橋面板時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐，待到橋面板和鋼主梁完全疊合后再拆除臨時(shí)支撐，以此研究施工方案對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響；模型四基于模型三進(jìn)行工程材料的優(yōu)化，并對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，論述施工方案和優(yōu)化材料的結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)輕型化設(shè)計(jì)、工程材料使用量的影響。

表1 分析工況信息表

1.3 模型計(jì)算對(duì)比分析

采用Midas 有限元分析軟件建立橋梁模型，建模之前根據(jù)《鋼- 混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.5 節(jié)計(jì)算混凝土橋面板的有效寬度。其中，簡(jiǎn)支梁支點(diǎn)處混凝土面板的有效寬度bc應(yīng)按下列公式計(jì)算[3]：

式中，b0為鋼梁腹板上方最外側(cè)剪力連接件中心間距，mm；bci為鋼梁腹板一側(cè)的混凝土橋面板有效寬度，mm；Lc，i為等效跨徑，mm，簡(jiǎn)支梁取計(jì)算跨徑。

根據(jù)上述方法計(jì)算，此模型的混凝土橋面板有效寬度即為其全寬。

1.3.1 模型精度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

為了研究模型精度對(duì)橋梁受力的影響，現(xiàn)將底板加勁肋作為參數(shù)，對(duì)比分析未模擬底板加勁肋的模型一和模擬底板加勁肋的模型二，兩模型其余參數(shù)均設(shè)為一致。表2 展示了模型一和模型二在荷載基本組合及標(biāo)準(zhǔn)組合作用下橋梁的受力情況。

由結(jié)果可知，底板加勁肋對(duì)底板下緣最大拉應(yīng)力影響較大，對(duì)加勁肋進(jìn)行模擬后，鋼梁底板下緣的最大拉應(yīng)力減少10.8 MPa，減少幅度為4.72%；由于底板加勁肋屬于底板的局部構(gòu)件，對(duì)混凝土橋面板的受力情況幾乎無影響。鋼梁底板的拉應(yīng)力是橋梁設(shè)計(jì)的決定性指標(biāo)。因此，為了更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力情況，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建議在建立橋梁模型時(shí)對(duì)加勁肋進(jìn)行模擬，提高建模精度。

表2 模型一和模型二應(yīng)力對(duì)比表

1.3.2 施工方案對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

根據(jù)組合截面不同承載情況，組合梁可分為活載組合梁和恒載組合梁?；钶d組合梁在橋面板施工時(shí)未設(shè)置臨時(shí)支撐，鋼梁自重、橋面施工荷載及混凝土橋面板自重僅由鋼梁承擔(dān)，混凝土橋面板不參與共同工作。恒載組合梁在鋼梁架設(shè)及橋面板施工時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐可承擔(dān)鋼梁自重、橋面施工荷載及混凝土橋面板自重，待橋面板和鋼梁可共同作用后移除[1]。

模型三基于模型二改變施工方案，在吊裝橋面板時(shí)，設(shè)置臨時(shí)支撐，變活載組合梁為恒載組合梁，其具體施工流程如圖3 所示。

圖3 組合梁施工順序圖

表3 展示了模型二和模型三在荷載基本組合及標(biāo)準(zhǔn)組合作用下橋梁的受力情況。由結(jié)果可知，在施工過程中，設(shè)臨時(shí)支撐相較于未設(shè)臨時(shí)支撐，鋼梁底板下緣的最大拉應(yīng)力減少了17.78 MPa，減少幅度為8.38%；同時(shí)混凝土頂板上緣最大壓應(yīng)力增大了3.39 MPa，增大幅度達(dá)39.74%。由此可見，臨時(shí)支撐的設(shè)置對(duì)橋梁的受力影響很大，選取合適的施工方案能有效改善結(jié)構(gòu)的受力情況，進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。

表3 模型二和模型三應(yīng)力對(duì)比表

1.3.3 施工及材料優(yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

基于上述設(shè)計(jì)過程，模型四采用更高強(qiáng)度的工程材料，對(duì)結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。鋼梁跨中底板厚度由30 m 優(yōu)化到18 mm，材料用Q420q 代替Q345q，橋面板材料用C60 代替C50。表4 展示了模型二和模型四在荷載基本組合及標(biāo)準(zhǔn)組合作用下橋梁的受力情況。

表4 模型二和模型四應(yīng)力對(duì)比表

由此可知，采用低強(qiáng)度材料，鋼梁底板厚度為30 mm 時(shí)，下緣最大拉應(yīng)力占標(biāo)準(zhǔn)限值的77.1%，采用高強(qiáng)度材料，鋼梁底板厚度為18 mm 時(shí)，下緣最大拉應(yīng)力占標(biāo)準(zhǔn)限值的77.7%，可見在保證相同的安全程度下，經(jīng)過施工方案改善及材料優(yōu)化，橋梁結(jié)構(gòu)尺寸有一定幅度的減小。其中，模型二的鋼材用量指標(biāo)為311.7 kg/m2，模型四的鋼材用量指標(biāo)為285.7 kg/m2，數(shù)量上減少了26 kg/m2，減低幅度為8.34%。由此可見，合適的施工方案和優(yōu)化材料的結(jié)合能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕型化，有效地減小工程材料用量。

2 結(jié)論與展望

（1）底板加勁肋對(duì)底板下緣最大拉應(yīng)力影響較大，且鋼梁底板拉應(yīng)力是設(shè)計(jì)過程的決定性指標(biāo)。因此，為了精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建議在建立橋梁模型時(shí)對(duì)底板加勁肋進(jìn)行模擬。

（2）臨時(shí)支撐的設(shè)置能有效改善鋼梁的受力，但同時(shí)會(huì)大幅度地增大混凝土橋面板的壓應(yīng)力。

（3）合適的施工方案和高強(qiáng)度材料的結(jié)合，有益于結(jié)構(gòu)輕型化設(shè)計(jì)，降低工程材料使用量。