作者簡介：楊千里（1985—），工程師，主要從事路橋施工工作。

文章以某高速公路40 m跨簡支槽型鋼組合梁為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了闡述，借助Midas Civil有限元軟件，基于梁格法對(duì)槽型鋼梁縱向受力進(jìn)行了計(jì)算分析，考慮活載分布寬度，得到了鋼筋混凝土橋面板裂縫寬度。分析表明，該設(shè)計(jì)的槽型組合梁受力較好，滿足使用要求。

簡支槽型鋼組合梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；縱向受力；橫向受力

U448.21+6A471673

0?引言

公路交通網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)互通互聯(lián)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在公路建設(shè)中，橋梁占據(jù)重要而不可替代的位置。除小半徑互通匝道外，公路橋梁大多采用常規(guī)跨徑裝配式小箱梁和T梁形式，跨徑大多取25 m、30 m和40 m，此類橋梁結(jié)構(gòu)形式簡單，施工工藝成熟，因此在過去的幾十年里得到了極大的推廣應(yīng)用。近年來，減碳、降耗理念首先在建筑業(yè)進(jìn)行了一定規(guī)模的推廣，而后，公路交通行業(yè)也掀起了一場(chǎng)工業(yè)化浪潮。對(duì)于沿海平原地區(qū)，機(jī)械化程度高，樁基已嘗試采用預(yù)制管樁，預(yù)制墩柱和節(jié)段梁也進(jìn)行了實(shí)踐與嘗試，并形成了成熟完備的施工工藝。對(duì)于中小跨徑橋梁而言，國內(nèi)設(shè)計(jì)單位和研究院所開展了鋼板組合梁和鋼箱組合梁的相關(guān)研究［1-2］，形成了典型路幅寬度下的標(biāo)準(zhǔn)圖集，使鋼混組合結(jié)構(gòu)在目前公路交通行業(yè)中占據(jù)重要地位。近年來，鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管養(yǎng)等仍是橋梁研究的重要課題。

槽型組合梁由開槽的鋼箱梁與橋面板通過焊釘連接鍵組成，與鋼板組合梁相比，抗扭性能較好，可適用于彎橋，與鋼箱組合梁相比，節(jié)約了鋼材用量，結(jié)構(gòu)輕盈，考慮到鋼材受拉性能好，混凝土受壓承載力高的優(yōu)勢(shì)，槽型組合梁更加適用于常規(guī)跨徑簡支橋梁中。陳卓異等將波形鋼腹板代替混凝土腹板，基于模型試驗(yàn)研究了槽型組合梁的破壞特征［3］；郭智磊從節(jié)段劃分、施工安裝角度分析了鋼箱組合梁的優(yōu)勢(shì)［4］；萬淑敏等基于Midas Civil軟件建立了50 m跨簡支鋼箱組合梁受力模型，重點(diǎn)分析了臨時(shí)支架對(duì)施工過程受力的影響［5］。由于槽型組合梁結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)較晚，目前對(duì)于鋼混組合梁相對(duì)缺少對(duì)槽型組合梁設(shè)計(jì)和受力方面的研究?；诖?，參考鋼箱組合梁研究思路，本文選取適用性較強(qiáng)的40 m跨簡支槽型組合梁為研究對(duì)象，介紹了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，分別考慮縱橫向受力特點(diǎn)對(duì)鋼槽型梁和混凝土兩種材料進(jìn)行了驗(yàn)算分析，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1?工程背景

某高速公路止點(diǎn)段連接城市重要節(jié)點(diǎn)，受橋下空間利用的影響，入城段盡量少墩，上部結(jié)構(gòu)輕盈美觀。在混凝土橋、鋼橋和鋼混組合橋三者方案比選過程中，擬采用能兼顧梁高和施工工期因素的槽型組合梁方案。橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計(jì)速度為120 km/h；雙向八車道，橋?qū)?7.75 m；地震動(dòng)加速度為0.05 g；主梁采用分離式槽型組合梁設(shè)計(jì)，橋面荷載采用公路-Ⅰ級(jí)。支點(diǎn)和跨中橫斷面分別如圖1和圖2所示，梁高為2 200 mm，鋼梁高度為1 800 mm，鋼筋混凝土板厚度為400 mm。

設(shè)計(jì)時(shí)，為適應(yīng)主梁受彎和受剪需要，將40 m跨槽型組合梁劃分為5個(gè)梁段，包含兩個(gè)梁段A，長度均為4 500 mm，兩個(gè)梁段B，長度均為9 000 mm，1個(gè)梁段C，長度為12 900 mm，梁段內(nèi)布設(shè)框架橫隔板，間距為5 000 mm。如圖3所示。

槽型鋼梁鋼材均采用Q345qD，不同梁段槽型鋼梁上下翼緣和腹板厚度按照不同參數(shù)取值，適應(yīng)受力需求。板厚變化見表1。

2?有限元模型

2.1?縱向分析有限元模型

有限元模擬時(shí)需要考慮鋼混組合結(jié)構(gòu)的施工過程，上部結(jié)構(gòu)施工過程主要分為5步：（1）槽型鋼梁安裝；（2）澆筑橋面板混凝土；（3）橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，與槽型梁形成共同受力的聯(lián)合截面；（4）二期鋪裝施工；（5）收縮徐變。槽型鋼梁橫向通過高度為500 mm的焊接工字鋼相連接，采用施工階段聯(lián)合截面，按照不同施工順序分別激活槽型鋼單元和橋面板混凝土單元，橫向按照梁格法［6］建立虛擬橋面板混凝土單元，確保橫向傳力的需要?？蚣軝M隔板按照節(jié)點(diǎn)荷載考慮，焊縫重量按照1.5%的槽型鋼梁自重系數(shù)進(jìn)行考慮。基于Midas Civil軟件，所建立的縱向分析有限元模型如圖4所示。

2.2?橫向分析有限元模型

根據(jù)縱橫向跨度大小，橋面板混凝土為單向板，在活載作用下，荷載主要沿橫向進(jìn)行分配。橋面板瀝青混凝土鋪裝層厚度為10 cm，計(jì)算得到平行于板跨徑方向的荷載分布寬度為0.8 m，垂直于板跨徑方向的荷載分布寬度按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算取值［7］，取橋面板有限元模型縱向長度為1 m，單輪加載輪載為70 kN，縱向分析有限元模型如圖5所示。其中，單元按從左到右進(jìn)行編號(hào)，共計(jì)38個(gè)單元。

3?縱橫向計(jì)算分析

3.1?縱向計(jì)算分析

考慮施工過程最不利受力狀態(tài)，即橋面板混凝土作為外荷載不參與結(jié)構(gòu)受力階段，混凝土濕重容重取26 kN/m3。槽型鋼梁應(yīng)力云圖如圖6所示，上、下翼緣應(yīng)力最大值分別為-109.4 MPa（壓）和107.0 MPa（拉），最大值均位于跨中截面位置。整體而言，截面應(yīng)力分布與彎矩分布相符合，梁段劃分符合應(yīng)力變化規(guī)律。

為分析成橋后槽型鋼梁持久狀況下的承載能力，取基本組合（1.2恒載+1.4偏載+1.05梯度溫度）為加載工況，活載按照4車道偏載進(jìn)行布置，此時(shí)邊梁截面應(yīng)力處于不利狀態(tài)。計(jì)算得到成橋后的基本組合下槽型鋼邊梁應(yīng)力云圖如圖7所示，基本組合下，上下翼緣最大應(yīng)力為-180.7 MPa（壓）和237.8 MPa（拉），考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1后，應(yīng)力最大值為261.6 MPa，其數(shù)值接近《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa限制要求［8］。從施工階段到成橋階段而言，考慮組合系數(shù)及活載作用后，應(yīng)力增幅明顯。經(jīng)分析，對(duì)于槽型鋼邊梁跨中截面下翼緣而言，在基本組合荷載成分中，活載占比為28.8%，因此大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)活載效應(yīng)的分析。

3.2?橫向計(jì)算分析

將橫向分析有限元模型中槽型鋼上翼緣與橋面板混凝土接觸部分進(jìn)行固結(jié)約束。橫向受力主筋直徑截面上層取20 mm，截面下層取16 mm，強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，橫向間距為12 cm?？紤]荷載縱橫向分布寬度，對(duì)橋面板鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行持久狀況下的承載能力和裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算分析。計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

結(jié)果表明：（1）抗彎最不利截面位于邊支點(diǎn)負(fù)彎矩處，即槽型鋼邊梁上翼緣與橋面板混凝土連接處，最大負(fù)彎矩組合值為-139.8 kN·m，小于彎矩抵抗值-265.4 kN·m。此外，最大正彎矩組合值為38.7 kN·m，小于彎矩抵抗值95.6 kN·m，抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.9，橋面板抗彎承載能力較好，滿足規(guī)范要求；（2）橋面板混凝土裂縫寬度最大值受負(fù)彎矩控制，出現(xiàn)在截面頂緣位置，最大值為0.084 mm，小于規(guī)范0.2 mm限值要求?？缰凶畲笳龔澗匾鸬牧芽p寬度為0.047 mm，根據(jù)裂縫寬度計(jì)算結(jié)果及分布規(guī)律，分離式槽型鋼組合梁橋面板混凝土在進(jìn)行橫向配筋時(shí)，截面頂緣處的鋼筋規(guī)格應(yīng)大于底緣，確保裂縫寬度滿足要求。

經(jīng)試算分析，鋼筋規(guī)格配置對(duì)裂縫寬度的影響比抗彎承載能力更敏感。由于橋面板混凝土設(shè)計(jì)受負(fù)彎矩控制，此處在截面頂緣配置直徑為20 mm的主筋的基礎(chǔ)上，保持底緣鋼筋和間距不變，進(jìn)一步對(duì)比分析直徑分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm和28 mm的主筋對(duì)裂縫寬度的影響，如圖10所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，當(dāng)橋面板混凝土截面頂緣鋼筋直徑＜20 mm時(shí)，負(fù)彎矩區(qū)裂縫寬度將＞0.1 mm。負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂形成受力裂縫后會(huì)威脅行車安全，可能導(dǎo)致槽型梁箱內(nèi)出現(xiàn)銹蝕，影響結(jié)構(gòu)耐久性。對(duì)于鋼筋混凝土橋面板構(gòu)件而言，應(yīng)嚴(yán)格控制槽型組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度，建議≤0.1 mm，便于后期橋梁的管養(yǎng)維護(hù)。

4?結(jié)語

本文以某高速公路40 m跨簡支槽型鋼組合梁為研究對(duì)象，基于Midas Civil軟件進(jìn)行了縱橫向受力數(shù)值模擬分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）將槽型鋼梁根據(jù)受力需要?jiǎng)澐殖?個(gè)不同板厚參數(shù)的縱向梁段，經(jīng)縱向受力分析，成橋狀態(tài)下承載能力小于規(guī)范限值，槽型鋼梁幾何尺寸設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。

（2）經(jīng)橫向受力分析，分離式槽型組合梁鋼筋混凝土橋面板承載能力和裂縫寬度均受鋼-混連接處負(fù)彎矩區(qū)控制。在本文所選取的槽型組合梁結(jié)構(gòu)尺寸條件下，橋面板橫向應(yīng)按照雙筋截面進(jìn)行配筋，建議截面頂緣處鋼筋直徑應(yīng)≥20 mm。

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