张冠华, 李文全, 姜 旭

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110000； 2.同济大学土木工程学院，上海 200092)

钢-混组合梁桥因其具有自重轻、承载能力高、抗震性能好，施工便捷等优点[1-4]，在日本、欧美等发达国家已得到了广泛的应用。过去，受经济社会发展水平和钢材产能制约，中国钢结构桥梁主要用于特大跨径[5-6]，在中小跨径桥梁领域中的应用很少。

近年来，随着钢铁产能的不断提高和钢结构桥梁建设技术的持续进步，中国已经具备推广钢结构桥梁的物质基础和技术条件，同时钢铁产能过剩、钢材价格下降，为推进钢结构桥梁建设、提升公路桥梁建设品质提供了良好的契机[7-10]。

钢-混组合梁桥具有优异的结构性能，结合预制拼装技术，能够有效实现中小跨径桥梁建设的工厂化、标准化及信息化[11]。但是，目前中国尚未推出中小跨径组合梁桥标准图集，限制了组合梁的推广及其施工便捷性能的发挥。因此，通过对典型跨径中小钢板组合桥梁合理梁高及板件配置进行研究，以期为中小跨径组合梁桥设计标准及通用图的制定提供理论依据。

1 背景工程

跨径5×30 m的组合梁桥钢主梁采用Q390工字形直腹板钢梁，双主梁间距8 m，主梁间采用横梁加强横向联系，桥面板采用C40现浇混凝土。以其中5×30 m的钢混组合连续梁为主要研究对象，其钢梁高度为1.65 m，上翼缘宽800 mm、厚度25～32 mm，下翼缘宽800 mm、厚度32～54 mm，腹板厚度分为14～22 mm，腹板设置竖向加劲肋。混凝土桥面板宽度为12.5 m，在腹板中心线上方厚度为35 cm，跨中厚度为25～35 cm，翼缘悬臂端部为18 cm。剪力钉与砼形成合成桥面板，整体受力。

跨径5×35 m的组合梁桥桥面宽度为净宽9 m，防撞墙0.5 m，桥面全宽10 m。上部结构为双主梁钢板组合梁，主梁间距为6 m，主梁间采用横梁加强横向联系。钢主梁采用Q345工字形直腹板钢梁，梁高1.9 m，上翼缘宽700 mm、厚度20～40 mm，下翼缘宽900 mm、厚度28～50 mm，腹板厚度分为24、20、16 mm，腹板设置竖向加劲肋。桥面板采用纵向分段、横向全宽变截面预制板，纵向节段之间采用钢筋混凝土湿接缝连接。桥面板在腹板中心线上方厚度为35 cm，跨中厚度为27～35 cm，翼缘悬臂端部为20 cm。桥面板通过剪力钉群与钢主梁结合。

2 有限元计算模型

2.1 有限元模型

采用通用有限元程序ANSYS建立梁-实体模型，其中钢结构板件采用BEAM188梁单元模拟，混凝土板采用SOLID185实体单元模拟，钢梁与混凝土之间的剪力钉采用COMBIN14弹簧单元模拟。钢材容重为78.5 kN/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，线膨胀系数为1.2×10-5；混凝土容重为26 kN/m3，泊松比0.2，线膨胀系数为1.0×10-5，C40混凝土弹性模量为3.25×104MPa，C50混凝土弹性模量为3.45×104MPa。剪力钉的抗剪刚度为4.2×105kN/m，抗拉刚度为2.5×107kN/m。钢梁及混凝土节段有限元模型分别如图1、图2所示。为便于后文的描述，对结构支点及分跨进行编号，如图3所示。

图1 钢梁节段有限元模型

图2 混凝土板节段有限元模型

图3 结构支点及分跨编号

2.2 荷载及作用

考虑一期恒载、二期恒载、收缩徐变、不均匀沉降、温度效应、车辆荷载等多种荷载或作用，并按规范进行荷载组合。

验算时主要考虑跨中和中支点两处最不利截面，且由于沿纵桥向为对称结构，因此仅需对半桥进行验算。验算时不同梁段采用不同截面尺寸，分析时取相对应关键截面结果(图4、图5)。

图4 5×30 m组合梁桥关键截面位置及编号

图5 5×35 m组合梁桥关键截面位置及编号

2.2.1 恒载

为充分考虑施工过程对组合截面应力形成的影响，计算一期恒载时采用生死单元法模拟施工过程，其中，钢梁的自重通过施加惯性荷载由模型自动引入，故钢的材料密度取78.5 kN/m3；混凝土的自重通过在钢梁上翼缘施加面荷载手动引入，故混凝土的材料密度取0。按桥梁的施工顺序依次激活相应构件及荷载。二期恒载包括桥面铺装及栏杆重。

2.2.2 徐变收缩

根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)11.1.3节第5条规定，采用折减后的混凝土弹性模量计算混凝土徐变影响。

由于混凝土的收缩与徐变同时作用于组合梁，故计算收缩效应产生的内力时，要同时考虑徐变对混凝土弹性模量的折减以及收缩作用，其中收缩可通过等效为温度荷载引入模型。

2.2.3 基础变位

桥墩基础不均匀沉降按10 mm考虑。分别考虑各关键截面的最不利受力情况进行沉降组合，沉降工况如表1所示。

表1 支座沉降工况

注：工况编号中“SE”代表支座沉降，SE-1～SE-5代表不同支座沉降的5种组合情况。

2.2.4 温度荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)相关规定，温度荷载考虑均匀温度作用和梯度温度作用，分别有以下4种情况：①整体升温；②整体降温；③竖向梯度升温T1=14 ℃、T2=5.5 ℃(图6)；④竖向梯度降温，为竖向温度升温乘以-0.5。

A为混凝土结构，当梁高H小于400 mm时，A=H-100(单位：mm)；梁高H大于或等于400 mm时，A=300 mm；带混凝土桥面板的钢结构A=300 mm；t为混凝土桥面板的厚度(单位：mm)

2.2.5 汽车荷载

汽车活载采用公路-I级汽车荷载，横桥向考虑偏载布置，即车道荷载在满足车道间距的前提下尽可能往桥面一侧布载，车道横向折减系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)取值。纵向根据各关键截面选择最不利均布荷载qk和集中荷载Pk的加载位置(图7)，其中工况Z1～工况Z5分别对应关键截面1～5的最不利加载情况。

图7 车道荷载纵桥向布置

3 计算结果及分析

针对5×30 m和5×35 m两种跨径，分别取不同梁高进行建模，并对板件尺寸及厚度进行调整，保证不同梁高模型的关键截面应力水平相近，使配板结果具有可比性。调整优化后各梁高对应的板件尺寸如表2、表3所示。

表2 5×30 m跨径优化后各梁高板件尺寸

注：A～I如图4所示代表5×30 m组合梁不同梁段。

表3 5×35 m跨径优化后各梁高板件尺寸

注：A～I如图5所示代表5×35 m组合梁不同梁段。

两种跨径桥梁边跨跨中挠度及单位面积用钢量随梁高的变化如图8、图9所示。图8(a)、图9(a)表明，由于梁高的增加使结构刚度增大，边跨跨中挠度随着梁高的增加逐渐减小，且基本呈线性关系，均远小于《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)第4.2.3条规定的简支或连续板梁L/500的挠度限值。

图8(b)、图9(b)表明，单位面积用钢量随着梁高的增加而减少，但当梁高增加到一定程度时，用钢量的下降速度明显放缓。结合表2、表3可知，随着梁高的增加，上下翼缘的宽度减小，但为满足钢梁上翼缘剪力钉布置需要，其宽度不可无限制减小，因此若梁高继续增加用钢量势必出现反弹。此外，出于城市桥梁对桥下净空的限制，梁高的增加会导致路面垫高、引桥加长等一系列附加成本，对桥位处的通行视线和景观也会造成一定的影响。综合考虑以上因素，最终分别选择1.9 m和2.1 m作为5×30 m和5×35 m两种跨径的双主梁钢板组合梁桥的推荐梁高。

图8 5×30 m跨径跨中挠度及用钢量随梁高的变化

图9 5×35 m跨径跨中挠度及用钢量随梁高的变化

4 结论

(1)对于中小跨径钢-混组合桥梁，跨中挠度及单位面积用钢量均随梁高的增加而减小。其中挠度的减小与梁高的增加基本呈线性关系，而用钢量的减小速度随梁高的增加逐渐放缓。

(2)当梁高增加到一定程度时，截面开始受构造要求、视觉效果和城市空间等因素的限制，梁高产生的刚度和经济性的优势逐渐消失。

(3)综合考虑以上因素，最终分别选择1.9 m和2.1 m作为5×30 m和5×35 m两种跨径的双主梁钢板组合梁桥的推荐梁高。