殷 亮，胡小康

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司; 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

钢混组合结构桥梁充分利用了钢材和混凝土各自的材料优势，具有承载能力高、结构刚度大、施工便捷快速、全寿命周期造价低等特点，在国内外得到广泛的应用[1]。自20世纪60年度开始，已建设了包含组合钢板梁桥、组合钢箱梁桥、组合桁架梁桥、组合刚构桥、组合拱桥及组合斜拉桥等各种形式的组合结构[2]，其中组合钢箱梁桥因其抗扭能力强、整体性好、特别适合曲线路线及大跨度等需求，成了该类结构的主力军。

1 工程概述

印度尼西亚雅加达至芝坎佩高速公路改扩建工程采用了全长36.84 km的主线高架桥方案，桥梁上部结构均采用组合钢箱梁，其中标准跨径为60 m，此外还有少量的45 m、50 m、55 m、75 m、100 m和120 m跨径类型。为方便工期和后期养护，75 m以下跨径均采用简支结构体系[3]。工程设计标准如下：

(1)道路等级：高速公路。

(2)设计速度：80 km/h。

(3)桥下净空：5.5 m。

(4)主线桥宽：23.5 m，双向四车道。

(5)匝道桥宽：12.5 m，单向双车道。

(6)车道宽度：3.5 m。

(7)荷载标准：印度尼西亚SNI-1725-2016。

(8)桥梁设计标准：美国AASHTO LRFD Bridge Design Specification 2014。

主线桥采用分幅布置，标准横断面如图1所示，具体为：0.5 m防撞护栏+10.5 m车行道+0.5 m防撞护栏+0.5 m中分带+0.5 m防撞护栏+10.5 m车行道+0.5 m防撞护栏=23.5 m。

图1 桥梁横断面布置(单位：mm)

2 组合钢箱梁桥结构设计

为方便钢梁运输，60 m简支标准跨径桥梁上部结构采用窄钢箱组合梁，主梁由开口的双钢箱梁和现浇混凝土桥面板组合而成，横断面布置如图2所示。

图2 上部结构横断面(单位：mm)

单幅桥面板全宽11 500 mm，挑臂长度为2 875 mm，箱室宽度1 900 mm，两箱室净距为1950 mm。钢梁高度为2 350 mm，混凝土桥面板从厚度420 mm变化到200 mm，组合梁高跨比为1/20.9。

60 m简支标准跨径桥梁计算跨径为58 m，两端设置钢牛腿。为方便运输，钢梁沿纵桥向划分为5个节段，中间三个节段长度为12 m，两端节段长度为11 m。

中间36 m区域采用日本SM570钢材，其设计强度为450 MPa。钢梁上翼缘宽度为450 mm，厚度为21 mm；底板宽度为2 000 mm，厚度22 mm；腹板高度为2 307 mm，厚度为20 mm。

两端11 m区域采用日本SM520钢材，其设计强度为355 MPa。钢梁上翼缘宽度为450 mm，厚度为21 mm；底板宽度为2 000 mm，厚度22 mm；腹板高度为2 307 mm，厚度为16 mm，如图3所示。

图3 钢梁三维视图

钢梁在工厂分段加工，运输到现场临时存梁场后焊接成整体，整跨采用架桥机从地面斜向起吊，通过纵移、横移到设计位置。

混凝土桥面板采用钢筋混凝土结构，支架法现场浇筑，悬臂和箱室内均设置有模板，如图4所示。

图4 钢梁架设工法示意

3 荷载取值和荷载组合

3.1 主要设计荷载

(1)结构自重。按照结构实际重量计算，此外，施工过程中的临时模板取20 kN/m。

(2)汽车活载。根据印尼地方规范，汽车活载分为D荷载、KEL荷载和T荷载。D荷载为均布荷载，如图5所示，折算为线荷载35.84 kN/m；KEL荷载为355.01 kN(考虑38%的冲击系数)；T荷载为车辆荷载[4]，如图6所示。

图5 印尼规范汽车D荷载加载模型

图6 印尼规范车辆T荷载模型

(3) 温度。桥位全年最高温度为15 ℃，最高温度为40 ℃。温度梯度根据印尼规范，当海拔小于500 m时，T1=12 ℃，T2=8 ℃。

(4)风荷载。根据印尼地方规范，风荷载计算如下：

Tew=0.0006×Cw×Vw2×Ab

式中：Cw取值1.2；Ab为面积；Vw为风速。

(5)地震。设置铅芯减隔震支座重，根据印尼地方规范，地震计算如下：

Teq=kh×I×Wt

kh=C×S

式中：C为基础剪切系数，取值0.23；S为结构类型因子，取值1.0；I为重要性系数，取值1.2；Wt为自重。

3.2 荷载组合

荷载组合分为施工状态组合、正常使用状态荷载组合(表1)、极限承载能力荷载组合(表2)和疲劳组合[5]，其中恒载自重在极限承载能力组合中，根据不同的材质、部位和施工误差采用不同的分项系数，如钢结构组合系数为1.1，混凝土组合系数为1.3，桥面铺装组合系数为2，比国内规范中统一采用1.2的分项系数更为细致。

表1 正常使用状态荷载组合

表2 极限承载能力荷载组合

4 设计规范验算

4.1 规范主要差异

美国AASHTO LRFD2014规范与国内组合桥梁规范存在较大差异，主要有如下几点：

(1)承载能力计算时采用塑性设计方法。

(2)截面刚度：假设混凝土桥面板在全桥均有效来计算内力，但计算应力时，需要考虑负弯矩区开裂影响。

(3)组合截面分成短期和长期截面，采用不同的弹性模量比。

(4)钢结构截面分为密实、非密实和细长3类，不同截面的计算方法不同。

(5)混凝土桥面板裂缝宽度没有具体的限值，主要通过控制钢筋的应力、最大钢筋直径和间距来实现。

4.2 设计流程和验算内容

组合钢箱梁桥的设计流程，应按照钢主梁和混凝土桥面板分别进行设计，其各个流程有不同的验算内容，其设计流程和验算内容如图7和图8所示。

图7 钢主梁设计流程图

图8 混凝土桥面板设计流程图

在施工阶段主要验算钢结构上、下翼缘应力，受压翼缘的局部屈服应力，腹板弯曲屈曲应力等。

在正常使用状态主要验算钢结构的活载挠度、组合截面和非组合的恒载挠度、混凝土桥面板的应力等。

在强度极限状态主要验算组合结构正弯矩区和负弯矩区抗弯承载力、抗剪承载力，包含腹板长细比限值、钢梁上下翼缘长细比限值、受压翼缘局部屈曲抗力、侧向扭转屈曲抗力和腹板弯曲屈曲抗力等。

在疲劳极限状态主要验算剪力钉和钢梁受拉疲劳应力幅。

对于剪力钉验算主要内容包含剪力钉布置间距、伸入长度、疲劳抗力和极限承载能力等。

对于混凝土桥面板，主要验算不同状态下的承载能力、最小配筋率和钢筋间距等。

4.3 验算结果

钢梁在跨中截面的验算结果见表3，支点截面的验算结果见表4，计算结果均满足规范要求。

表3 跨中截面钢主梁验算结果(单位：MPa)

表4 支点截面的钢主梁验算结果(单位：MPa)

桥面板采用AASHTO规范中板条法计算，结果见表5，计算结果均满足规范要求。

表5 混凝土桥面板验算结果表格

5 结 论

通过以上阐述和计算，可以发现美国AASHTO规范与国内的组合桥梁设计规范相比，无论是设计理念还是设计方法上均具有较大差别，从而导致桥梁设计的经济性相差甚远。目前，国内组合结构桥梁还处于起步阶段，需要通过不断的学习国外先进的技术成果，提高国内的组合桥梁设计水平，同时，在海外工程设计项目中，需要不断地了解和尊重当地的设计习惯，才能设计出符合地方国情的桥梁作品。