罗鹏

摘要 为了提高市政桥梁建设水平，文章提出了一种新型桥梁结构设计研究。以悬臂钢桁-波形钢腹板组合桥梁为设计基础，提出主梁支点与跨中处横断面、标准段压型钢板平面、横向预应力平面设计方案。检验结果表明，在V形桥墩受力作用影响下，其底板与顶板受力均未超出限定范围，产生墩柱压应力低于限定值，虽然产生了微小形变，但是在允许范围之内。

关键词 市政桥梁;组合桥梁;预应力

中图分类号 U448.213 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0126-03

0 引言

随着城市经济的快速发展，促进了桥梁建设技术水平的提升，越来越多组合桥梁建设技术在此时代背景下诞生[1]。市政桥梁作为城市桥梁运输的核心工程，代表着城市桥梁技术发展水平。为了彰显城市桥梁建设技术水平的提升，很多城市引入新型桥梁结构，用于建设市政桥梁[2-3]。目前，比较受人们关注的桥梁组合结构为悬臂钢桁-波形钢腹板组合桥梁，该文选取该组合方式作为市政桥梁设计思路展开研究[4]。

1 工程概况

以某市政桥梁建设工程为例，探究此项目组合桥梁设计方案。该项目建设在3条匝道组成的国道上，A匝道和C匝道采用4%控制，严格限定时速，安全限定值为25 km/h，匝道宽度和曲率半径依次为10.8 m、30.4 m，桥梁净空高度为5.0 m，顺接对向辅道。B匝道同样采用4%控制，严格限定时速，安全限定值为25 km/h，匝道宽度和曲率半径依次为11.1 m、34.9 m，跨越辅道后掉头，而后顺接对向辅道。

2 市政桥梁主梁设计

由于该研究工程所处国道曲线半径较小，对车流量支撑要求较大，传统的桥梁布设方式满足不了需求，埋藏着较大的安全隐患。为了提高施工及车辆通行安全性，承载较大的车流量，研究从受力性能分析角度出发，分别对主梁支点与跨中处横断面、标准段压型钢板平面、横向预应力平面进行设计。

2.1 桥梁设计技术指标

（1）桥梁行车道宽度参数为2×4.0 m，桥面总体宽度为11.1 m。

（2）桥梁的中心线坐落于曲线上。

（3）桥面纵坡最大数值为4%。

（4）车辆行驶速度为25 km/h。

（5）桥梁使用环境类别为I类。

（6）桥面横坡超出标准高度为2%，单向横坡1.5%。

（7）设计基准期指标数值为100 a。

（8）项目设计安全等级为一级。

2.2 主梁支点与跨中横断面设计

研究对于桥梁横断面的设计，选取的设计方法为单幅断面设计思路，设定标准宽度参数数值为11.1 m，采用以下断面布设方式分别布设跨中与支点横断面：路缘带（数值0.5 m）+防撞墙（数值0.5 m）+大车道（曲线加宽数值1.5 m+大车道数值3.5 m）+小车道（曲线加宽数值0.75 m+大车道数值3.25 m）+路缘带（数值0.5 m）+防撞墙（数值0.5 m）。以单向1.5%横坡为标准，布设机动车道。另外，行车速度超出标准2%，曲率半径超出标准2%，以满足桥梁受力需求。如图1所示为主梁支点横断面设计图。

跨中横断面布设与主梁支点横断面相似，纵向和竖向尺寸相同，前者采用压型钢板，后者采用波形钢板，分别分布在桥梁的中间位置和桥梁的右端。另外，两部分横断面车道分界点布设存在一定差异，各项指标间距不同。

2.3 主梁标准段压型钢板平面设计

组合梁顶板主要由两部分组成，分别是纵向翼缘板和横向翼缘板，板厚度设置为16 mm。为了起到加固作用，在翼缘板上方固定多个抗剪栓钉，同时布设加劲肋。其中，肋板高度为16 cm，钢筋孔直径数值为5 cm，设定钢板布设间距为40 cm，在间隔处布设加劲肋，厚度大小为16 mm。与此同时，添加横隔板，布设间距为4 m。为了便于施工，降低施工成本，选取闭合型钢板作为主梁压型钢板布设材料，设定厚度为1.2 mm，完成各项材料平面布设[5]。

2.4 主梁横向预应力平面设计

为了加固组合桥梁，设计方案在全桥各处顶板后浇层位置增加了横向预应力。设置初始张力大小为0.65σcon，钢束为3Φs15.2，应力布设间距为1 m。沿着纵向方向，每经过1 m，布置1道预应力，同时支持锚固和张拉两项操作，形成主梁预应力平面。该平面左侧由锚固端+张拉端+锚固端+张拉端组成，后侧由+张拉端+锚固端+张拉端+锚固端组成，两侧形成预应力衔接，实现预应力的加固作用[6]。

3 工程检验

3.1 检验材料性能与荷载组合

工程严格按照桥梁建设质量标准选取钢材料，经检验钢材料弹性模量、剪应力、弯曲应力、轴向应力、剪切模量、弹性模量6项指标均达到标准。另外，测试混凝土强度指标和预应力钢束力学性能多项指标，对比工程建设标准，各项参数数值均在规定范围之内。

为了全面检验组合桥梁设计可行性，检验设置了5个组合，分别是：（1）1.4M+1.2D;（2）1.4T+1.2D;（3）1.12T+1.4M+1.2D;（4）1.0T+1.0M+1.0D;（5）1.0M+1.0D（二期恒载）。其中，T代表温度荷载;M代表活载;D代表恒载。

通过对以上5套荷载组合进行检验，从而获取较为全面的检测结果，为组合桥梁设计施工提供参考依据。

3.2 组合桥梁V作用下底板与顶板受力检验

采用桥梁内力计算方法，对桥梁底板支承处所受应力数值进行计算，最大数值为34.2 MPa。与此同时，位于桥梁底部的跨中拉应力最大数值为61.5 MPa。按照国家桥梁建设标准判断，该研究设計组合方案满足底板承载受力需求。

采用同样的方法计算顶板受力数值，计算结果显示，此位置拉应力最大数值为111.9 MPa，位于梁顶处的应力数值为5.40 MPa。按照国家桥梁建设标准判断，该研究方案中顶板受力参数符合国家桥梁建设标准。

3.3 混凝土后浇层受荷载组合V作用下的受力检验

关于钢混合梁部分的施工，通常情况下采用以下工序完成：

第一步：打造桥梁下部基础结构;第二步：建设主梁钢梁结构，按照施工方案开始执行此部分施工任务;第三步：采用重压施工方法，对桥梁基础结构和主梁钢梁结构采取稳定处理;第四步：浇筑混凝土，形成后浇层;第五步：沿着横向张拉预应力钢束，形成稳定架构;第六步：撤掉压重;第七步：在桥梁结构上添加防撞护栏;第八步：桥梁表面铺设沥青道路。

在此施工过程中，后浇层混凝土湿重容易对主梁底板造成影响，导致其结构发生形变。其中，混凝土表现出的状态为流态，很难承受弯矩，所以混凝土从流态转变为固态后，测得此时应力为0。接下来的施工中，后桥活载、施加荷载开始对支座混凝土产生作用，使其表面形成负弯矩。为了保证桥梁混凝土结构稳定性，该工程对混凝土的强度进行检验。其中，采用的方法为荷载组合V，利用该方法为检验混凝土的强度大小。

考虑到顶板混凝土在此结构中不受拉力影响，钢板承受了所有拉力影响。为了避免负弯矩拉应力传递到其他位置，对桥梁结构稳定性造成影响。在质点负弯矩位置开始分割，形成一道裂缝。

工程钢筋混凝土组合形成的箱梁部分，根据其结构组成情况分析，后浇层的混凝土结构中的支座部分受拉力影响较大。为了避免此部分拉力对箱梁整体稳定性造成影响，该工程对于混凝土的后浇层、钢箱梁跨支架的施工衔接部分给予高度重视。此处采用的施工技术为预弯处理，以钢箱梁作为处理对象，在后浇层混凝土施工未结束之前，始终采取预弯处理。在此期间，检测混凝土强度，如果测得该数值超过90%，则撤除压载。该施工作业目的在于产生一部分压应力，使其作用在主梁部分。工程压载质量参数设置为20 t，两跨同时加载，以集中加载模式施工。其中，加载施工选取的材料为混凝土块。

通过分析施工期间主梁的各个受力点的特点，探究受力工况下的主梁应力问题，经过计算得到预压应力。该工程根据梁组成结构特点，将其劃分为7个墩布设点，分别在这7个位置部署墩，沿着从左到右的顺序，依次编号为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7。计算结果显示，受压载影响，位于B6、B7墩处的主梁的梁顶产生应力大小分别为10.88 N/mm2、10.20 N/mm2。

根据力学理论可以得到，钢材在施工中产生的应力与应变的关系可以表示为σs=εsEs，混凝土的应力与应变之间存在的关系可以表示为σc=εcEc。关于混凝土和钢同时作用情况下，两者应变系数相等，即εs=εc。综合上述关系整理得到σc=Ecσs/Es。采用换算方法，对B6墩位置的梁顶混凝土后浇层位置的拉应力进行计算，得到计算结果为σc=10.88/5.98=1.82 N/mm2­。采用同样方法，计算B7墩位置拉应力，结果为1.69 N/mm2。

其中，σc代表混凝土拉应力，Ec代表混凝土应变，εc代表对应系数;σs代表钢材应力，Es代表钢材应变，εs代表对应系数。

工程中，位于后浇层位置的混凝土强度等级为C60，该等级条件下的拉应力小于上限值。由此可以推断，当前设计的桥梁组合方案满足该工况下的应力控制要求。采用同样的方法，对7种工况下的应力进行测试，结果如表1所示。

观察表1中不同工况条件下位置1和位置2的应力测试结果可知，这些工况下两个位置产生的应力均满足混凝土浇筑强度要求，为桥梁建设质量的把控提供了保障。

3.4 组合梁V形墩应力检验

5组桥梁荷载组合作用下，受V形墩作用，在V形墩外侧形成墩柱压应力，通过计算此数值，分析应力、弯矩、轴力是否符合组合桥梁建设标准。计算结果表明：水平方向组合梁轴力大小为−645.2 kN，在参数规定范围之内;应力计算结果为114.2 MPa，此计算结果远远低于230 MPa，符合桥梁应力标准;关于组合梁弯矩的计算，计算结果为−1 286.9 kN·m，符合桥梁建设参数标准。

3.5 主梁结构变形检验

5组荷载桥梁组合中，组合桥梁在轴处产生最大桥梁。其中，X方向产生的位移大小为10.8 mm，Y方向产生的位移大小为1.45 mm，Z方向产生的位移数值为1.2 mm。综合分析这3个方向桥梁墩产生的位移情况可知，该文设计的组合桥梁建设方案的V形墩变形不明显，可以忽略不计。另外，对主梁结构的变形情况进行计算分析，沿着竖向方向产生的恒载扰度为33.9 mm，其跨度在标准范围之内。由此可以判断，主梁结构刚度达到了限定值，产生微小形变，在允许范围之内。因此，该研究设计的组合桥梁设计方案可行性较高。

3.6 桥梁疲劳检验

按照公路桥涵钢结构设计规范中提及的1.2.17条规定，对桥梁疲劳情况进行检验，即检验该研究设计的桥梁是否满足疲劳承载要求。检测以桥梁中支点和跨中作为检测对象，检测点布设在上边缘和下边缘两处，结果如表2所示。

表2中，σ=σmax-σmin，检测结果显示，设计方案中最大疲劳数值和最小疲劳数值均小于[σn]。由此可以判断，本市政桥梁设计方案符合组合桥梁建设疲劳要求。

4 总结

该文围绕市政桥梁建设问题展开探究，选取悬臂钢桁-波形钢腹板组合方式作为桥梁设计思路，以某工程为例，分别对主梁支点与跨中处横断面、标准段压型钢板平面、横向预应力平面进行设计。检验结果表明，桥梁受V作用影响，其底板与顶板受力均在标准范围之内，墩柱压应力远小于限定值，主梁结构产生微小形变，可以忽略不计。因此，该设计组合桥梁设计方案符合市政桥梁建设标准。

参考文献

[1]徐添华.大跨波形钢腹板组合箱梁桥悬臂施工力学分析[J].城市道桥与防洪，2019（5）：159-162.

[2]石柱，项超群，上官兴，等.钢桁梁桥新型波形钢-RPC组合桥面板非线性有限元分析[J].中外公路，2019（5）：96-102.

[3]刘海波，王为，李立峰.变截面波形钢腹板PC梁桥的设计与计算分析[J].公路工程，2018（3）：87-91.

[4]吴涤，刘少乾，兰军，等.特大跨悬索桥索塔波形钢腹板横梁抗震性能试验研究[J].公路交通技术，2018（4）：55-62.

[5]纪全有，杨源源，孟园英.波形钢腹板PC组合梁桥施工控制技术研究[J].工程技术研究，2019（3）：40-41.

[6]沈昊，李扬.市政桥梁设计中减隔震设计要点分析[J].城镇建设，2020（1）：110-111.