双主梁钢板组合梁桥总体设计与分析

张钰伯

（邯郸市交通运输局公路勘察设计院，河北 邯郸 056001）

1 工程背景

组合结构桥梁由于多项新技术的应用，因而具有了良好的机能和耐久性，快速施工缩短了投资回报期，多样化结构适应了不同桥位不同跨度桥梁建设的需求和景观要求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量[1]。

为了响应交通部绿色公路的要求，本桥梁在设计上遵循“安全、耐久、经济、美观”原则，以工厂化生产、标准化施工为主要建设理念与目标，某新建公路跨线桥拟采用新型钢板组合梁。综合比选结构的经济性、施工的便利性[2]，通过充分的前期方案比较，桥梁上部结构拟采用35m跨度双工字钢钢板组合梁。

2 桥梁结构设计

2.1 桥梁总体设计

为了跨越规划的省道，考虑到斜交角度，桥梁主跨采用35m跨越。桥梁总体位于直线段，桥梁最大纵坡为1.2%。为了提高桥梁行车的舒适性，桥梁上部结构采用4×35m连续梁。桥墩采用柱式桥墩，直径1.4m圆柱墩。所有桩基均采用钻孔灌注桩，桩基直径1.6m，桩顶设置桩顶系梁。桥台采用肋板式桥台，框架式承台接1.2m群桩基础，桩基均按摩擦桩设计。

2.2 钢结构主梁设计

钢主梁横向由2片工字钢组成，钢材采用Q345qE桥梁用结构钢。工字梁上翼缘板宽800mm，板厚度为20～44mm，在中支点附近加厚到44mm；工字梁下翼缘板宽960mm，厚度为36～50mm，在中支点附近加厚到28mm，纵向加劲肋间距为2 000mm。

腹板厚度20～28mm，在支点附近加厚到28mm，为提高局部稳定性，设置一定数量的横向加劲肋。横向加劲肋采用1 800mm×16mm板肋，水平间距中支点处为1 000mm，跨中处为2 000mm。

为了提高桥梁结构的耐久性，钢结构采用重防腐设计，具体防腐涂层设计如表1所示。

表1 钢主梁防腐要求

2.3 混凝土桥面板设计

桥面板全宽 12.75m，厚 20～40cm，悬臂长 3.125m，采用C50补偿收缩混凝土。桥面板为钢筋混凝土结构，设置预应力钢筋。桥面施工采用预制安装施工。

桥面板湿接缝混凝土采用现场浇筑施工方案，由跨中向墩顶，对称浇筑剩余预制行车道板横向湿接缝,待强度达到90%后方可进行下一道施工工序。剪力钉采用φ22mm圆头焊钉，长200mm，剪力钉在钢主梁顶板横向间距为12.0cm，纵向间距为12.5cm。

全桥剪力钉均为工厂焊接，剪力钉的检验、焊接工艺、焊接质量检验及生产焊接控制均应满足有关规范的要求。

2.4 主要施工方案

钢板梁安装拟采用少支架分段吊装施工。全部钢板梁吊装、焊接就位后，经检查整梁位置、桥面标高、支座与钢板梁连接合格后，拆除支架，缓慢落梁；最后对钢板梁局部作补充涂装、涂最后一道面漆。

预制板在工厂预制，现场分块吊装至钢主梁上，最后浇筑剪力钉槽湿接缝，桥面板的现场按从跨中向墩顶方向进行合拢。预制桥面板保湿养护不少于30d，存放期应在6个月以上。现场现浇湿接缝保湿养护不少于28d。

3 主桥纵向静力分析

3.1 结构计算假定

主桥上部结构的静力计算分析以空间杆系理论为基础，Midas Civil 2019进行结构分析计算。纵梁采用Midas组合梁截面，横向分布系数采用杠杆法[3]进行计算。

根据JTG D64-01—2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》[4]7.1.2条文规定，混凝土桥面板按部分预应力混凝土B类或普通钢筋混凝土构件设计时，应采用开裂分析方法，中间支座两侧各0.15L（L为中支点两侧桥梁跨径）范围内组合梁截面刚度取开裂截面刚度，其余段组合梁截面刚度取未开裂截面刚度。

此次模型分析，采用负弯矩区开裂模型，即不考虑负弯矩区混凝土对结构刚度的贡献，分析混凝土板及钢主梁上缘在负弯矩区的受力情况。

3.2 钢结构部分计算结果

负弯矩开裂模型下，荷载基本组合包络作用下，钢梁应力如图1、图2所示。

图1 基本组合作用下钢梁上缘最大应力（拉应力）：186.4MPa

图2 基本组合作用下钢梁下缘最大应力（压应力）：171.7MPa

由图1、图2可知，在基本组合作用下，钢梁上缘最大拉应力（186.4MPa），钢梁下缘最大压应力（171.7MPa），均小于钢材抗拉、抗压强度设计值260MPa（Q345钢，厚度40～63mm）。

组合梁截面的剪力全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土板的抗剪作用。组合梁抗剪承载力验算取跨中与支点截面进行验算，组合截面承载能力组合Ⅰ作用下最大剪力值如表2所示。

表2 主梁剪力设计值计算表

当组合梁承受弯矩与剪力共同作用时，应考虑二者耦合的影响，主梁折算应力如表3计算所示。

表3 主梁折算应力值计算表（开裂模型）

3.3 混凝土桥面板计算结果

由于负弯矩区桥面板开裂，需控制桥面板最大裂缝。根据JTG D64-01—2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》7.1.2条纹规定，混凝土桥面板按部分预应力混凝土B类或普通钢筋混凝土构件设计时，应采用开裂分析方法，中间支座两侧各0.15L范围内组合梁截面刚度取开裂截面刚度，其余段组合梁截面刚度取未开裂截面刚度。

荷载短期效应组合下，桥面板轴力最大为7 705kN，按D25mm@120mm，双层双肢并排布置，钢筋拉应力为157MPa。故按负弯矩区轴力控制裂缝更为安全。经计算负弯矩区最大裂缝宽度Wfk=0.155mm＜0.2mm。其他区域桥面板钢筋按D16mm@120mm双层布置，最大裂缝宽度Wfk=0.191mm≤0.2mm。

4 桥面板横向受力分析

4.1 结构计算模型

主梁横断面由2片工型钢梁与混凝土桥面板通过剪力键连接为整体，钢梁腹板间距6.5m，最大悬臂长度3.125m；由于主梁中横梁顶板与桥面板分离，桥面板计算可按单向板模型进行分析计算。

在顺桥向取单位长度上部结构进行离散化，建立平面框架有限元模型，如图3所示。

图3 桥面板横向计算有限元模型

4.2 计算荷载

平面框架模型主要承受的恒载包括一期自重恒载和二期铺装、护栏等荷载。温度荷载与徐变按JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》取值。汽车荷载采用车辆荷载进行加载，重车轴重140kN，车轮间距1.8m，相邻车辆间距1.3m，冲击系数取为1.3，组合系数取1.8。

同时考虑汽车撞击作用，SS级护栏在车辆行驶垂直方向取87kN/m撞击力，作用高度取1.2m，荷载分布宽度取5m，则撞击力弯矩M=87×1.2=104.4kN·m/m。

对于单位长度模型，需进行荷载分布宽度计算，根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定，分别计算梁间跨中、支承处、悬臂处荷载有效分布宽度，根据计算得到的荷载分布宽度，调整作用在单位宽度模型上的车辆荷载作用系数。

4.3 主要计算结论

结合规范要求，对桥面板进行抗弯承载能力、正截面抗裂等验算。荷载基本组合作用下，桥面板承载能力满足规范要求。在短期效应组合下，跨中桥面板拉应力1.63MPa，支承处桥面板上缘未出现拉应力，满足规范要求；在长期效应组合下，跨中桥面板与支承处桥面板上缘均未出现拉应力，满足规范要求。

5 结语

本文以某跨线桥为工程背景，介绍了一种新型的双主梁钢板组合梁的设计方案及有限元分析。主要结论如下：

1）钢板组合梁结构是一种经济合理的桥梁结构形式，符合绿色公路的发展理念。本项目采用的双主梁钢板组合结构形式简单、施工方便，为同类项目的建设提供了参考与借鉴。

2）多主梁简支钢板组合梁具有较好的经济性，本项目上部结构用钢量为160kg/m2,桥面板混凝土用量为0.3m3/m2，普通钢筋用量为125kg/m2。

3）通过有限元计算分析结果表明，双主梁钢板组合梁的纵/横向受力均能满足规范要求。