鋼-混組合連續梁橋設計關鍵技術分析

唐武 劉宇飛 劉多貴

摘要：文章以某鋼-混組合連續梁橋為研究對象，通過有限元模型對其負彎矩橋面板、主梁撓度、抗疲勞等設計關鍵技術進行了分析，驗證了組合橋梁設計的合理性和可靠性，為今后同類組合梁橋的設計分析提供借鑒。

關鍵詞：組合連續梁；負彎矩；撓度；疲勞

中圖分類號：U448.34 A 50 165 3

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設向高質量發展轉變，橋梁耐久性、環保性、景觀性、經濟性等方面越來越得到橋梁建造者的重視?；炷两Y構短期養護費用較低，但自重大、能耗高、環保景觀性差；鋼橋自重輕、可循環利用，但疲勞、穩定、腐蝕問題突出，同時造價較高。為從混凝土橋與鋼橋中找到共同結合點，研究者提出了鋼-混凝土組合結構，充分利用各自的優勢，彌補各自缺點，從而使結構受力達到合理狀態。由于起步較晚且早期鋼產量不足，我國在鋼-混組合梁方面的研究及應用相對落后，組合梁橋的合理設計及分析仍有待進一步研究。

本文以某鋼-混組合連續梁跨線橋為例，通過建立有限元模型，對其設計關鍵技術如負彎矩橋面板設計、主梁撓度、疲勞等進行了分析計算，為今后同類型橋梁的設計分析提供一定的參考。

1 工程概況

該跨線橋跨越某運營中的高速公路，為加快施工進度，減小橋梁施工對橋下高速公路現狀交通的影響，跨線橋采用（53+60+53）m鋼-混組合連續梁。

該橋上部結構采用分離式窄箱型組合梁，主梁寬10.5 m，全高3.0 m，箱梁中心間距5.5 m。鋼主梁采用Q355C，橋面板為C50混凝土，橋面板普通鋼筋采用HRB400，橋梁典型斷面如圖1所示。

2 結構整體計算分析

采用Midas Civil軟件建立全橋有限元模型（圖2～4），鋼-混組合梁采用雙單元模擬，上層單元為混凝土橋面板，下層單元為鋼主梁。該橋施工采用鋼梁一次落架、后現澆橋面板形成活載組合梁截面的方法，建模分析時主要考慮如下幾個施工階段：

階段1：架設鋼主梁。

階段2：施加橋面板濕重——橋面板僅以均布荷載形式施加在鋼主梁上，尚未形成組合梁截面。

階段3：激活混凝土橋面板單元。

階段4：施加二期恒載。

階段5：模擬橋面板開裂——使用階段，橋面板按照規范要求，中支點兩側0.15L范圍內只考慮鋼筋的剛度。

階段6：收縮徐變10年。

基本組合作用下鋼主梁典型斷面應力結果如表1所示，均滿足規范要求。

鋼-混組合連續梁橋設計關鍵技術分析/唐 武，劉宇飛，劉多貴

3 關鍵技術分析

3.1 負彎矩區橋面板抗裂

組合連續梁中支點附近的負彎矩使得混凝土橋面板受拉，容易開裂，若裂縫得不到有效控制，將導致防水層破壞而引起鋼筋和鋼主梁的銹蝕，對橋梁的耐久性和使用年限有很大影響。

參考國內外相關研究成果，鋼混組合梁負彎矩混凝土橋面板開裂問題常用解決措施有如下幾種［1］：

（1）橋面板滯后鋼梁結合：先澆筑跨中區域的橋面板，使鋼梁預先變形，同時消除跨中區域混凝土橋面板與鋼梁結合的收縮徐變效應，再澆筑負彎矩區橋面板，降低其開裂的風險。

（2）支座位移法：通過調整中支座的位移，使得負彎矩區混凝土形成預壓效果。

（3）強配筋法：在滿足構造要求的前提下，采用高配筋率和較小直徑的帶肋鋼筋，可有效減小裂縫寬度。相關文獻［2］給出了簡便的橋面板配筋設計方法，具有較強的可操作性。

該橋采用強配筋法以控制負彎矩區橋面板裂縫寬度和間距。計算結果表明，當橋面板縱向鋼筋配筋率達到2.9%時，最大裂縫寬度為0.094 mm，如圖5所示，小于規范［3］容許值0.2 mm，滿足耐久性要求。

3.2 主梁撓度

參考國內外相關研究成果，組合梁的撓度計算方法主要有：換算截面法、折減剛度法、解析法和組合系數法，其中折減剛度法計算公式清晰明了，便于使用。

負彎矩區橋面板的開裂將使組合梁縱橋向剛度發生明顯變化，計算前要先確定橋面板的開裂范圍。Johnson R.P.［4］采用數值方法對連續組合梁橋進行計算分析，提出開裂范圍采用中支點兩側各15%跨度，國內外規范也普遍采用該開裂范圍進行計算。

按上述方法算得橋梁在活載作用下，中跨跨中的最大撓度為20 mm，邊跨跨中的最大撓度為18 mm，如圖6所示，均小于L/500=120 mm，滿足規范［5］要求。

3.3 抗疲勞設計

鋼結構橋梁在車輛、風等擾動荷載的循環作用下會產生疲勞損傷并逐漸累積，當達到一定程度時將出現疲勞破壞。疲勞破壞時結構沒有出現明顯的塑性變形，呈現脆性斷裂特征，難以察覺和預防，往往造成巨大損失。

目前鋼橋的疲勞壽命評估方法主要有兩種：基于S-N曲線疲勞壽命評估方法和基于斷裂力學的疲勞壽命評估方法。

S-N曲線方法發展較早，也是現在應用最廣泛的疲勞分析方法。該方法通過對各種鋼橋構造細節進行大量的常幅疲勞試驗，得到名義應力幅（σ）和疲勞壽命（N）之間的數值關系。該方法目前被廣泛收錄于各國規范里。

基于斷裂力學的疲勞壽命評估方法是近年來興起的一個研究方向［6］。該方法主要思路是先通過無損方法檢測出構件內部可能存在的微裂紋，通過《應力強度因子手冊》或有限元方法算得裂紋尖端的應力強度因子，最后根據Paris公式積分得到構件的剩余疲勞壽命。目前國內還沒有統一、準確的計算應力強度因子方法，一定程度上制約了該方法的使用。

不同規范對S-N曲線的形式（如斜率、截止限等）、構造細節的分級、疲勞強度值、所涵蓋的構造細節種類數量等方面均有所不同，其中《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）（以下簡稱《規范》），共收錄16類S-N曲線，涵蓋87個構造細節。

鋼橋規范給出了3種疲勞荷載計算模型（圖7～9），其中疲勞荷載計算模型采用等效車道荷載，對應于無限壽命設計，即構件永不出現疲勞破壞。

采用疲勞荷載計算模型時按式（1）進行驗算：

γFfΔσp≤ksΔσD/γMf（1）

γFfΔτp≤ΔτL/γMf（2）

式中：γFf——疲勞荷載分項系數，取1.0；

γMf——疲勞抗力分項系數，對重要構件取1.35，對次要構件取1.15；

ks——尺寸效應折減系數；

Δσp、Δτp——按疲勞荷載計算模型計算得到的正應力幅與剪應力幅。

組合梁橋焊縫較多，若對每處構造細節進行抗疲勞分析，工作量大且不經濟。研究表明，疲勞破壞起源于高應力或高應變的局部［7］。因此，要識別最可能出現疲勞破壞，且一旦出現破壞將直接導致結構無法繼續承載的典型構造細節［8］。組合連續梁各典型構造細節抗疲勞設計計算結果如表2所示，均能滿足規范抗疲勞設計要求。

4 結語

本文通過某連續組合梁橋關鍵技術進行分析，得到以下結論：

（1）組合連續梁負彎矩處混凝土橋面板容易開裂，設計時可采用高配筋率和較小直徑的帶肋鋼筋，當縱筋配筋率＞2%時，能有效控制裂縫寬度，滿足結構耐久性要求。

（2）計算組合梁撓度時，應采用開裂模型，不考慮中支點兩側0.15L范圍內混凝土的剛度，只計入普通鋼筋對剛度的影響。

（3）疲勞是組合梁設計時需要重點考慮的問題，設計時應采用合理的構造細節，以提高結構抗疲勞強度。

參考文獻

［1］劉 飛.連續鋼混組合梁負彎矩區處理措施［J］.北方交通，2015（1）：33-35.

［2］BS EN 1994-2：2005，Eurocode 4-Design of composite steel and concrete structures［S］.

［3］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［4］COMPOSITE STRUCTURE OF STEEL AND CONCRETE［P］.England：JP19900409966，1992-08-04.

［5］JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規范［S］.

［6］王春生，陳艾榮，陳惟珍.基于斷裂力學的老齡鋼橋剩余壽命與使用安全評估［J］.中國公路學報，2006（2）：42-48.

［7］陳傳堯．疲勞與斷裂［M］．武漢：華中科技大橋出版社，2001.

［8］李立峰，唐 武，唐金良.基于斷裂力學的錨拉板疲勞壽命評估［J］.湖南大學學報，2016，43（9）：82-87.

收稿日期：2023-09-20