鋼混組合梁寬橋的箱室劃分研究

胡 鑫，羅 晶，潘傳銀

[1.成都市市政工程設計研究院有限公司，四川 成都 610000；2.成都興城建管有限公司，四川 成都 610000]

0 引言

隨著城市的迅速發展，近年涌現出生態城市、綠色城市、森林城市等發展理念。成都作為公園城市建設的先驅，在市政技術上不斷更新，逐漸開始采用節能、節材指標優良的組合梁結構。

組合梁不僅在受力上充分發揮混凝土及鋼材性能，還能在一定程度上解決預應力混凝土箱梁長期下撓和腹板開裂問題，相較于鋼結構橋梁，其疲勞問題亦不顯著。

除此以外，組合梁在響應綠色低碳、可持續發展、預制拼裝等政策上也具有明顯優勢。

組合梁因工期快、構件尺寸小、運輸方便、施工界面小、受力優越、經濟等優點今年來成為極具競爭力的橋型。

市政高架橋中，由于上層交通規劃需求，或匝道接入的局部位置，常出現超寬橋面。如何進行合理的箱室劃分直接影響整個橋梁受力及工程經濟性。

因此本文從橋梁縱向計算、橋面板橫向受力、相關工程措施等方面，進行組合梁寬橋箱室的合理布設方法研究，以供相關設計人員參考。

1 工程概況

本文依托成都東西城市軸線建設工程。該工程西起都江堰市青城路，東至簡陽市三繞外市域邊界，總長約149.2 km?？缋@城高速節點，東西軸線方向主線橋全長約2486 m，最小轉彎半徑R=1998.5 m。最大縱坡4 %，最小縱坡0.3%。橋面總寬60 m，分為三幅。

設計中跨線橋上部結構以現澆連續梁、鋼混組合梁和鋼箱梁為主，分聯見表1。

表1 跨繞城高速高架橋橋跨布置表

城市建設工程對橋梁構件的運輸便利性、施工簡易度、工期等提出了更高的要求。本項目為市政寬橋面橋，因此需要對箱室劃分進行研究。

第7 聯連續組合梁跨徑布置43 m+65 m+43 m，橋面寬20.5 m 寬。主梁間距11 m。兩片主梁中間設置一片中縱梁。

主梁之間設置橫梁，橫梁縱向標準間距6～8 m，支點橫梁為大橫梁，其余橫梁為加強小橫梁。

單片主梁鋼梁梁高2.4 m，腹板頂間距4 m，底板寬度3.4 m，頂板寬度0.6～1.2 m。

小縱梁鋼梁高1.91 m，頂板寬度0.4 m，底板寬度0.6 m。

組合梁標準橫斷面見圖1。

圖1 組合梁標準橫斷面圖（單位：mm）

本文以該橋為例，從有效寬度系數、橋面板橫向受力、其他工程措施因素三個角度來綜合分析箱室最優的劃分方式。

2 有效寬度系數對箱室劃分的影響

2.1 有效寬度

剪力滯效應使得腹板兩側上、下翼緣的正應力呈靠近腹板處大而兩側小的不均勻分布狀態，因此腹板附近翼緣提前破壞，距離鋼腹板較遠處的混凝土并不能有效發揮全截面作用。

箱梁設計時常取有效寬度等效替代腹板兩側翼緣實際寬度，以放大橋面板受力，確保結構安全。

（1）《鋼結構設計標準》[6]規范中組合結構翼緣有效寬度為

其中，bc、b0、b1、b2、le的取值詳見對應規范。

《鋼結構設計標準》有效寬度計算圖例見圖2。

圖2 《鋼結構設計標準》有效寬度計算圖例

（2）《公路鋼結構橋梁設計規范》[8]關于有效寬度的計算方法，源于日本道路橋示方書。規范及手冊中建議鋼結構及組合梁的橋面板有效寬度按照以下公式取值?！豆蜂摻Y構橋梁設計規范》有效寬度計算圖例見圖3?？缰形恢茫?/p>

圖3 《公路鋼結構橋梁設計規范》有效寬度計算圖例

支點區間：

bi，以及等效跨徑取值詳見對應規范。

（3）歐洲規范4[9]中，對于組合梁有效寬度可采用以下方式計算：

a. 跨中及中間支座處有效寬度

b. 邊支座處的有效寬度

（4）《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（簡稱《公預規》）[7]有效寬度計算采用以下公式。

連續梁各跨中部：bmi= ρfbi，α=bi/li，ρf=-6.44α4+10.1α3-3.56α2-1.44α+1.08

連續梁支點：

其中，bi為腹板兩側翼緣寬度，li為理論跨徑，具體取值詳見規范。

2.2 不同規范的有效寬度系數比較

選取4 m 腹板間距的組合梁為例，對于43 m+65 m+43 m 連續組合梁，其腹板布置見圖1，本文利用《鋼結構設計標準》《公路鋼結構橋梁設計規范》《歐洲規范4》《公預規》四本不同規范對有效寬度系數比較。

其中，有效寬度系數=有效寬度/實際寬度。

圖4 為各規范計算的有效寬度系數沿橋梁縱向的分布情況，由圖4 可知以下結論：

圖4 各規范有效寬度系數對比

（1）組合箱梁的有效寬度系數比混凝土箱梁的有效寬度系數大，剪力滯效應較小，其橋面板能更有效、均勻地參與截面受力。

（2）《鋼結構設計標準》中關于橋面板有效寬度的規定，對于小跨徑（跨徑10 m 左右）連續組合梁才有效，大跨徑均考慮橋面板全截面受彎，因此用該規范計算橋梁結構偏不安全。設計小跨徑人行橋或者棧道時，可考慮采用該規范。

（3）《公路鋼結構橋梁設計規范》比歐規相對安全。有效寬度系數在跨中區別不大，中支點位置的有效寬度系數存在較大差異。

2.3 不同箱室寬度有效寬度系數比較

在2.2 節研究基礎上，采用《公路鋼結構橋梁設計規范》進行有效寬度計算，對比三種箱室寬度的有效寬度系數，根據式（2）可得

由式（3）可得

故選用3 m、4 m、5 m 三種常用的箱室寬度對比分析，假設無擴大板托。

圖5 為各規范計算的有效寬度系數沿橋梁縱向的分布情況，由圖5 可知以下結論：

圖5 不用箱室寬度有效寬度系數對比

（1）3 m 箱室寬度，橋面板充分參與受彎，除負彎矩處幾乎沿縱橋向有效寬度系數全為1。對于寬橋面，腹板布置密度過大，不利于經濟性。

（2）5 m 箱室寬度，跨中橋面板有效寬度系數接近0.95，負彎矩區的有效寬度系數下降明顯。此時橋面板橫橋向跨徑較大，需要30 cm 左右板厚，沒有充分發揮橋面板混凝土縱向抗壓的能力。

（3）4 m 箱室寬度，跨中橋面板有效寬度系數仍接近1.0，橋面板橫向跨徑合理，橋面板需要24 cm左右。橋面板在縱橫向受力都是相對較優的。

3 橋面板橫向受力對箱室劃分的影響

在上節研究基礎上，討論組合梁縱向受力相對最優的情況下（腹板間距4 m），橋面板橫向受力情況。

3.1 懸臂板橫向受力驗算

根據《公預規》，對于懸挑受力計算，可將輪載等效為均布荷載計算懸臂彎矩。平行于板跨徑的分布寬度b=bi+2h。當懸臂長度不大于2.5 m 時，a=（a1+2h）+2lc。

假設車輪荷載縱向分布寬度無重疊，沖擊系數為0.3，1 m 寬懸臂根部由車輛荷載引起的彎矩值為：

式中：lc為輪載外側到腹板距離；p 為車輪輪載；h 為鋪裝層厚度；lc為平行于懸臂板跨徑方向的車輪著地尺寸外緣到腹板外側邊緣距離。

鋪裝厚度10 cm，最大輪載為70 kN，車輪著地寬度及長度a1×b1=0.2 m×0.6 m，根據式（5），可得車輛荷載引起的彎矩為:

護欄線荷載為12.8 kN/m，則護欄及懸挑自重（含鋪裝）引起的懸挑根部彎矩M1、M2大致為：

不同懸挑長度懸挑根部彎矩計算見表2。

表2 不同懸挑長度懸挑根部彎矩計算表格

其中，帶肋鋼筋C1=1.0，板式受彎構件C3=1.15，。

由式（6）～式（10）可知，當選定鋼筋直徑，結合組合梁懸臂根部厚度（40 cm），可求得裂縫寬度。

由表3 可見，當lc≤1.8 m，此時僅一個車輪作用于懸臂板上，鋼筋直徑小于25 mm，懸臂板的裂縫寬度滿足規范要求，且存在較大富余量。此時懸臂長度為lc+1.1 m。

表3 不同鋼筋直徑下不同長度懸挑裂縫寬度單位：mm

3.2 中間橋面板橫向受力驗算

同理，可根據《公預規》計算4 m 腹板間距的橋面板橫向受力裂縫寬度，結果見表4～表6。

表4 橋面板活載計算表格

表5 橋面板橫向彎矩計算值表格

表6 橋面板橫向裂縫驗算表格

每延米橋面板配筋采用10 根d22 鋼筋，根據單筋矩形截面計算（頂底板配筋相同，支點處承托不考慮）。

從表2～表6 的計算結果可知，在合理構造下，橋面板橫向裂縫寬度同樣滿足要求且存在較大富裕。

在恒載和汽車荷載組合下，4 m 寬的腹板間距布置，采用d22 鋼筋時，橋面板橫向受力富裕度較大，裂縫寬度較小。3 m 以下懸臂板，采用d20 鋼筋時，富裕度較大，可在此基礎上進一步研究車撞荷載對懸挑鋼筋直徑的要求。

由此可見，橋面板橫向受力的靜力計算對箱室劃分非決定性因素。但考慮組合梁橋面板內的鋼筋疲勞問題，經驗上一般將鋼筋應力σss控制在160 MPa以下。

4 其他因素對箱室劃分的影響

（1）鋼箱梁因頂板和腹板焊接處的疲勞問題，在布設腹板時需避開輪跡線。組合梁腹板處不存在鋼結構的疲勞問題，所以布設腹板的位置可以更加靈活。

（2）在采用多主梁的布置方式時，在一定的橋面板寬度下，拋開主梁自身寬度及懸臂板長度后，常存在主梁之間間距過大的情況。此時可以通過增設小縱梁的形式來解決橋面板橫向受力問題。

本項目在保證橋梁縱向整體受力符合要求的前提下，增設小縱梁，以解決箱室劃分困難的問題（見圖6、圖7）。本項目組合梁，在邁達斯模型中，僅建立雙主梁模型，進行整橋縱向驗算。其計算結果與建立小縱梁模型的結果基本無區別。

圖6 含小縱梁整橋模型

圖7 不含小梁整橋模型

5 結語

本文以一聯43 m+65 m+43 m 的寬橋面組合梁為案例，研究在市政寬橋中，影響箱室劃分的主要因素，其中包括有效寬度系數、橋面板橫向受力以及相關其他因素。經過研究得出以下結論：

（1）組合箱梁的有效寬度系數比混凝土箱梁的有效寬度系數大，剪力滯效應較小。

（2）腹板間距4 m 時，三跨連續梁中間跨及邊跨跨中位置有效寬度系數接近1.0，支點位置有效寬度系數接近0.8，橋面板橫向跨徑合理，相對來說最為經濟。

（3）在4 m 的腹板間距下，經過橋面板橫向受力計算，鋼筋尺寸合適，裂縫寬度富裕較大。因此可推斷在不同腹板間距下，僅需稍微加大鋼筋直徑就可以控制裂縫寬度。橋面板橫向受力非影響腹板布置間距的決定性因素。

（4）組合梁的疲勞問題沒鋼結構顯著，在設計過程中可更加靈活的布設腹板位置。

（5）在保證結構主梁受力的情況下，可增設小縱梁來協調主梁自身寬度、主梁間距、懸臂板長度等諸多因素，以使腹板間距盡量趨近于4 m。