预制装配式钢

GXF360 2017-05-25

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预制装配式钢-混凝土小箱叠合梁设计与分析

王璇，陈万里
（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广州510507）

【摘要】结合实际工程，介绍预制装配式钢-混凝土小箱叠合梁的设计与技术特点，并进行分析说明，为预制装配式钢-混凝土叠合梁桥梁设计提供参考。

【关键词】预制装配式桥梁;钢-混凝土叠合梁;设计

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2017.03.031

1 概述

随着城镇化建设的不断加快,以及城镇化建设进程中对环境保护要求的不断提高，城市高架桥梁建设中传统的现场湿法施工,已经不能适应新形势下对既有交通、环保、节能等各项要求。预制装配式桥梁具有质量可靠、节能、环保、高效等特点，是适应发展需求的一种新型桥梁结构形式；钢-混凝土叠合梁桥通过充分发挥钢和混凝土各自的材料特性，结构轻、桥面耐久性好，已在工程领域广泛采用。对于工期紧张、不能中断交通且要求以较大跨径一孔跨越时，预制装配式叠合梁桥具有突出的优势。

2 桥梁上部结构设计

2.1 方案概述

顺德区红旗路快速化改造工程采用地面主辅路形式实现主线快速化，主线为一级公路标准，双向6车道，设高架特大桥一座，桥梁全长4.152km；路线经过佛山市顺德区经济较发达的容桂街道，跨越多条被交道路，沿线城镇化程度较高，项目区道路交通繁忙。

为避免施工对交通及环境造成较大的影响，主线高架桥梁全部采用预制吊装结构，对于跨越被交道路较大跨径桥梁，采用钢-混凝土叠合梁；本文选取跨容桂大道55m简支钢-混凝土叠合梁进行相关论述与分析。

2.2 断面形式选择

叠合梁常见断面形式有I型、π型、箱型、倒梯形、三角形等；钢梁部分常见形式有钢板梁、钢箱梁、槽型梁、钢桁梁等。

顺德区红旗路快速化改造工程跨容桂大道桥梁，由于叠合梁跨径较大，桥梁断面较宽，钢主梁采用多主梁形式，方便运输及施工吊装，经综合比选，采用小箱槽形梁（见图1），结构外形与高架桥其他上部预制预应力小箱梁基本一致，景观上较为协调。

图1 钢-混凝土小箱叠合梁断面形式

2.3 结构设计要点及主要技术特点

叠合梁的钢结构部分采用Q345qD全焊接钢梁，梁高2.305m。钢梁由主梁、横隔梁及加劲肋组成，横隔梁间距约5.8m；钢梁上翼缘板顶面设置剪力键与混凝土桥面板连为整体，剪力键采用22mm×180mm焊钉；在距支点L/4范围，内纵向按间距15cm排列，跨中区纵向按间距30cm排列；桥面板为厚22cm的C40钢筋混凝土板，采用工厂分块预制、现场浇筑湿接头形成整体桥面板。

叠合梁为一阶段受力结构，施工阶段在L/3处设置临时支撑，具备以下特点。

1）采用多主梁结构形式，预制梁自重轻，运输安装方便，对交通、环境影响较小。

2）主梁采用槽型小箱梁，结构整体刚度大，受力性能良好；梁高相对工字型梁较低，有效降低建筑高度，结构轻盈，景观效果较好，同时利于总体设计控制。

3）桥面板采用工厂分块预制，提高了质量保证，进一步减少了现场施工作业量，从而减小施工对周边环境影响。

桥面采用普通混凝土板，厚度较薄(22cm),脆性大,在行车过程中的弯拉荷载、冲击疲劳荷载以及温度和湿度变形等因素的作用下,易开裂、破坏；本次桥面板设计采用聚丙烯纤维混凝土，聚丙烯纤维通过大量分散于混凝土基体中的微细纤维,使混凝土收缩时产生的拉应力被分散,抑制裂缝的扩展[1]，增强混凝土的抗疲劳、抗冲击、耐磨损和抗裂、阻裂能力；同时参入钢纤维，提高结构强度。

4）根据结构的受力特点，确定了利于工厂预制及便于运输的合理结构形式，进一步提高了上部结构的装配化率，项目建设充分体现了节能、环保、高效等特点。

3 上部结构计算分析

3.1 计算方法与基本假定

根据文献[2]、文献[3]，叠合梁在开裂前，截面沿高度的应变变化规律基本符合平截面假定。钢—混凝土叠合梁的计算沿用弹性理论，采用换算截面法，引入2种材料弹性模量比的概念。对于混凝土收缩和徐变产生的附加内力，近似地采用换算弹性模量进行计算。本文内力计算采用平面杆系程序（考虑施工阶段影响）计算截面内力，应力验算中采用换算弹性模量计算截面特性。

在混凝土板和钢梁连续牢固结合的前提下，结合弯曲时，截面符合平截面假定，材料服从虎克定律，简化力学模型如图2所示。

图2 钢-混凝土叠合梁简化力学模型

1）根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG 64—2015）[4]、文献[2]，计算截面短期荷载作用下钢与混凝土的弹模比n0、换算面积Fi、换算惯性矩Ii如下：

2）根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG64—2015），进行组合梁整体分析时，考虑混凝土收缩徐变的影响，钢材与混凝土长期荷载作用下的有效弹模比nL按下式计算：

式中，渍（t,t0）为加载龄期为t0，计算龄期为t的混凝土徐变系数，按现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62）相关规定取值；ψL为根据荷载类型确定的徐变因子，永久作用取1.1，混凝土收缩作用取0.55，由强迫变形引起的预应力作用取1.5。

3）附加应力参考《高等桥梁结构理论》计算。

3.2 主要计算结果与分析

根据计算结果，主梁承载力、刚度、钢梁稳定性均满足规范要求，桥面板承载力、裂缝满足规范要求，结构各方面受力性能良好。由于篇幅受限，本文仅列举主梁跨中截面应力计算主要结果，详见表1。

表1 55m简支钢-混凝土叠合梁主要计算结果

注：表中正值表示受压、负值表示受拉。

主力/ M P a 主力+附加力/ M P a 应力幅/ M P a边梁中梁容许值边梁中梁容许值边梁中梁容许值混凝土上缘 1 0 . 7 8 . 4 1 6 . 2 1 1 . 8 9 . 5 1 6 . 2混凝土下缘 8 . 4 6 . 5 1 6 . 2 9 . 9 7 . 9 1 6 . 2钢上缘 1 9 0 . 6 1 6 2 . 9 2 1 0 2 1 2 . 8 1 8 5 . 7 2 6 2 . 5 2 7 . 4 1 4 . 9 1 1 6 . 3钢下缘 -1 9 4 . 8 -1 6 7 . 5 2 1 0 -1 9 8 . 3 -1 7 1 2 6 2 . 5 -5 8 . 0 -3 4 . 1 1 0 5 . 1位置计算结果计算结果计算结果

采用多主梁小箱断面钢混叠合梁，相对于预制预应力混凝土结构断面，结构断面整体刚度有所削弱，但自重降低较多弥补了结构刚度降低的缺陷，结构活载作用下挠跨比为1/1078<(1>

计算结果显示，装配式钢-混凝土小箱叠合梁受力性能良好，结构安全。但是也有一些问题值得注意:

1)混凝土的收缩和徐变对组合梁的变形影响很大，尤其是收缩会引起比较大的附加变形[5]，应采用相应措施解决。本文所述工程采用预制板结合现浇方式，同时在浇筑混凝土时加入微膨胀剂减小混凝土收缩。

2)桥面板与钢主梁通过剪力钉结合形成整体，计算收缩徐变变形引起的附加变形中没有考虑滑移效应，其对长期变形的影响需进一步理论分析和试验验证。

3)桥面防水层的处理以及钢结构防腐涂装是日后养护的关键，应充分重视防水层及防腐涂装的设计。

4 结语

钢-混凝土叠合梁结构充分发挥了钢和混凝土各自的材料特性，通过剪力键将钢梁与混凝土板连接起来共同受力、协调变形的一种梁，其充分利用了钢的优越抗拉性能和混凝土的优越抗压性能，显著提高了梁的刚度和稳定性；钢-混凝土叠合梁具有结构轻盈、跨越性强、承载力大、抗震性能较好、施工快速简便、结构安全可靠等优点，已成为近年来迅速发展的一种大跨径桥梁结构型式，在跨线桥领域具有广阔的运用前景。

【参考文献】

【1】龚益,沈荣熹,李清海.杜拉纤维在土建工程中的应用[M].北京：机械工业出版社,2002.

【2】项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社,2001.

【3】吴方伯，黄海林，周绪红，等.预应力预制叠合梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2011（5）：7-9.

【4】JTG64—2015公路钢结构桥梁设计规范[S].

【5】孙海林，叶列平，陆新征.钢-混凝土组合梁收缩和徐变的影响分析和计算[J].建筑结构(增刊)，2006(36):8-11.

PrefabricatedSteel-ConcreteBoxCompositeBeamDesignandAnalysis

WANGXuan,CHEN Wan-li
（GuangdongProvinceCommunicationsPlanning&DesignInstituteCo.Ltd.,Guangzhou 510507,China）

【Abstract】Combined with practical engineering,this paper introduces design and technical characteristics of prefabricated steel

【Keywords】prefabricatedassemblybridge;steel-concretecompositebeam;design

【中图分类号】TU318;TU378.2

【文献标志码】A