钢-混组合连续梁桥设计关键技术分析

唐武 刘宇飞 刘多贵

摘要：文章以某钢-混组合连续梁桥为研究对象，通过有限元模型对其负弯矩桥面板、主梁挠度、抗疲劳等设计关键技术进行了分析，验证了组合桥梁设计的合理性和可靠性，为今后同类组合梁桥的设计分析提供借鉴。

关键词：组合连续梁；负弯矩；挠度；疲劳

中图分类号：U448.34 A 50 165 3

0 引言

随着我国交通基础设施建设向高质量发展转变，桥梁耐久性、环保性、景观性、经济性等方面越来越得到桥梁建造者的重视。混凝土结构短期养护费用较低，但自重大、能耗高、环保景观性差；钢桥自重轻、可循环利用，但疲劳、稳定、腐蚀问题突出，同时造价较高。为从混凝土桥与钢桥中找到共同结合点，研究者提出了钢-混凝土组合结构，充分利用各自的优势，弥补各自缺点，从而使结构受力达到合理状态。由于起步较晚且早期钢产量不足，我国在钢-混组合梁方面的研究及应用相对落后，组合梁桥的合理设计及分析仍有待进一步研究。

本文以某钢-混组合连续梁跨线桥为例，通过建立有限元模型，对其设计关键技术如负弯矩桥面板设计、主梁挠度、疲劳等进行了分析计算，为今后同类型桥梁的设计分析提供一定的参考。

1 工程概况

该跨线桥跨越某运营中的高速公路，为加快施工进度，减小桥梁施工对桥下高速公路现状交通的影响，跨线桥采用（53+60+53）m钢-混组合连续梁。

该桥上部结构采用分离式窄箱型组合梁，主梁宽10.5 m，全高3.0 m，箱梁中心间距5.5 m。钢主梁采用Q355C，桥面板为C50混凝土，桥面板普通钢筋采用HRB400，桥梁典型断面如图1所示。

2 结构整体计算分析

采用Midas Civil软件建立全桥有限元模型（图2～4），钢-混组合梁采用双单元模拟，上层单元为混凝土桥面板，下层单元为钢主梁。该桥施工采用钢梁一次落架、后现浇桥面板形成活载组合梁截面的方法，建模分析时主要考虑如下几个施工阶段：

阶段1：架设钢主梁。

阶段2：施加桥面板湿重——桥面板仅以均布荷载形式施加在钢主梁上，尚未形成组合梁截面。

阶段3：激活混凝土桥面板单元。

阶段4：施加二期恒载。

阶段5：模拟桥面板开裂——使用阶段，桥面板按照规范要求，中支点两侧0.15L范围内只考虑钢筋的刚度。

阶段6：收缩徐变10年。

基本组合作用下钢主梁典型断面应力结果如表1所示，均满足规范要求。

钢-混组合连续梁桥设计关键技术分析/唐 武，刘宇飞，刘多贵

3 关键技术分析

3.1 负弯矩区桥面板抗裂

组合连续梁中支点附近的负弯矩使得混凝土桥面板受拉，容易开裂，若裂缝得不到有效控制，将导致防水层破坏而引起钢筋和钢主梁的锈蚀，对桥梁的耐久性和使用年限有很大影响。

参考国内外相关研究成果，钢混组合梁负弯矩混凝土桥面板开裂问题常用解决措施有如下幾种［1］：

（1）桥面板滞后钢梁结合：先浇筑跨中区域的桥面板，使钢梁预先变形，同时消除跨中区域混凝土桥面板与钢梁结合的收缩徐变效应，再浇筑负弯矩区桥面板，降低其开裂的风险。

（2）支座位移法：通过调整中支座的位移，使得负弯矩区混凝土形成预压效果。

（3）强配筋法：在满足构造要求的前提下，采用高配筋率和较小直径的带肋钢筋，可有效减小裂缝宽度。相关文献［2］给出了简便的桥面板配筋设计方法，具有较强的可操作性。

该桥采用强配筋法以控制负弯矩区桥面板裂缝宽度和间距。计算结果表明，当桥面板纵向钢筋配筋率达到2.9%时，最大裂缝宽度为0.094 mm，如图5所示，小于规范［3］容许值0.2 mm，满足耐久性要求。

3.2 主梁挠度

参考国内外相关研究成果，组合梁的挠度计算方法主要有：换算截面法、折减刚度法、解析法和组合系数法，其中折减刚度法计算公式清晰明了，便于使用。

负弯矩区桥面板的开裂将使组合梁纵桥向刚度发生明显变化，计算前要先确定桥面板的开裂范围。Johnson R.P.［4］采用数值方法对连续组合梁桥进行计算分析，提出开裂范围采用中支点两侧各15%跨度，国内外规范也普遍采用该开裂范围进行计算。

按上述方法算得桥梁在活载作用下，中跨跨中的最大挠度为20 mm，边跨跨中的最大挠度为18 mm，如图6所示，均小于L/500=120 mm，满足规范［5］要求。

3.3 抗疲劳设计

钢结构桥梁在车辆、风等扰动荷载的循环作用下会产生疲劳损伤并逐渐累积，当达到一定程度时将出现疲劳破坏。疲劳破坏时结构没有出现明显的塑性变形，呈现脆性断裂特征，难以察觉和预防，往往造成巨大损失。

目前钢桥的疲劳寿命评估方法主要有两种：基于S-N曲线疲劳寿命评估方法和基于断裂力学的疲劳寿命评估方法。

S-N曲线方法发展较早，也是现在应用最广泛的疲劳分析方法。该方法通过对各种钢桥构造细节进行大量的常幅疲劳试验，得到名义应力幅（σ）和疲劳寿命（N）之间的数值关系。该方法目前被广泛收录于各国规范里。

基于断裂力学的疲劳寿命评估方法是近年来兴起的一个研究方向［6］。该方法主要思路是先通过无损方法检测出构件内部可能存在的微裂纹，通过《应力强度因子手册》或有限元方法算得裂纹尖端的应力强度因子，最后根据Paris公式积分得到构件的剩余疲劳寿命。目前国内还没有统一、准确的计算应力强度因子方法，一定程度上制约了该方法的使用。

不同规范对S-N曲线的形式（如斜率、截止限等）、构造细节的分级、疲劳强度值、所涵盖的构造细节种类数量等方面均有所不同，其中《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）（以下简称《规范》），共收录16类S-N曲线，涵盖87个构造细节。

钢桥规范给出了3种疲劳荷载计算模型（图7～9），其中疲劳荷载计算模型采用等效车道荷载，对应于无限寿命设计，即构件永不出现疲劳破坏。

采用疲劳荷载计算模型时按式（1）进行验算：

γFfΔσp≤ksΔσD/γMf（1）

γFfΔτp≤ΔτL/γMf（2）

式中：γFf——疲劳荷载分项系数，取1.0；

γMf——疲劳抗力分项系数，对重要构件取1.35，对次要构件取1.15；

ks——尺寸效应折减系数；

Δσp、Δτp——按疲勞荷载计算模型计算得到的正应力幅与剪应力幅。

组合梁桥焊缝较多，若对每处构造细节进行抗疲劳分析，工作量大且不经济。研究表明，疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部［7］。因此，要识别最可能出现疲劳破坏，且一旦出现破坏将直接导致结构无法继续承载的典型构造细节［8］。组合连续梁各典型构造细节抗疲劳设计计算结果如表2所示，均能满足规范抗疲劳设计要求。

4 结语

本文通过某连续组合梁桥关键技术进行分析，得到以下结论：

（1）组合连续梁负弯矩处混凝土桥面板容易开裂，设计时可采用高配筋率和较小直径的带肋钢筋，当纵筋配筋率＞2%时，能有效控制裂缝宽度，满足结构耐久性要求。

（2）计算组合梁挠度时，应采用开裂模型，不考虑中支点两侧0.15L范围内混凝土的刚度，只计入普通钢筋对刚度的影响。

（3）疲劳是组合梁设计时需要重点考虑的问题，设计时应采用合理的构造细节，以提高结构抗疲劳强度。

参考文献

［1］刘 飞.连续钢混组合梁负弯矩区处理措施［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，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

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

［5］JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范［S］.

［6］王春生，陈艾荣，陈惟珍.基于断裂力学的老龄钢桥剩余寿命与使用安全评估［J］.中国公路学报，2006（2）：42-48.

［7］陈传尧．疲劳与断裂［M］．武汉：华中科技大桥出版社，2001.

［8］李立峰，唐 武，唐金良.基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估［J］.湖南大学学报，2016，43（9）：82-87.

收稿日期：2023-09-20