浅谈预应力钢-混组合箱梁桥设计

王佳

（合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041）

浅谈预应力钢-混组合箱梁桥设计

王佳

（合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041）

以实际工程背景合肥市西二环集贤路立交为实例，通过方案比选，在跨径、梁高、桥墩位置受限时采用预应力钢-混组合梁比钢箱梁和预应力混凝土箱梁更合理。同时采用有限元软件，对预应力钢-混组合梁各构件应力、抗裂进行分析，以及对主梁刚度及钢构件疲劳进行分析，为今后类似工程提供参考。

预应力钢-混组合梁；方案比选；应力；刚度；疲劳验算

0　引言

本文结合合肥市西二环-集贤路节点上跨立交第二联三跨38+48+41.5（m）预应力钢-混组合箱梁实例，对该型桥梁在实际设计过程中出现的问题进行归纳，以供类似工程参考与借鉴。

1　工程概况

合肥市西二环-集贤路节点互通立交含一个南北向由集贤路跨越西二环路的主线桥，以及一个由东向南从西二环路进入集贤路的匝道桥。其中，主线桥位于第二层，匝道桥位于第三层。主线桥共三联，其中，第二联跨越二环路，为单向3车道，桥面净宽11 m，两侧各设0.5 m防撞护栏。由于立交线形的限制，主线桥与二环路夹角为26°52′，该处二环路西侧机动车道宽14 m，东侧机动车道宽15.5 m，中间绿化带宽度为3 m。由此，布置墩位确定主跨跨径为 48 m，第二联采用 38 m+48 m+41.5 m预应力钢-混组合梁桥。主线桥平面为S形曲线，第二联两端位于半径350 m的圆曲线内，中间为缓和曲线段。

2　桥型选择

2.1桥型初选

针对城市跨线立交桥一般采用梁式桥的特点，第二联初选三种桥梁形式，即预应力混凝土连续梁，连续钢箱梁及预应力钢-混组合梁。

2.2方案比选

由于桥下绿化带较窄，主桥与二环路夹角小，导致中墩只能采用独柱墩。选用钢箱梁会由于梁体自身重量轻而容易产生倾覆的危险；选用预应力混凝土连续梁则会导致根部梁高较大，这样会增加主线桥和匝道桥的桥长，不太经济，且施工期间影响交通。由此，可以考虑一种桥型在兼顾主梁高度尽量小的情况下还能保持梁体有足够的自重防止倾覆的危险，因此选用预应力钢-混组合梁较为合适。

3　设计思路

对于连续钢-混组合梁桥，为了克服墩顶负弯矩对桥面板的影响，一般可以采用以下几种方法进行设计：（1）在负弯矩区配预应力钢束；（2）给墩顶处钢箱梁一个负沉降量，具体方法是拼装完钢箱梁后利用千斤顶将墩顶处主梁顶升，然后绑扎钢筋，浇筑桥面板，最后将主梁归位，实际上给主梁负弯矩处一个预压力。由于该桥中墩采用固定墩，故该桥采用第一种方法。

4　桥梁构造

该联主梁梁高2.3 m，采用单箱双室斜腹板截面，扣除两外侧外包防撞护栏宽度10 cm后的箱顶宽11.8 m，钢箱底宽6.194 m，钢箱与混凝土桥面板采用剪力钉固定，顶板在剪力钉处厚40 cm，在箱室跨中板厚28 cm（见图1）。桥面板部分纵向按A类预应力构件设计，预应力束布置在桥面板上，采用14-φs15.2及15-φs15.2低松弛高强度预应力钢绞线；采用群锚体系，由塑料波纹管制孔，所有钢束均采用两端张拉。

图1　钢-混组合梁断面图（单位：cm）

钢箱一般断面底板厚24 mm，腹板厚16 mm，支点附近加厚至底板30 mm，腹板20 mm；横隔板一般断面厚16 mm，支点附近加厚至18 mm及20 mm，横隔板间距4 m，支点处附近加密。固定墩处钢箱内填充C50无收缩混凝土。

5　计算模型

5.1计算模式

该联采用MIDAS2012软件进行计算。采用空间杆系单元，共149个节点，142个单元，其模型见图2所示。

图2　钢-混组合梁有限元模型

主梁采用组合截面，其中一个中间墩为固定墩，采用钢管混凝土柱，模型中也采用组合截面，施工中考虑施工联合截面效应。

5.2施工阶段划分

施工阶段划分内容见表1。

表1　施工阶段划分表

6　结果分析

6.1钢箱截面施工阶段应力验算

钢箱截面在各施工阶段应力状况如图3～图9所示。

图3　第一施工阶段应力云图

图5　第三施工阶段应力云图

图6　第四施工阶段应力云图

图7　第五施工阶段应力云图

图8　第六施工阶段应力云图

图9　第七施工阶段应力云图

根据以上计算结果，施工阶段钢箱截面上下缘最大压应力为169.5 MPa，最大拉应力为80.1 MPa，Q345q-C钢材允许弯曲应力为〔σw〕=210 MPa。

施工阶段钢箱截面上下缘应力极值均未超过容许值，满足规范要求。

6.2桥面板截面施工阶段应力验算

桥面板截面在各施工阶段应力状况如图10～图15所示。

图10　第二施工阶段应力云图

图11　第三施工阶段应力云图

图12　第四施工阶段应力云图

图13　第五施工阶段应力云图

图14　第六施工阶段应力云图

图15　第七施工阶段应力云图

根据以上计算结果，施工阶段桥面板截面上下缘最大压应力为12.6 MPa，最大拉应力为1.36 MPa，该点为预应力最长束T5锚固点，结果可忽略，其它点均为压应力。施工阶段C50混凝土容许压应力为，容许拉应力为：。

施工阶段桥面板截面上下缘应力极值均未超过容许值，满足规范要求。

6.3钢箱截面正常使用阶段组合应力验算

正常使用极限状态下，钢箱截面在标准值组合作用下应力达到最大，应力状况如图16、图17所示。

组合1（支座沉降+移动荷载+整体降温+梯度降温+恒荷载+钢束一次+钢束二次+徐变二次+收缩二次）系数均为1。

图16　标准值组合主截面正应力云图1

组合2（支座沉降+移动荷载+整体升温+梯度升温+恒荷载+钢束一次+钢束二次+徐变二次+收缩二次）系数均为1。

图17　标准值组合主截面正应力云图2

组合截面的受剪承载力验算，全截面竖向剪力如图18所示。

图18　标准值组合钢箱梁截面竖向剪力云图

由图18可知最大竖向剪力为9 155.2 kN。可以保守认为全部剪力由钢箱腹板承受，腹板的剪应力大小为：V/（hw×tw）=9155.2/（3×0.018×1.645）= 103 064.3（kN/m2）=103.1（MPa）＜120 MPa。

根据以上计算结果，正常使用阶段主截面上下缘最大压应力为177.3 MPa，最大拉应力为51.4 MPa；最大剪应力为103.1 MPa；Q345q-C钢材允许弯曲应力为〔σw〕=210 MPa，允许剪应力〔τ〕=120 MPa。

正常使用阶段主截面上下缘应力极值均未超过容许值，满足规范要求。

6.4桥面板截面正常使用阶段应力验算

正常使用极限状态下，桥面板应力状况如图19、图20所示。

根据以上计算结果，桥面板截面在正常使用阶段长期效应组合下，上下缘只在最长的T5束张拉端一个节点出现拉应力，其余均为压应力；短期效应组合下，上下缘只在最长的T5束张拉端一个节点出现拉应力，其余均为压应力；标准值组合下，最大压应力为8.78 MPa。

图19　短期效应应力云图

图20　长期效应应力云图

根据规范要求，A类预应力混凝土构件作用长期效应组合下不允许出现拉应力。作用短期效应组合下，C50混凝土容许拉应力为：［σtp］=0.7× 2.65=1.855（MPa），容许主拉应力为：［σtp］=0.5× 2.65=1.325（MPa）；C50混凝土容许法向压应力为［σkc+σpt］=0.5×32.4=16.2（MPa），容许主压应力为［σcp］=0.6×32.4=19.44（MPa）。

正常使用阶段桥面板上下缘应力极值均未超过容许值，满足规范要求。

6.5钢束应力验算

正常使用极限状态荷载作用下，箱梁预应力钢束最大拉应力为1 181（MPa），容许最大拉应力为0.65×1860=1 209（MPa），满足规范要求。

6.6主梁刚度验算

汽车（不计冲击）作用下截面的最大挠度允许值为：

边跨 ：L/800=41500/800=51.9（mm）（其中L为计算跨径）。

中跨：L/800=48000/800=60.0（mm）（其中L为计算跨径）。

根据计算结果表明，活载作用下中跨跨中节点竖向最大向下位移为11.8 mm＜60 mm，边跨跨中节点竖向最大向下位移为9.9 mm＜51.9 mm，满足要求。

6.7钢构件疲劳验算

该桥主要对不同厚度的底板相接处及桥墩墩顶处、跨中等应力较大的地方进行疲劳验算。

底板变厚度相接处的横向对接焊缝主体验算，可知容许应力幅为114.6（N/mm2）。

表2和表3为各跨底板不同厚度相接处的应力最大值与最小值，其中25节点为第一跨，55节点及73节点为第二跨，105节点为第三跨。可以看出各点的应力幅值均小于允许应力幅值，满足要求。

从模型里可以查出中墩墩顶处的最大、最小应力值，其中40节点为P4墩墩顶节点，88节点为P5墩墩顶节点，可以看出各点的应力幅值均小于允许应力幅值，满足要求。

7　结果分析

经过计算分析，主梁在施工阶段及使用阶段桥梁各部分应力验算、抗裂验算、主梁刚度验算，以及钢构件疲劳验算均满足规范要求。

该桥的设计重点在于桥面板的预应力设置，以及固定墩的设计，在设计过程中需要注意合理设置临时支撑点，注意预应力张拉顺序，同时由于钢与混凝土两种材料不同的特性，桥面板采用钢纤维混凝土能提高混凝土的抗裂性能。

表2　各跨底板不同厚度相接处的应力最大值与最小值一览表（1）　N/mm2

表3　各跨底板不同厚度相接处的应力最大值与最小值一览表（2）　N/mm2

8　结　语

钢-混组合梁是一种增加跨越能力、降低主梁高度的新型桥型。该桥型有效地利用了混凝土受压性能强及钢材受拉性能强的特点，同时该桥施工速度快，对桥下交通影响小。在梁高有限制、城市跨线桥受施工条件的限制或为了加快施工速度等情况下，是较适用的桥型。

U442.5

B

1009-7716（2016）01-0051-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.016

2015-09-09

王佳（1985-），男，湖北黄梅人，硕士，工程师，从事桥梁工程设计工作。