大比例边跨连续梁桥钢-混凝土组合结构解决方案

徐永成，丁 毅（山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031）

引言

对于悬臂浇注的大跨度预应力混凝土连续梁桥，合理的跨径布置取值可以平衡各截面的内力，以满足设计的要求。目前国内外很多文献做了相关研究并给出合理取值范围，变截面连续梁边中跨比通常在0.5～0.8间取用，大跨度预应力混凝土连续梁可取0.6～0.65，按这个比值分孔，既有利于充分发挥悬臂施工的特点，也对抑制边跨梁端开裂有利，各跨受力比较均匀。但对于少数大跨径变截面连续梁桥受地形等条件制约，边中跨比无法在合理区间取值，有的甚至接近1.0，对边跨弯矩及剪力影响较大，受力不尽合理，施工也相当困难，给工程人员带来了很大困扰。对于大比例边跨连续梁桥计算难的问题，从设计上有两种解决思路：（1）边跨采用预应力混凝土结构形式，通过增加梁高，配置体内、体外预应力束联合分担荷载受力方案；（2）边跨采用钢-混凝土组合梁结构形式，可减轻边跨的自重，从而有效降低边跨跨中正弯矩和支座负弯矩。

1 工程背景

武西高速公路桃花峪黄河大桥位于郑州市西北，郑州与焦作跨黄河交界处，北接线连接河南省干线公路郑新高速公路，南接线连接国道主干线连霍高速公路，大桥全长7 702.89 m，该项目于2013年建成通车。其中副桥采用50 m +10×80 m连续-刚构组合梁桥，副桥一侧边中跨比达到1.0，给设计带来了很大挑战。

原实施方案按照思路（1）进行设计，80 m大比例边跨直线段采用普通预应力混凝土结构形式，为了抵抗较大剪力和弯矩，边跨梁高取4.0 m，采用三向预应力体系。其中80 m大比例边跨为了满足结构受力要求，在布置14束15-27体内纵向底板束之外又布置了10束15-22纵向体外束，见图1。

1.1 方案二：钢-混凝土组合梁方案设计

钢-混凝土组合梁桥是中小跨径公路桥梁中应用最广泛的组合桥梁结构形式，具有自重轻、承载能力高、构造简单、施工便捷等优点，因此设计方案中将边跨等截面的40 m直线段范围内的预应力混凝土箱梁替换为钢-混凝土组合梁结构形式，典型断面见图2。在恒载及活载作用下，组合梁截面主要承受正弯矩，钢梁受拉，混凝土桥面板受压，可充分发挥钢和混凝土两种材料的力学性能。

图2 钢-混组合方案典型断面（cm）

由于活载偏心加载作用以及轮压直接作用在箱梁的顶板上，使得箱梁断面发生横向弯曲及畸变变形，为减少钢箱梁发生这种变形，增加整体刚度，防止过大局部应力，需要在箱梁的支点处和跨中设置横隔板。钢箱梁内部横隔板包括中间横隔板和支点横隔板，除限制钢箱梁的畸变和横向弯曲外，支点横隔板还起到分散支点反力的作用，钢箱梁每4 m布置一道横隔板，横隔板断面见图3。

图3 钢-混组合方案横隔板断面（cm）

1.2 方案计算

1.2.1 计算模型及工况

采用Midas Civil建立梁桥计算模型，见图4。按照实际施工过程考虑计算工况，见表1。

图4 空间计算模型

表1 计算工况

1.2.2 主要计算结果（1）抗弯计算

两个方案的组合作用下边跨弯矩及活载作用下最大变形见表2。可以看出，方案二的边跨内力低于方案一，活载变形比方案一稍大，可以得出钢-混凝土组合梁刚度比预应力混凝土梁刚度小，但仍在规范允许的挠跨比范围内。两个方案各工况应力及最大变形见表3。结果显示，钢梁上翼缘最大压应力-52.81 MPa，钢梁底板最大拉应力169.42 MPa，混凝土桥面板上表面最大压应力-18.03 MPa，均满足材料的允许应力要求。为减小主梁在正常使用阶段出现过大挠曲变形，钢箱梁在工厂制作时应预先设置预拱度，钢箱梁预拱度可按恒载+1/2静活载作用下的主梁挠度设置。

表2 弯矩和活载挠度对比

表3 应力和最大挠度对比

图1 方案一：大比例边跨纵向钢束布置（cm）

（2）抗剪计算

根据Midas计算结果，组合梁最大支座反力为9 840 kN。支点剪力全部由钢梁腹板承担：

满足《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）规范要求。

（3）剪力连接件计算

按照完全剪力连接的极限平衡法验算所需栓钉数量，极限平衡状态下混凝土板提供的总拉力：

单个栓钉（直径22 mm）的极限抗剪承载力：

取Ncv= 95 541 N

栓钉横桥向间距100 mm，每个翼缘上有6排栓钉，沿纵向间距150 mm，故栓钉总数：

剪力连接程度：

（4）加劲肋计算

腹板高厚比h/t=200＞170235/fy，需配竖向加劲肋和纵向加劲肋。

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）规定，竖向加劲肋间距满足下式要求，且不大于2 m。

腹板竖向加劲肋间距选取为1.0 m，竖向加劲肋采用厚度为14 mm的钢板。

加劲肋伸出肢宽=200 mm＞40+1/30×h=146 mm肢厚=14 mm＞1/15×肢宽=13.3 mm

由于同时采用了竖向加劲肋和横向加劲肋，竖向加劲肋截面惯性矩：

由于a/h=0.33＜0.85，纵向加劲肋截面惯性矩应满足：

计算结果显示钢-混凝土组合梁方案受力上是可行的。

2 工程造价对比

造价对比基于同等条件下副桥箱梁建安费的比较，未考虑上部荷载变化引起的下部工程量变化，建安费对比结果见表4。

表4 副桥方案建安费

方案一建安费为8 125万元，方案二建安费为8 411万元，采用钢-混凝土组合结构解决方案（方案二）比预应力混凝土解决方案增加造价286万元，建安费增加比例3.5%，对工程造价影响较小。

3 结语

通过方案设计和受力计算验证，采用钢-混凝土组合结构形式满足大比例边跨受力需要，可作为大比例边跨连续梁桥的合理方案。同时结合造价对比，采用钢-混凝土组合结构增加工程造价有限，若考虑上部荷载减小引起下部工程量减少，可以预见钢-混凝土组合结构解决大比例边跨设计难的问题是具有相当竞争力的可行方案。