钢管混凝土桁架桥结构设计

葛月珍

（山东华科规划建筑设计有限公司，山东 聊城 252000）

钢管混凝土（也称为钢管套箍混凝土） 是指在钢管内灌填混凝土而形成的组合构件，它是借鉴了螺旋箍筋钢筋混凝土柱中螺旋箍筋对核心区混凝土的约束作用，并且结合了型钢混凝土组合结构的特征演变而成的。

1 工程概况

某桥梁跨越路基宽度为33.5m 的高速公路，由于该桥跨越交通繁忙的高速公路，桥式应具有结构轻盈、桥下视野开阔的特点，同时应便于快速建造，综合考虑，将该桥设计为PBL 加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥。

2 结构设计

2.1 总体布置及支承体系

根据路堑地形与路基宽度，将该桥跨径布置为（24+40+24） m，为增加桥梁的通透感，桥梁上、下部均采用钢管混凝土结构。考虑美学设计和结构刚度等因素，该桥采用连续刚构体系，从而实现上、下部结构的无缝转换，使上、下部结构力流传递顺畅，整个桥梁体系的杆件线形即为力流传递的轨迹。

2.2 上部结构

该桥上部采用矩形钢管桁架和混凝土行车道板构成的组合桁梁，设置2 片主桁，主桁采用华伦式桁架，桁高2.5m，桁高与跨径之比为1/16。桁架体系的采用使得上部结构力流的传递形式以轴向力形态为主，传力简单而高效。

组合桁梁共22 个节间，节间长度为4m。中支点附近13m 节段、边支点附近2.5m 节段的桁架下弦杆采用300mm×300mm×12mm 的PBL 加劲型矩形钢管混凝土截面，其余节段下弦杆采用300mm×300mm×12mm 的带肋空钢管截面；腹杆采用300mm×200mm×8mm 的空钢管截面；上弦采用闭口PBL开孔钢板连接件。混凝土桥面板通过上弦PBL 开孔钢板连接件与主桁相连。桥面板按普通钢筋混凝土构件设计，采用C40 微膨胀混凝土，跨中厚度40cm、悬臂端厚度25cm。

2.3 下部结构

桥墩采用与上部结构相匹配的Y 形双肢矩形钢管混凝土树状桥墩，墩、梁刚接。单肢桥墩采用PBL 加劲型钢管混凝土截面，截面尺寸400mm×300mm×16mm。双肢桥墩间横桥向设置3 道横撑，横撑采用带肋钢管，截面尺寸为600mm×300mm×16mm。桥墩下设菱形承台，平面尺寸为7.85m（顺桥向） ×5.7m（横桥向），厚2m，基础采用4 根直径1.3m 的钻孔灌注桩基础。桥台采用薄壁轻型桥台，基础采用钻孔灌注桩基础。

3 设计关键技术

3.1 负弯矩区受力性能优化

该桥负弯矩区通过对下弦杆采用双重组合技术提高钢管的受压稳定性，即在下弦杆内设置PBL 纵肋并灌注混凝土，形成PBL 加劲型矩形钢管混凝土构件，充分发挥钢管混凝土构件抗压能力强的优势。

为验证双重组合技术对改善负弯矩区下弦钢管受压性能的有效性，对负弯矩区采用双重组合技术和未采用双重组合技术的两种情况进行有限元分析。分析结果表明：在最不利荷载组合作用下，未采用双重组合技术时下弦杆钢管的最大应力为253.3MPa，采用双重组合技术时下弦杆钢管的最大应力为187.7MPa，采用双重组合技术后负弯矩区下弦钢管的应力降低约26%，有效提高了钢管的抗屈曲性能。

3.2 节点构造优化

节点在组合桁梁桥中起着“关节”的作用，其将弦杆、腹杆连接形成空间整体受力结构。为达到结构最终破坏模式为整体失效的设计意图，节点必须具有高承载力。为提高该桥PBL 加劲型矩形钢管混凝土节点的承载力，采取主管内灌注混凝土和支管与主管同宽两项优化措施。为验证优化措施的有效性，对主管内未灌注混凝土与灌注混凝土后的节点破坏模式进行对比分析，当主管未灌注混凝土时，节点最典型的失效模式为受压主管表面塑性失效和侧壁鼓曲；主管内灌混凝土后，由于混凝土的局部承压作用，限制了主管顶板的向内凹曲，节点失效模式转变为受拉主管表面冲剪失效，此时节点破坏由受拉支管承载力决定。对不同支管与主管宽度比β 下节点的受力性能进行对比分析，当β 为0.5 时，应力集中区域局限在受拉支管与主管相接处的主管表面一隅，应力扩散效应不明显，受拉支管塑性变形不充分；当β 为1.0，即支管与主管同宽时，应力集中区域已由主管表面转移到支管全断面，整个支管受力均匀且已进入屈服阶段，表明随着支管与主管宽度比的增大，应力流通过主管、支管侧板传递的比例增加，节点传力效率提高，支管协同受力的能力得以增强。进一步分析不同支管与主管宽度比下受拉支管的荷载～位移曲线，随着支管与主管宽度比的增大，节点抗拉刚度呈增加趋势，相比β 为0.5 的不等宽节点，β 为1 的等宽节点极限承载力显著增加，增幅达64%。

3.3 连接构造优化

1） 桥面板与主桁连接构造。为保证桥面板与主桁连接可靠，主桁上弦设计采用闭口PBL 开孔预埋钢板连接件，该连接件由2 块PBL 开孔侧板和1 块PBL 开孔顶板组成，PBL开孔侧板上方设置连续锯齿状小凹槽，桥面板横向钢筋可穿过PBL 开孔侧板圆孔和锯齿状小凹槽；2） 桥墩承台连接构造。为保证从钢结构桥墩到混凝土基础的传力可靠，该桥桥墩与承台的连接构造采用纵、横向呈方格网络集中布置的PBL 开孔钢板，犹如树根的根须，深插到承台中，使钢结构桥墩与混凝土承台固结。

通透的轻型主桁结构、纤细的Y 形组合桥墩，充分发挥了各部分的结构功能，最直接地传递力流，使整个结构具有很高的传力效率。矩形钢管混凝土组合桁梁、组合桥墩的采用使整个桥梁建造用时不到6 个月，充分体现了其预制化、工业化和快速建造的特点。可对国内工业化桥梁的大规模建造提供借鉴。