波形腹板钢板组合梁桥方案设计与优化

波形腹板钢板组合梁桥方案设计与优化　谢　悦，郑凯锋，尤涛宁，栗怀广　（西南交通大学，四川成都６１００３１）　【摘要】　某桥梁改建工程是省道２３２叶云线上的重点工程，也是某公司的波形腹板全国推广试点工　程，全桥的跨径布置采取４×６０　ｍ的波形腹板支座外拼接的钢混连续梁，单幅桥设４片波形钢纵梁。在模型　计算时发现，连续梁的负弯矩区集中在中支座两边很小的范围，选择在支座外约２　ｉｎ处完成连续梁节段的拼　接．纵向不设预应力，发挥钢混结合梁和波形腹板的结构优势，全桥钢混连接处设两道纵向ＰＢＬ剪力键。在　ＭＩＤＡＳ／ＣＩＶＩＬ里进行钢梁承栽力验算，采取不同的荷载组合和极限状态进行受力分析。最后针对负弯矩区　的混凝土顶板拉应力过大的问题进行探讨，探索了不同的主梁梁高、不同主梁上翼缘厚度以及不同主梁上翼　缘负弯矩区局部加宽对负弯矩区混凝土顶板开裂问题的影响。　【关键词】　波形腹板；　支座外拼接；ＰＢＬ剪力键；静力验算；　负弯矩区混凝土项板开裂　【中图分类号】Ｕ４４３．３５　某桥梁改建工程根据桥址地形、通航、技术和经济条件　等因素，经初步分析，拟定为跨径布置为４×６０　ｍ、梁高为　３．７５　ｎｌ、梁间距为３　ｍ的波形腹板钢板梁结合梁桥。本文结　【文献标志码】Ａ　１设计方案　该桥采用波形腹板钢板组合梁连续梁桥，位于直线上，　合该桥的工程实际条件，主要从结构受力体系、施工过程和　全桥运营阶段静力验算对该桥方案进行分析，同时，探讨负　弯矩区混凝土桥面板受拉问题的改善。　跨径布置为４×６０　ｉｎ，即４跨一联。双幅全宽２４．５　ｍ，单幅桥　宽１２．２５　ｍ。单幅桥宽布置：０．５　ｎｌ（防撞护栏）＋１１．２５　ｉｎ（机　动车道）＋０．５　ｉｎ（防撞护栏）＝１２．２５　ｎｌ。桥面横坡２％，行车　道总宽２２．５　ｍ，双向四车道，该桥标准横断面如图１所示。　’４　ｎ　．　００　图１标准横断面（单位：１３１１１）　单幅桥面板两侧悬臂各长１．６２５　ｍ，主梁间距３　ｉｎ，梁顶　设２％横坡，悬臂端部桥面板厚度２０　ＣｌＴＩ，主梁内部桥面板厚　度２５　ｃｍ。钢梁梁高３．５　ｉｎ，高跨比为７／１２０。钢梁上翼缘宽　具体结构尺寸如图２所示。　该桥剪力连接件为刚性连接件ＰＢＬ，连接件高度均为　１５０　ｍｍ，开孔中心距上翼缘板８０　ｍｍ。在支座附近５　ｍ范围　内，开孔钢板孔径５５　ｍｉｌｌ，连接件顺桥向间距１００　ｍｍ，连接件　厚度１８　ｍｍ；在支座附近５　ｉｎ范围以外，开孔钢板孔径５５　ｍｍ，连接件顺桥向间距１５０　ｍｎｌ，连接件厚度１４　ｍｍ。　桥面板横向普通钢筋按Ｃ１６＠１２０布置，上下缘对称配　筋，钢筋重心距离边缘距离为４０　ｍｍ。纵向普通钢筋在支座　附近１０　ｍ范围内按Ｃ１８＠１２０布置，上下缘对称配筋，钢筋　度为０．８　Ｉｎ，下翼缘宽度为０．８　Ｉｎ。钢板梁采用等高设计，其　翼缘板厚度、波形钢腹板厚度变化形式如表１所示。　表１截面尺寸汇总　ｍｍ　粱段　腹板厚　边支点　１８　过渡段　１２　跨中段　１２　中支点　１８　顶板宽　顶板厚　底板宽　底板厚　８ｏ０　３０　８ｏｏ　３０　８００　３０　８００　４０　８００　３０　８００　５０　８００　４０　８００　５６　［定稿日期］２０１７—０８—１４　［作者简介］谢悦（１９９３一），男，工学硕士在读，研究方　向为现代桥式与桥梁。　钢梁高　３５００　３５ｏｏ　３５ｏ０　３５００　［通信作者］郑凯峰（１９６３一），男，教授，研究方向为钢　桥与现代桥式桥梁。　１６６　四川建筑第３７卷６期２０１７．１２　・工　程　结　构・　—　—　（３）汽车荷载取公路一Ｉ级。　＝＝＝　＝＝＝　（４）收缩作用根据ＪＴＧＴ　Ｄ６４一Ｏｌ一２０１５《公路钢混组合　桥梁设计与施工规范》第７．１．３条考虑，无可靠资料，收缩作　用可按照混凝土桥面板与钢梁温差ｌ５℃考虑。　（５）温度作用考虑整体升温３９℃，整体降温一ｌ５℃，竖　向日照正温差Ｔｌ＝１４℃，Ｔ：＝５．５℃，竖向１３照负温差Ｔ．＝　一７℃，Ｔ２＝一２．７５℃。　！！ＱＱ．Ｉ　（６）地基及基础不均匀沉降按１０　ｍｍ考虑。　３．２铜主梁和桥面板承栽力验算　３．２．１钢梁抗弯验算　（ａ）跨中截面　—　－—　Ｉ根据ＪＴＧ／Ｔ　Ｄ６４—０１—２０１５（公路钢混组合桥梁设计与　施工规范》第７．２．１条规定，组合梁截面抗弯承载力应采用　线弹性方法进行计算，计算时采用基本组合计算构件持久状　况承载能力极限状态主梁应力，该组合主梁内力包络如图５　一图８所示　』　Ｑ　Ｉ．—　．　ｆ．＿＿Ｌ　．ｆ　（Ｃ）过渡截面　（ｄ）边支点截面　图５　基本组合边粱弯矩包络（单位：ｋＮ・ｍ）　图２单片梁横截面构造（单位：ｍｍ）　重心距离边缘距离为６０　ｍｍ；在１０　ｍ范围以外按Ｃ１６＠１５０　布置，上下缘对称配筋，钢筋重心距离边缘距离为６０　ｍｍ。　２支座外拼接方案　本桥利用架桥机从边跨向中跨单向架设主梁，采用支座　外拼接的施工方案。在模型计算时发现，连续梁的负弯矩区　集中在中支座两边很小的范围，因此选择在每孔主梁支座外　＿——　－一一１　隧　图６基本组合边梁剪力包络（单位：ｋＮ）　２　ｎｌ处拼接，直至４跨连成一联。支座外拼接施工方法的优　点是无需像简支转连续施工方案那样支座转换。　支座外拼接施工方案如图３所示。　图７基本组合中梁弯矩包络（单位：ｋＮ・ｍ）　图３支座外拼接示意　３全桥静力计算　利用ＭＩＤＡＳ／ＣＩＶＩＬ　２０１５建立全桥有限元梁单元模型，　按整体成型对运营阶段进行整体受力分析计算，全桥有限元　梁单元模型如图４所示。　图８基本组合中梁剪力包络（单位：ｋＮ）　经计算可知，边跨的内力较中跨大，边粱的内力较中梁　大，而两者的截面形式相近，因此主要针对边跨边梁各个截　面进行验算。边跨边梁各个验算截面位置的内力设计值和　应力设计值统计如表２所示。　３．２．２波形腹板抗剪验算　波形钢腹板持久状况承载能力极限状态抗剪强度与剪　图４全桥有限元模型　切稳定验算应采用ＪＴＧ／Ｔ　Ｄ６４一叭一２０１５《公路钢混组合桥　梁设计与施工规范》规定的作用基本组合，波形钢腹板持久　状况、短暂状况正常使用极限状态剪切应力验算应采用作用　的标准组合。　３．１作用及作用效应组合　（１）结构重要性系数取１．１。　（２）一期恒载考虑包括桥面板、钢主梁，混凝土容重取　２６　ｋＮ／ｍ　，钢容重取７６．９８　ｋＮ／ｍ　，二期恒载考虑桥面铺装　＋防撞护栏，边梁取１７．４１　ｋＮ／ｍ，中梁取７．２０　ｋＮ／ｍ。　（１）波形钢腹板承载能力极限状态抗剪强度验算。　根据ＤＢ　４４／Ｔ　１３９３—２０１４（波形钢腹板预应力混凝土组　四ＪＩｌ建筑第３７卷６期２０１７．１２　ｌ６７　表２承载能力极限状态组合梁抗弯验算（拉正压负）　最大正　最大负　钢梁上　钢梁下　混凝土　截面位置　弯矩／　弯矩／　翼缘应　翼缘应　钢筋应　上翼缘　（ｋＮ力／ＭＰａ　名义应　・ｍ）　（ｋＮ・ｍ）　力／ＭＰａ　力／ＭＰａ　力／ＭＰａ　３．３．２结合面纵桥向水平剪力计算　根据］ＴＧ　１３６４—２０１５（（公路钢结构桥梁设计规范》第１１．４．３　条，钢与混凝土结合面上纵桥向水平剪力应按未开裂分析方　法进行，因为第一个中支座是全桥剪应力最大截面处，所以　验算时选取该截面处为计算截面，剪力设计值参考规范第　支点截面　２３９ｌ８　跨中截面　２６５６４　过渡截面　１７３８２　墩顶截面　，　，　，　，　一３３．７　２０９．３　—４６．９　—６．９７　一３８．８　１８６．６　—５１．１　—９．１４　１１．４．３条取值，单位长度纵桥向水平剪力应按式（１）计算：　・。一２４．５　１５２．１　—３４．１　—５．７５　—２５８．９　１Ｏ５．９　７．８Ｏ　Ｖ．ｄ＝　｝一　１　ｕｎ　Ｓ　（１）　一３９７１６　８７．１　式中：　为组合梁截面的竖向剪力设计值；Ｓ为混凝土　板对组合梁截面中和轴的面积矩；，　为组合梁的未开裂截　面惯性矩。　拼接处截面　一３３９６０　２１４．６　—２２０．３　２３８．２　７．３７　合箱梁桥设计与施工规程》第９．１．６条，波形钢腹板的承载　计算可得承载能力极限状态荷载组合下的钢与混凝土　结合面上单位长度纵桥向水平剪力为７０６　ｋＮ／ｍ，正常使用　极限状态荷载组合下的钢与混凝土结合面上单位长度纵桥　向水平剪力为５３７　ｋＮ／ｍ。　３．３．３连接件抗剪强度　能力极限状态抗剪验算如表３所示，墩顶截面和过渡截面都　能通过强度验算，且有较大安全储备。　表３　承载能力极限状态波形腹板抗剪验算　截面位置　墩顶截面　ＭＰａ　设计应力　６９．３　强度设计值　１５５　根据ＪＴＧ　Ｄ６４—２０１５（（公路钢结构桥梁设计规范》第１１．　４．５条，开孔板连接件的单孑Ｌ抗剪承载力应按式（２）计算：　＝１．４（ｄ　一ｄ　）ｆ　ｄ十１．２ｄ　ａ　（２）　过渡截面　５７．８　１５５　（２）波形钢腹板正常使用极限状态剪切应力验算。　式中：ｄ　为开孔钢板的圆孔直径为５０　ｍｍ；ｄ　为贯穿钢　筋直径为２５　ｍｍ；ｆｃ　为混凝土抗压强度设计值为２２．４　ＭＰａ；　－厂　为贯穿钢筋抗拉强度设计值为３３０　ＭＰａ。计算可得开孔　板连接件的单孑Ｌ抗剪承载力为３０６　ｋＮ。　３．３．４连接件设计要求　波形钢腹板正常使用极限状态剪切应力验算如表４所　示，墩顶截面和过渡截面的设计应力较小，安全储备大。　表４正常使用极限状态波形腹板抗剪验算　截面位置　墩顶截面　ＭＰａ　设计应力　４９．９　强度设计值　１２４　根据ＪＴＧ　Ｄ６４—２ｏ１５（（公路钢结构桥梁设计规范》第１１．　４．２条，在承载能力极限状态下，连接件应按式（３）进行抗剪　验算：　ｏ过渡截面　４１．９　１２４　（３）波形钢腹板屈曲稳定。　波形钢腹板的承载能力极限状态组合屈曲验算如表５　所示，屈曲稳定的强度设计值较抗剪强度设计值较小，但墩　Ｖｌｄ≤Ｖ　（３）　在正常使用极限状态下，连接件抗剪验算应满足式（４）　要求：　Ｖ　≤０．７５Ｖ　（４）　顶截面和过渡截面的设计应力都能通过强度验算，且依然有　较大安全储备。　表５　承载能力极限状态波形腹板稳定验算　截面位置　墩顶截面　式中：　为单个连接件的抗剪承载力，由３．３．３计算可　ＭＰａ　知该值为３０６　ｋＮ；Ｖ　为承载能力极限状态下单个连接件承　担的剪力设计值，由３．３．２计算可知该值为７０６　ｋＮ；Ｖ　为正　常使用极限状态下单个连接件承担的剪力设计值，由３．３．２　计算可知该值为５３７　ｋＮ。　开孔钢板的圆孔顺桥向间距２００　ｍｍ，在１　ｍ范围内双　设计应力　６９．３　强度设计值　１３Ｏ　过渡截面　５７．８　１３Ｏ　排ＰＢＬ键共有１０个孔。承载能力极限状态下抗剪验算：　３．３连接件承载力验算　连接件应进行承载能力极限状态抗剪强度计算和正常　使用极限状态下的抗滑移和应力验算。其中承载能力极限　。　１ｄ：　＝７７．７　ｋＮ≤Ｖ　３０６　ｋＮ（５）　满足规范要求。　正常使用极限状态下抗剪验算：　１７　状态抗剪强度计算应采用作用的基本组合，正常使用极限状　态计算应采用作用的标准组合。　３．３．１连接件构造要求　根据ＪＴＧ　１）６４—２０１５（（公路钢结构桥梁设计规范》第１１．　５．２条，本桥开孑Ｌ钢板横向间距为５０　ｅｍ，大于开孔钢板高度　１５　ｅｌＴＩ的３倍４５　ｃｍ；开孔钢板厚度为１６　ｍｍ，满足不宜小于　＝　＝５３．７　ｋＮ≤０．７５Ｖ　＝２３０　ｋＮ　（６）　满足规范要求。　３．４组合梁裂缝验算　３．４．１最大裂缝宽度取值　１２　ｍｍ的要求；贯穿钢筋直径取２５　ｍｍ，大于１２　ｍｍ的规范　要求；开孑Ｌ板连接件的相邻两孔中心间距为２００　ｍｍ，大于　１７４　ｍｍ的规范要求。　根据ＪＴＧ／Ｔ　１３６４—０１—２０１５（（公路钢混组合桥梁设计与　施工规范》第７．５．１条，组合梁负弯矩区混凝土板在正常使　用极限状态下最大裂缝宽度应按现行ＪＴＧ　１３６２—２ｏ１２（（公路钢　１６８　四川建筑第３７卷６期２０１７．１２　筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的相关规定计算。　表６不同方案钢梁和混凝土板内力与应力汇总　本组合梁桥面板属钢筋混凝土构件，环境等级为Ⅱ类环　境，其计算的最大裂缝宽度不应超过０．２０　ｍｍ。　墩顶位置桥面板正常使用短期组合下的混凝土拉应力　约为４．６　ＭＰａ，远大于Ｃ５０混凝土的抗拉强度，因此计算中考　虑墩顶附近截面开裂。　３．４．２裂缝宽度验算　最大负　钢梁上　钢梁下　混凝土　方法　截面位置　弯矩／　翼缘应　翼缘应　上翼缘　钢筋应　（ｋＮ名义应　力／ＭＰａ　・ｍ）　力／ＭＰａ　力／ＭＰａ　力／ＭＰａ　方案一　墩顶截面　一２３７５５　１２．６　—１３８．１　３．１８　方案二　墩顶截面　一２２２９２　１８．１　—１６６．２　３．８６　方案三　墩顶截面　一２１２５４　ｌ３．４　—１３９．９　３．２４　１２．０　１６．８　５．３　按普通钢筋混凝土构件抗裂设计，根据ＪＴＧ　Ｄ６２—２０１２　《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第６．４．３　条，取墩顶截面负弯矩区混凝土受拉的最不利位置，纵向受　拉钢筋的应力按频遇组合效应计算的组合梁截面算得为　２０６．３　ＭＰａ，进一步算得该截面处最大的裂缝宽度为０．１７３　ｍｍ，小于规范要求的０．２　ｍｍ，能通过验算。　３．４．３组合梁变形验算　（１）由全桥运营阶段静力验算可知，计算构件持久状况　承载能力极限状态采取基本组合验算时，主梁上下翼缘纵向　正应力和腹板竖向剪应力均未超过规范限值，整体应力水平　较低，由于局部承压，下翼缘和腹板在支座位置处应力较大，　下翼缘正应力绝对值最大值２５４　ＭＰａ，小于规范限值２７５　ＭＰａ。　（２）由连接键承载力验算可知，ＰＢＬ剪力键的抗剪、抗角　据ＪＴＧ　Ｄ６４—２０１５｛公路钢结构桥梁设计规范》第４．２．３　条，按结构力学的方法并采用不计冲击力的汽车车道荷载频　隅计算值和抗滑移计算值均较小，有着较高的安全富余度。　（３）由组合梁裂缝验算可知，负弯矩区墩顶截面的混凝　土顶板裂缝最大宽度０．１７　ｍｍ，小于规范设计的０．２　ｍｍ，组　合梁的边跨跨中竖向挠度值为２７．７　ｍｍ，均能满足规范　要求。　遇值，频遇值系数为１．０，计算挠度值不超过Ｌ／５００，Ｌ代表该　桥的计算跨径。经计算，组合粱的中跨跨中竖向挠度值为　２１．９　ｍｍ，边跨跨中竖向挠度值为２７．７　ｍｍ。竖向挠度值为　２７．７　ｍｍ＜Ｌ／５００＝１２０　ｍｍ，满足规范要求。　（４）墩顶位置桥面板正常使用短期组合下的混凝土拉应　力约为４．６０　ＭＰａ，大于Ｃ５０混凝土的抗拉强度。本文对该部　位进行局部优化，通过增加主梁高度、增加主梁墩顶截面上　翼缘厚度、局部加宽墩顶截面处横梁上翼缘的宽度三种方案　４桥面板受拉问题的改善　从验算结果可知，在进行钢主梁承载能力极限状态验算　时，墩顶位置桥面板正常使用短期组合下的混凝土拉应力约　为７．８０　ＭＰａ，远大于Ｃ５０混凝土的抗拉强度，因此该墩顶附　近截面混凝土开裂。因为本文组合梁全桥不设预应力，所以　混凝土顶板局部开裂是允许的，且在进行混凝土顶板最大裂　来进行优化，计算发现，第三种方案在降低混凝土拉应力上　效率更高，更值得推广。　参考文献　缝宽度验算时，墩顶截面能通过设计。但是过高的混凝土顶　板拉应力会带来较大的裂缝宽度，影响行车舒适，也会降低　结构使用寿命，因此，适当地降低墩顶混凝土顶板的拉应力　是合理的。　［１］　ＪＩＡＮＧ　Ｒ　Ｊ，Ａｕ　Ｆ　Ｔ　Ｋ，ＸＩＡＯ　Ｙ　Ｆ．Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｗｅｂｓｔ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１４１（２）：８１—８９　本文提出三种方案探讨该问题：　方案一：增加主梁高度从３．５　ｍ到３．８　ｉｎ。　方案二：主梁上翼缘厚度从４０　ｍｍ加厚到５０　ｍｍ。　［２］　万水，李淑琴．波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁结构在中国　桥梁工程中的应用［Ｊ］．建筑科学与工程学报，２００９，２６（２）：１５　—１９．　方案三：加宽墩顶截面处横梁上翼缘的宽度，沿中轴每　边加宽２　ｎｌ，支座处横梁上翼缘合计共４　ｉｎ。　三种方案的钢梁承载能力极限状态抗弯验算的计算结　果见表６。截面位置只提取了墩顶处截面，由表６可知，三种　［３］　王宏谋，周明光．波折钢腹板体外预应力钢混凝土连续组合箱　梁施工工艺［Ｊ］．北方交通，２０１３（增刊）．　［４］吴宏业，于传君．鸭绿江界河公路大桥主桥桥型方案比选［Ｊ］．　桥梁建设，２０１３，４３（１）：２１８．　［５］　张鸿，郑和晖．波形钢腹板组合箱梁桥节段预制拼装工艺试验　［Ｊ］．桥梁建设，２０１７，４７（１）：２４２．　［６］李景成，刘新华，彭元诚．基于多目标的乌江特大桥方案比选　［Ｊ］．桥梁建设，２０１２，４２（５）：２１５．　［７］ＪＴＧ　Ｄ６４—２０１５公路钢结构桥梁设计规范［ｓ］．　［８］ＤＢ４４／Ｔ　１３９３—２０１４波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设　计与施工规程［ｓ］．　［９］聂建国．钢一混凝土组合结构桥梁［Ｍ］．北京：人民交通出版　社，２０１１．　方案的截面最大负弯矩均小于表２中相同截面处的３９　７１６　ｋＮ・ｉｎ，且都能有效的降低墩顶截面的混凝土顶板拉应力。　综合来看，方案一会较大程度地增加钢用量，方案二和方案　三在钢用量方面增加幅度相近，但方案三较方案二在降底混　凝土拉应力上效率更高，因此在三种方案中优先推荐使用方　案三。　５结束语　本文从结构参数拟定、施工建材、全桥及局部受力验算、　负弯矩区局部优化、方法和施工创新等方面综合给出了某４　Ｘ６０　ｉｎ的波形腹板钢底板连续梁的方案设计和受力验算，　从受力验算可知：　『１０］ＪＴＧ／Ｔ　Ｄ６４—０１—２０１５公路钢混组合桥梁设计与施工规范　［ｓ］．　［１１］　ＪＴＧ　Ｄ６２—２０１２公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规　范［ｓ］．　四川建筑第３７卷６期２０１７．１２　１６９