新型钢板组合梁桥梁设计的应用分析

李忠朝

浙江佳途勘测设计有限公司

摘要：松阳县黄南水库淹没公路坳头大桥在本省首次采用了新型波形钢腹板工字钢梁组合梁结构，本文主要介绍了该桥的设计与构造的特点，通过材料使用性能，经济指标、施工成本、桥梁景观，结构耐久性对该结构进行了分析研究，供设计参考。

一、概述

坳头大桥为黄南水库淹没公路工程跨越黄南水库的新型钢板组合梁桥，桥梁上部主体采用五跨波形钢腹板变截面组合钢板梁，钢梁预制、桥面现场分段浇筑。桥跨布置为3×35+55+35m，桥梁全长207.16m。桥宽8.5m，桥面布置为0.5m（护栏）+2×3.75m（行车道）+0.5m（护栏）。

桥梁平面位于直线段上，立面处于2.4%上坡段与0.3%下坡段交汇处，采用R=14000m圆曲线进行缓和过渡。桥台采用U型台，扩大基础；主墩采用等截面圆柱式墩，桩基础。

图1桥型图

二、技术指标

1）荷载等级：

汽车荷载：公路-Ⅱ级；

2）设计速度：30Km/h；

3）设计安全等级：一级，重要性系数：1.1；

4）桥梁设计基准期：100年，结构使用年限：50年；

5）桥梁宽度

桥梁总宽：8.5m；桥面净宽：2×3.75m；

6）高程：1985国家高程系统；

7）地震烈度：地震动峰值加速度＜0.05g，抗震设防烈度＜Ⅵ度区；

8）环境类别：I类；

9）通航等级：不通航；

10）设计洪水频率：1/50。

11）桥面防水等级：I级；

12）桥面铺装：采用8cm厚AC-16C沥青混凝土，为确保主梁不受雨水侵蚀，在桥面板表面设乳化沥青防水粘结层；

13）桥头搭板：0#、5#桥台设置桥头搭板。

三、设计要点

3.1、主桥上部设计

主桥上部结构采用钢筋混凝土现浇桥面板+波形钢腹板工字钢梁的连续组合梁结构，跨径布置为3×35+55+35m，钢梁高1.8～2.9m渐变。主梁各支点处设置1道实腹式钢横梁，与主梁等高；跨中按5m间距设置小横梁连接左右主梁。钢梁在专业工厂加工预制，分段运输至工地后吊装就位，现场搭设临时支墩，采用吊装设备吊装作业。该组合钢板梁桥自重可比相同跨径混凝土连续梁减轻30%以上，减小了支座承载吨位和下部结构工程量。

1）钢梁

主桥钢梁材料均为Q345C钢。钢主梁为工字形截面，钢梁梁高1800～2900mm渐变，主要由上翼缘钢板、波形钢腹板、下翼缘钢板、节点竖向加劲肋、支座加筋等零部件焊接而成。钢腹板厚度16mm（负弯矩区）、12mm（跨中区）两种；上翼缘宽800mm，厚度30mm；下翼缘宽1000mm，厚度32mm、40mm、45mm（负弯矩区）三种。支点处钢横梁为工字型截面，主要由上、下翼缘板、腹板、腹板加劲肋等零部件焊接而成。跨中横梁采用工字型断面，截面尺寸为500×200mm。

2）桥面板

C50混凝土现浇桥面板总宽8.5m，设双向2%横坡，主梁间距5.3m，悬臂宽度1.6米。桥面板底面按折线设计，跨中最小厚度25cm，与钢主梁结合部位局部变厚至30cm，悬臂边缘厚度20cm，桥面中线处板厚27cm。

3）连接

钢主梁与桥面板间采用φ22*180剪力钉连接；钢主梁节段间的纵向对接采用全熔透焊接；纵、横梁间采用焊接。

图3桥梁横断面

3.2、主桥下部设计

0#、5#桥台采用U型台，1#～4#主墩采用等截面圆柱式墩，墩柱中部设置1道系梁，下部设地系梁。桥墩截面直径为1.6m，基桩采用直径1.8m灌注桩，每墩2根，按嵌岩桩设计。

3.3、附属构造

1）伸缩缝：主桥两端桥台处设置D160型伸缩装置，其技术性能应符合中华人民共和国交通行业标准《公路桥梁伸缩装置》（JT327）的规定。

2）支座：主桥采用常温型盆式橡胶支座，其材料和力学性能均应符合现行国家和行业标准的规定。

3）防撞护栏：采用混凝土护栏，型号为SB级，施工时注意护栏钢筋的预留。

3.4、桥面铺装及排水

1）桥面铺装

采用8cm沥青混凝土+改性乳化沥青防水粘结层；

2）防水层

为了排除沥青混凝土桥面铺装层的下渗水，桥梁设计在桥面板顶面喷涂热熔改性沥青防水粘结层。

用量：表面喷洒数量折算成沥青用量按0.8kg/m2～1.0kg/㎡进行控制；

洒布：智能沥青洒布机；沥青铺装范围内的箱梁顶面作抛丸处理。

碎石洒布：预拌碎石洒布和碾压，碎石为4.75～9.5mm洁净的玄武岩碎石，用量控制在9～10kg/㎡，覆盖率控制在桥面面积的70%左右，不宜过密。

3）桥面排水

主桥桥面采用集中排水方式，桥面水通过桥面两侧的竖向排水管汇集到纵向集水管后引至桥墩处集中排放。

图4桥型效果图

四、主桥结构分析

4.1材料参数

钢板组合梁桥采用混凝土和钢材两种材料，混凝土桥面板均采用C50标准，钢梁均采用Q345C钢，这两种材料的技术指标分别符合交通部标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）和《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015），两种材料的相关材料参数和力学参数如下所示。

混凝土材料的力学特性参数如下：C50混凝土轴心抗压标准强度32.4Mpa，抗拉标准强度2.65MPa，轴心抗压强度设计值22.4MPa，抗拉设计强度1.83MPa。钢材的力学性能则跟板厚有关，根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015），对于板厚在16mm~40mm之间的，抗拉、抗压和抗弯强度设计值为270MPa，抗剪强度为155MPa。

4.2计算荷载

主桥上部采用（3×35+55+35）m五跨连续波形钢腹板组合钢板梁。在结构分析和计算中考虑以下荷载：

1）、恒载

一期恒载：钢构件和混凝土桥面板自重按构件重量自动计入，混凝土容重取为25kN/m3，钢材容重取78.5kN/m3，这些自重均需考虑给定的材料表构件自重，并以自重系数考虑计入。二期恒载：包括桥面铺装、防撞护栏的重量。8cm沥青混凝土铺装的容重取24kN/m3，防撞护栏每侧取5kN/m。

2）、汽车荷载

汽车荷载：公路II级，单向2车道。

3）、温度作用

计算中考虑以下温度作用效应：

（1）结构整体升降温

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）4.3.12条温热地区公路桥梁结构的有效温度标准值，本桥的整体升降温度考虑+25℃，-20℃。

（2）主梁梯度温度效应

钢板组合梁桥的梯度温度效应按《钢—混凝土组合桥梁设计规范》（GB50917-2013）的相关规定进行取值，梯度升温时，T1=20℃，T2=6.7℃；梯度降温时，T1=-10℃，T2=-3.4℃。

4）、混凝土收缩徐变

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》附录F的规定考虑。

采用MIDASCivil建立全桥计算模型，其中钢-混组合截面采用软件自带的施工阶段联合截面进行建模模拟，全桥采用单梁模型进行建模，按照上述杆系单元离散原则，在进行模型建立的时候将全桥划分为201个单元，共214个节点。模型如下图所示。验算结果满足规范要求。

图2结构计算模型

五、新型钢板组合梁结构与常规结构对比

3.1材料受力和使用性能对比

组合结构桥梁是由钢材和混凝土这两种材料互相黏结、机械咬合、或通过连接件进行相互接合，这种结构可以共同承担作用力，将抗拉强度与抗剪强度高的钢材与抗压强度高的混凝土分别使用在整个构件拉伸区以及相应的压缩区，钢材在拉伸区域中能够充分发挥其强度与延伸性，但在压缩区域钢构件屈曲强度是很低，材料性能很难发挥，而混凝土是抗压性很强，也可以克服钢构件的疲劳和防腐问题，因此，组合结构桥梁充分发挥了各自材料的优越性能。

3.2造价对比分析

1、组合结构桥梁与混凝土桥梁相比自重轻，可以大幅降低恒载比例，使得下部结构减少受力，减少了下部结构的体积和钢筋数量，节约造价。

2、组合结构桥梁充分发挥了材料的性能和耐久性，快速施工缩短投资回报期，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理的工作量。

3、组合结构桥梁在设计寿命期之后钢材的回收率达30%，节约资源，减少能耗。

3.3施工对比分析

组合结构桥梁上部结构一般采用先钢梁再桥面板的施工方法，钢梁是桥面板施工的主要平台，从而完成现浇与预制板的铺装，利用钢梁自重轻及承载能力大的特点，降低了对机具设备的要求，可采用顶推法和龙门吊吊装，钢结构通过节段预制和节段拼装进行施工，施工速度块，质量有保证。

3.4景观对比分析

组合结构桥梁上部结构外观简洁飘逸，主梁少，空间通透美观，与钢筋混凝土T梁主梁比，钢筋混凝土T梁主梁布置多，横隔板施工接头不顺，景观效果较差。

六、波形钢腹板工字钢与直腹板工字钢对比

（1）波形钢腹板与直腹板性能对比

序号性能优缺点

1腹板横向抗弯能力比传统钢板梁明显提高，缓解翼缘板和腹板焊接部位的应力（摇头弯矩）；腹板横向刚度提高。腹板支点处摇头应力减少，抗疲劳性能提高。

2截面抗扭性能比直腹板梁要明显提高。可以减少横隔板（横撑）数量，减少现场工作量。

3肋间腹板自由长度减少，局部屈曲强度提高；横向波高提高整体屈曲强度和稳定性；且与平钢板加劲后相比，抗屈曲性能更为均衡。与平腹板相比，允许高厚比明显增加，无需加劲肋，腹板厚度可以减小。

4横向加劲肋减少，焊缝与过焊孔数量明显减少。腹板减薄，其焊缝高度降低。焊接量、热输入量减少；焊缝疲劳因子减少，更易保证构件平整度。焊接、变形校正工作量减少，降低制作成本。

5波形钢腹板波折皱效应，温度影响引起的截面内次应力明显降低。桥面板混凝土温度附加拉应力降低。

（2）两种腹板的钢主梁材料指标对比如下：

七、结语

1、钢混组合结构桥梁中的组合钢板梁结构简单、制造方便、桥板自重轻，运输方便，架设快、能满足较短工期的要求。

2、定型的钢腹板代替传统的混凝土腹板，从根本上提高了大桥的使用寿命，传统的钢筋混凝土结构梁受外来荷载以及混凝土收缩、徐变的影响，出现裂缝，造成了混凝土截面削弱、钢筋腐蚀乃至维修补强等一系列问题，而钢腹板不会出现上述问题，因为腹板是钢材，抗拉强度、抗剪强度较高，完全解决了腹板的开裂问题，耐久性好。

3定型的钢腹板代替传统的混凝土腹板，从波形钢腹板工字钢与直腹板工字钢性能对比，在抗弯、抗扭、整体屈曲强度和稳定性上有所提高、温度引起的次应力明显降低，具有节省材料等优点。

4、造型美观，波形钢腹板形态生动，颜色鲜艳，可使桥梁获得较强的美感，是山区、景区较好的桥型选择。

5、波形钢腹板工字钢组合钢板梁桥的设计理念为桥梁施工工厂化、模块化、装配化、标准化的目标得以实现，也推进提高了我国桥梁建设的水平。

参考文献

[1]刘玉擎.组合结构桥梁（M）.北京：人民交通出版社，2005.

[2]邵长宇.组合结构桥梁-国际发展与国内展望（Z）.2008

[3]聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁.北京：人民交通出版社.2011