钢板组合梁桥应用于跨线桥时参数敏感性分析

钢板组合梁桥应用于跨线桥时参数敏感性分析

杨勇

杨勇

安徽省交通控股集团有限公司安徽合肥230001

摘要：钢板组合梁桥因其造型美观、受力性能优越且施工工期短，被广泛的应用于桥梁工程。其与跨线桥梁桥设计要求相一致，故合宁高速公路改扩建工程中，选用带复合桥面板的钢板组合梁梁桥作为跨线桥的主要结构形式，其较常规的组合梁梁桥，节省了桥面板模板铺设及拆除工序，进一步减小了桥梁施工周期和施工阶段对现状交通的影响。但是由于桥下净空限制，钢板组合梁桥应用于跨线桥时，关键参数选取与常规组合梁桥不同，本项目开展了组合梁桥关键设计参数对结构总体受力性能的影响性分析，对关键参数取值参考依据进行了分析，为其在跨线桥中应用与推广提供了参考。

0引言

随着我国路网和高速公路的发展与完善，现代化进程不断推进，路网交叉情况越来越普遍，跨线桥的应用及需求量越来越大，但是传统的梁桥、拱桥等结构因建造周期长、对现状交通影响大等问题制约了跨线桥梁的发展。

钢板组合梁桥是由钢主梁和混凝土桥面板通过剪力键连接成整体并共同受力的桥梁结构形式，采用工厂预制、现场拼装的施工工艺，相对于全钢结构桥梁，组合梁桥可有效降低结构高度、提高结构刚度、减小结构在活载下的挠度[1~2]。此外，组合梁结构施工工期短，对周边交通及环境影响小，其与跨线桥梁设计与施工需求相符合，但是目前钢板组合梁桥在跨线桥中的应用尚存在诸多问题。

本研究依托于合宁高速公路改扩建工程，开展了钢板组合梁桥梁高、主梁数、钢主梁板厚等关键参数对结构总体受力性能影响的敏感性研究，对结构关键参数取值提供了依据，为钢板组合梁应用于跨线桥时关键设计参数的取值提供了参考。

1工程概况

合宁高速公路（大蜀山至周庄）改扩建工程项目起点位于安徽省周庄与江苏省浦口相接处合宁高速公路的滁河大桥(省界处)，起点桩号：K505+209.705，中间经过滁州市全椒县、巢湖市、合肥市肥东县，在肥东县境内店埠镇顺接沪陕高速公路大蜀山至陇西立交段，终点桩号：K594+532.741，全长89.323km。

改扩建工程中新增及改建天桥共34座，其中涉及到支线上跨钢板组合桥梁共32座。针对改扩建过程中支线上跨桥梁的特点，又对支线上跨钢板组合梁结构进行了探索和尝试。选用了一种全新的钢板组合梁结构形式，这一桥型的基本体系为：多主梁钢板梁+新型现浇复合桥面板，这种桥型结构新颖、建造方便，有利于实施工业化建造，详见图1。

a）双主梁标准横断面

b）三主梁标准横断面

图1标准横断面图

2梁高对结构受力的影响

通过对不同主梁高度下结构受力状态进行分析，明确梁高对结构整体受力特性的影响，进而确定不同跨径下结构合理梁高选取范围。

以2×30m钢板组合梁桥为原型，研究了主梁跨中截面应力随着梁高的变化情况，见图2。由图可知，随着梁高增大，结构跨中截面应力逐渐减小，且应力变幅随着梁高增加逐渐减小，当梁高增大至1500mm时，跨中截面应力基本在200MPa以内，较主梁高度900mm时，跨中截面最大应力减小约40%。

图2跨中截面应力分布示意图

虽然梁高增加可有效减小跨中截面应力，但是主梁高度增大会引起结构钢材用量增加，一方面结构自重增大，进而引起跨中截面主梁应力增大，另一方面，梁高增大会减小桥下净空，进而导致桥下车辆碰撞事故发生的概率增加。

3合理主梁数量

通过对国内跨线桥梁应用情况统计，其主要应用于跨省道、高速公路及互通立交，根据道路设计要求，根据不同道路横断面布置形式，最终根据下部道路宽度，确定跨线桥标准跨径布置形式如表1。

本节研究了相同的桥面宽度12m时，结构跨中截面应力随主梁数量变化的规律，见图3。由图可知，随着主梁数量增加，结构跨中截面应力显著减小，且应力变幅随着主梁数量增大逐渐增大，表明增加主梁数量可有效改善结构受力状态，梁高1100mm时，组合梁桥采用四主梁构造时，跨中截面最大应力约170MPa，较双主梁构造减小约35.7%。

图3跨中截面应力随主梁数量变化规律

以2×30m钢板组合梁为例，主梁数量不变，主梁高度由1100m增加至1500m时，跨中截面应力较小约30%，用钢量增加约14%；主梁高度不变，主梁由双主梁变化值四主梁的时，跨中截面应力减小约26%，用钢量增加约76%，见表2。因此，钢板组合梁应用于跨线桥梁时，应在满足净空要求的情况下，优先采用增大梁高的方法调整结构受力状态，当仍不满足使用阶段要求时，应通过增加主梁数量，改善结构受力状态。

此外，腹板厚度会对截面抗弯惯性矩产生影响，以钢主梁高度为1100mm的组合梁为例，随着腹板厚度增加，截面抗弯惯性矩逐渐增大，裸钢梁时，中性轴高度逐渐增大，与桥面板组合后，中性轴高度逐渐减小，腹板厚度由15mm增加至35mm时，钢主梁惯性矩增大约11%，与桥面板组合后，组合截面惯性矩增大约15%。

随腹板厚度增加，跨中截面应力变化情况见图4。由图可知，随着腹板厚度增大，跨中截面上、下缘应力均减小，应力减小百分比与腹板厚度变幅基本呈线性变化趋势，腹板厚度由15mm增加至35mm时，主梁上缘应力减小7%，下缘应力减小14%，故增大腹板厚度对下缘应力改善更加明显，但是应力减小幅较小，可通过调整腹板对钢主梁应力进行微调，此外腹板厚度不宜过小，以满足抗剪强度设计及屈曲稳定性要求。

图4跨中截面应力随腹板厚度增加应力变幅

5翼缘板设计

顶板及底板是钢主梁的主要组成部分，其对钢主梁受力影响较大，常见钢板组合梁桥钢主梁顶板宽800mm，底板宽900~1000mm，其厚度选取需考虑应力和屈曲稳定两方面。运营阶段由于钢梁顶板与桥面板紧密结合，使用阶段荷载作用下不会发生屈曲现象，故顶板通常较薄，但是施工阶段非组合梁状态下，跨中位置顶板会承受较大的压应力，故其施工阶段的屈曲稳定性需重点关注。对国内外规范中关于翼缘板设计参数的建议尺寸汇总见表4，由表可知，采用Q345D钢材的条件下，对于受压翼缘板，各设计规范对于钢板组合梁受压翼缘板的宽厚比限值较为接近，均在12左右。

随着主梁顶底板厚度增加，结构抗弯惯性矩逐渐增大，以梁高为1100mm的组合梁为例，形成组合梁前，顶板及底板厚度增加对主梁抗弯惯性矩影响较小，厚度由20mm增加至40mm时，截面惯性矩增加约30%，形成组合截面后，顶板厚度增加对抗弯惯性矩影响较小，顶板厚度由20mm增加至40mm时，组合截面惯性矩仅增加0.3%，底板厚度增加对截面惯性矩的影响较大，底板厚度增加由20mm增加至40mm时，组合截面惯性矩增加约50%，其主要是由于形成组合截面后，截面形心靠近主梁顶板，故顶板厚度对组合截面惯性矩影响较小，见表5。

6结论

本研究开展了钢板组合梁桥主要设计参数对结构受力影响的敏感性分析，并对钢板组合梁桥应用于支线上跨桥时总体设计提供了思路。主要结论如下：

（1）增加梁高可有效改善结构受力状态，但是随着主梁高度增加，结构应力变幅逐渐减小，且主梁高度增加会大幅增大车辆碰撞事故发生概率，当桥下净空较小时，宜尽量控制主梁高度；

（2）增加主梁可有效改善结构受力状态，但是用钢量会大幅增加，主梁应力减小相同量值时，增加主梁较增加梁高方案，钢材用量增加约50%，但是增加主梁数量可有效保证桥下净空；

（3）腹板厚度选取应考虑抗剪强度设计和屈曲稳定要求，随着腹板厚度增加，钢主梁顶板及底板应力均逐渐减小，且底板应力减小百分比约为顶板应力减小百分比的两倍；

（4）钢主梁顶板及底板尺寸应考虑应力和屈曲稳定综合确定，为保证屈曲稳定性，受压翼缘板的宽厚比限值约为12左右，同时，顶板厚度增加主要影响顶板受力状态，且底板厚度增加对组合截面抗弯惯性矩影响更显著。

参考文献：

References：

[1]聂建国,陶幕轩,吴丽丽,等.钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展[J].木工程学报,2012,45(6)：110-122.

[2]胡学奎.钢-混凝土组合结构桥梁在小西湖改造工程中的应用[J].公路,2013,11:120-123.

[3]于东,宗周红.帽形截面钢-混凝土组合梁受弯强度[J].工业建筑,2002,32(9):11-13.