组合梁大桥设计与计算优化分析——以番海60m组合梁大桥设计为例

组合梁大桥设计与计算优化分析——以番海60m组合梁大桥设计为例

邱应联

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摘要

根据番海大桥的施工要求，综合考虑了水文条件、地质条件、河道通航等因素，选用了本文设计方案，并且确定了详细结构。结合模型进行了全面检算，计算结果表明桥梁主体的强度和刚度、钢管的稳定性和承载力均满足设计要求。施工过程中的实测结果表明设计方案安全可靠。

关键词：组合梁大桥；设计；计算优化；番海60m组合梁大桥

随着钢混组合梁桥技术的持续发展，其在各种复杂钢桥项目中的应用日益广泛。国内学者对钢桥正交异性板的疲劳开裂问题也给予了高度关注，并以钢混组合梁桥为研究重点，进行了大量的破坏机制和计算方法的研究，取得了一些显著的成果。

1 工程概况

1.1 总体概况

番海大桥位于佛山南海区三山新城南侧，项目东西走向，起于现状魁奇路与港口路交叉口，止于广州市番禺区钟三路，与南大干线相接。三山新城位于广佛都市商圈的前沿地带，东南毗邻广州南站，东临南浦、洛溪岛，北接荔湾东沙工业，西面是南海中心城区桂城，南面是顺德陈村，地理位置十分优越，是佛山（南海）连接广州南部（南站）的必经之路。该桥梁工程位于佛山市三个行政区域交界位置，根据佛山市城市总体规划、综合交通规规划，魁奇路即为“五横”中的“第三横”，东西走向，西接广明高速、东达广州南站，服务的区域主要是高明、西樵、南庄、佛山CBD、南海、广州南站、广州大学城，主要功能是承担佛山中心商务区和广州中心城区、西江组团之间的快速联系，建成后从禅城中心区域出发到广州南站，仅仅需要20分钟车程，禅城在真正意义上打通连接广州的东大门。路线全长约1.293km，共设置1处复合式互通立交。

1.2 水文地质条件

1.2.1 水文条件

项目区水系发育，项目区内及周边分布着东平水道、陈村水道、潭洲水道、顺德水道等河流，均属珠江三角洲水系，与线路相关主要为陈村水道。陈村水道北起南海县木棉，流经顺德县陈村镇境，于番禺紫坭对面的毫滘止，与东平水道、顺德水道相连接，长24 公里，是珠江水系的一部分。该水道是三角洲入广州主要水道，也是广州通西江所经水道，现河面宽仅100～200 米，水深2～9.5 米，需要扩展和加深，可改为1000吨级航道。平均每小时过船200 艘以上，年货物通过量在1000 万吨左右，是广州、佛山、中山等珠江三角洲主要港口货物疏运的骨干航道，被确定为全国航道规划珠江三角洲高等级航道网和广东省内河航运发展规划重点建设航道。

1.2.2 地质条件

据区域地质资料及工程地质调绘成果，桥址区地层结构较为复杂。钻孔揭露深度范围内，根据地层时代、地层成因、岩土特征，结合原位测试及岩土体物理力学指标等资料，覆盖层主要为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系全新统冲积层(Q4mc)淤泥、淤泥质粉质黏土、淤泥质粉砂、粉砂、粗砂及残积层（Q3el）粉质黏土、砂质黏性土，下伏基岩为白垩系上统南雄群（K2）泥岩、泥质粉砂岩、砾岩及燕山三期（γ52(3)）花岗岩。

1.2.3 气象条件

本桥梁工程位于南亚热带海洋性季风气候区，根据《全国公路自然区划图》，属于华南沿海台风区（IV7)。夏炎冬暖，降雨量丰富，日照充足，在季风环流控制下，4-8 月，受海洋气流影响，气候炎热，降雨量大，多偏南风，9 月至第二年3 月，受大陆冷高压影响，气候干燥，降水较少，多偏北风。每年5-10 月，多热带气旋，中心最大风力处达12 级，甚至12 级以上。形成台风，侵袭广州。据广州市历年统计资料，年平均气温21.9°C，极端最高气温38.7°C，最低气温0.0°C；年平均降水量1695.5mm，最大降水量2864.7mm,最小降水量1113.2mm，日最大降水量284.9mm；年平均风速9m/s,极大风速35.4m/s；年平均影响广州的热带气旋3.2 次；年平均气压1012.3kPa；年平均相对湿度77%。

2 桥梁具体设计及建模

2.1 桥梁设计

（1）钢箱梁设计：考虑到工期和造价的影响，可以将单幅桥的钢箱梁设计为4片。优化后的钢箱梁高2.6m，高比为1123。这将有助于降低造价，同时提高施工效率。

（2）主梁结构：钢主梁仍采用直腹板形式。单片钢箱梁的外缘间距为3.0m，中心间距为6.0m。主梁节段间的纵横向连接采用高强螺栓连接设计。

（3） 桥面板设计：桥面板宽24.55m，厚0.3m。预制层混凝土板厚度为2.3m，厚度为0.1m。在设计过程中，可以考虑采用轻质混凝土材料以降低桥梁的自重和提高结构性能。

2.2 施工方案及建模

桥面板用板单元模拟，钢梁用梁单元模拟，主梁之间用横梁连接。桥面板与主梁之间采用刚接的形式来模拟剪力钉的作用，如图1所示。

图1 建模图

3 优化与计算结果分析

3.1 主梁竖向挠度验算

活载作用下，主梁竖向位移包络图如下：

图2 主梁竖向最大向下挠度

主梁在活载作用下，正负挠度绝对值之和为38.7mmmm，结构刚度满足规范要求。

3.2 钢主梁验算

（1）施工阶段主梁应力验算

主梁在施工阶段下，顶板最大应力-139.5MPa，底板最大应力为154.9MPa，满足规范要求。

图3施工阶段钢主梁上缘应力包络图（MPa）

图4施工阶段钢主梁下缘应力包络图（MPa）

表1 钢主梁分析结果汇总

3.3 桥面板横向验算

（1）承载能力验算

基本组合下，桥面板最大弯矩为91.52kN.m，截面承载能力为145.99 kN.m，承载能力安全系数为145.99/(91.52*1.1)=1.45，满足规范要求。

图5基本组合下桥面板弯矩包络图（kN.m）

（2）裂缝宽度验算

频遇组合下，桥面板最大弯矩为48.6kN.m，钢筋应力106Mpa，裂缝宽度0.096mm<0.15mm，满足规范要求。

图6频遇组合下桥面板弯矩包络图（kN.m）

3.4 钢主梁疲劳验算

疲劳荷载采用《公路钢结构规范》中的疲劳荷载计算模型Ⅰ计算公式：

表2 钢主梁疲劳计算汇总

3.5 剪力钉验算

（1）纵向剪力计算

为确保剪力连接件的分布具有适当的包络性质，我们建议在每个区段内均匀布置的数量宜采用剪力包络的方法。在这种方法下，我们将每个区段的剪力作为一个独立的问题进行求解，然后在整个桥梁的水平剪力式计算中，将这些独立的剪力连接件布置成一个完整的整体。

在这个公式中，V表示组合梁在形成组合截面之后承受的竖向剪力，单位是N；S表示混凝土板对组合截面中性轴的面积矩，单位是mm³；Ium表示组合梁未开裂截面的惯性矩，单位是mm²。这个公式主要用于计算组合梁的竖向剪力。

基本组合下，主梁最大剪力V=5380kN，出现在支座处；混凝土板对组合截面中性轴面积矩S=0.75×(6×0.3)÷5.97=0.226，组合梁未开裂截面惯性矩Iun=0.362。

图7基本组合下主梁剪力包络图（kN.m）

钢梁与混凝土板之间单位长度上的纵桥向水平剪力V1=VS/Iun=5394×0.226÷0.362=3368kN

混凝土收缩徐变、温差产生的纵桥向剪力Vh=2865kN，纵桥向剪力传递长度3m。梁端部由结合面上单位梁长由混凝土收缩徐变及温差引起的最大纵向剪力Vms=2Vh/Ics=2×2865÷3=1910kN

端部总的纵向剪力为Vd=1910+3368=5278kN

（2）承载能力极限状态验算

单个焊钉抗剪承载力经计算得Vsud=87.81kN，梁端部单位长度内剪力钉个数126个，跨中单位长度内剪力钉64个，端部承载能力Vu=87.81×126=11064kN，跨中承载能力Vu=87.81×64=5619.8kN，

端部  γ0Vd=1.1×5278=5806 kN <Vu=11064kN

跨中  γ0Vd=1.1×3368=3705 kN <Vu=5619kN

承载能力极限状态满足要求。

（2）正常使用极限状态验算

剪力钉刚度Kss=13×22×(34500×32.4）=302376N/mm

滑移量smax=5806×1000÷302376÷64=0.30mm

小于限值2mm，满足规范要求。

3.6 高强螺栓计算

（1）母板受力计算

连接处底板宽3m，厚22mm，应力257Mpa，换算拉力：

F底板=257×3000×22/1000=16962kN

连接处腹板高1.5m，厚14mm，模型中读取基本组合最大剪力：

F腹板=5415.8kN

连接处横隔板高0.9m，厚12mm，模型中读取基本组合最大剪力：

F腹板=932kN

（2）高强螺栓承载能力计算

单个螺栓承载力N=0.9×2×0.45×222=182.25kN

底板共有螺栓96个，N底板=96×186.25=17496 kN>16962 kN = F底板

腹板共有螺栓80个，N腹板=80×186.25=14580 kN>5415.8kN= F腹板

横隔板共有螺栓14个，N横隔板=14×186.25=2551 kN>932kN= F腹板

4 工程项目施工核心要点及注意事项

（1）本桥梁工程的坐标系统采用佛山统一坐标系，中央子午线为113°00′。高程系统采用1985年国家高程基准。各施工标段在施工前需对对接处的工程进行严格放样对接。

（2）为了防止控制点移位或破坏，施工前必须对控制点进行复测和校核，确认满足规定精度后方可使用。对于增设或恢复遗失的控制点，应按照公路勘测要求进行布设，精度应满足规范要求。

（3）为保证公路建设的顺利实施，征地拆迁工作应提前做好协调准备工作，对沿线地上地下管线需在施工前进行核对、补充调查，以免施工过程中破坏。对横跨高速公路的高压电线，需满足规范规定的净空高度，否则应进行加高或迁移。对重要管线的改移，需取得相关部门的施工许可。对地方道路改移工程应先行施工。整个施工过程中，应作好交通组织，保证既有交通的安全、畅通。

（4）在施工过程中，如发现古墓或其他历史文物，应立即做好现场保护工作，并报请当地文物部门进行妥善处理。

（5）本桥梁工程的整体式路基平面设计线布置在中央分隔带中心，纵断面设计线布置在中央分隔带外侧边缘。

（6）施工前需对沿线的地上、地下管线进行核实，并取得相关部门许可。

（7）本路段处于多雨地区，路基（尤其是挖方边坡）、挡土墙、桥隧构造物等各项工程施工时必须做好临时排水设施的设计和施工，确保施工过程中各种地面、地下水都能够顺畅、及时排除。

（8）在较陡的自然坡面上填筑路堤时，需先挖台阶和清理坡面。填方路基必须按照路基施工技术规范要求逐层填筑压实，严禁倾填；挖方路基开挖前应做好截水沟，未及时先做的应及时补做，路堑开挖以后应及时进行路基边坡防护工程施工，以免在施工过程中边坡坍塌。挡土墙施工为保证墙后填料的压实度和墙体稳定，应随砌随填，不得先把墙体砌好再一次倾填。

（9）路面基层和底基层施工时，我们采用集中拌和的方式，并使用摊铺机进行摊铺。在施工前，我们需先检查下承层，确保其质量符合验收标准。水泥稳定碎石混合料的拌和到碾压的延迟时间应尽量保持在3～4小时以内。在基层完工后，我们应进行为期7天的养生，直到养生期结束后，我们才能开始铺筑面层或封层。为了确保路面基层的平整度和路拱符合标准，我们必须严格遵循施工工艺和质量检验标准。摊铺混合料时，应避免细粒离析现象的产生，且分布均匀。碾压过程中，需要充分且及时。基层的施工需要遵守《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）的规定。

（10）在路面面层施工前，必须先检查基层的标高和整平层是否符合要求，以便于施工。我们建议在通信工程管道敷设完成后再开始路面施工，以避免通信管道的敷设对路面质量造成污染的不良影响。

（11）改造沟渠和道路等外部工程应优先进行，以确保主体工程实施时，地方交通及排水系统的正常运行。

（12）构造物基础施工前，应对基底地质情况进行深入研究，与《工程地质资料》进行比较，以确认构造物基础承载力是否符合要求。如在施工过程中发现异常情况，应及时提出并采取相应的工程措施。

（13）在施工过程中，所采用的水泥、石料、石灰、钢绞线、钢筋等材料质量必须符合国家相关规范和标准的要求。不合格材料不得进入施工现场。

（14）由于交通工程设计滞后于主体工程，部分主体设计时可能无法准确反映交通工程等预埋件的最终设计情况。因此，与交通工程设计的紧密结合十分重要。

（15）在执行施工要点和注意事项，以及交通部颁布的施工技术规范时，我们还应严格遵循相关规定。

结论

本文以佛山市番海大桥工程项目中的60 m钢混组合箱梁结构为背景，对桥梁结构设计以及计算优化进行研究与分析。这一研究为钢混组合梁桥结构的优化设计提供了有益的参考，有助于推动钢混组合梁桥技术的进一步发展。希望在未来的研究中能取得更多的成果，为土木工程领域作出更大的贡献。

参考文献

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