1、箱型截面钢-混凝土组合连续梁桥在立交跨线匝道中的应用摘要：本文针对箱型截面钢混凝土组合连续弯梁的特点，结合天津市天嘉湖城市互通立交跨线匝道桥梁的设计，归纳总结了该类桥梁的整体设计思路。并对组合截面的抗弯刚度和抗扭刚度在计算中的模拟、整体结构在复合受力（弯、剪、扭不同组合作用）下的计算分析、连续梁中墩支点附近负弯矩作用的处理、混凝土桥面板的设计、钢与混凝土连接件的设计等关键部位的设计计算进行了重点分析，为今后该类型桥梁在城市跨线立交中的应用积累了宝贵的经验。 关键词：连续梁；弯梁；箱梁；钢混凝土组合梁；结构分析与计算；城市立交跨线匝道； 中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 1
2、 前言 钢混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构形式。它合理地利用了钢材的抗拉强度高和混凝土的抗压能力强的特点。与混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震影响，减小构件截面尺寸，增强结构的景观效果，降低基础造价，缩短施工周期。与钢结构相比，它可以减少用钢量，降低工程造价，增大结构的刚度，增加稳定性。从钢混凝土组合结构在欧洲和日本的发展情况及近年来在我国部分桥梁的应用情况来看，它兼具钢结构和混凝土结构的优点，具有较高的经济技术效益和社会效益，必将成为结构体系发展的重要方向 1 。 目前国内钢混凝土组合梁的应用集中在工字型梁、简支梁和直梁的范围中，对箱型梁、连续梁和弯梁
3、的应用和研究相对较少，而箱型截面钢混凝土组合连续弯梁由于受力和构造复杂，在实际中的应用更是寥寥无几2。 城市立交的设计中，预制板梁和小箱梁均不适合在桥面狭窄，弯曲半径小的匝道中应用，因此在设计跨越铁路或公路的匝道时，往往面临着两个选择：一是选择现浇箱梁，该种结构经济性好，但对桥下交通的影响较大；二是选择钢箱梁，该种结构对桥下交通影响小，但造价相对较高。若采用箱型截面钢混凝土组合连续弯梁则可以在经济性和不对交通影响两个条件中找到平衡点。 下面结合某具体工程实例，对箱型截面钢混凝土组合连续弯梁结构进行分析，对计算设计中的要点进行总结归纳。 2 工程实例分析 该工程是位于天津市天嘉湖互通立体交叉上的
4、一座跨线匝道桥，桥下公路是一条交通要道，立交的设计需考虑使得施工期间对桥下交通的影响尽可能的小。根据线路的要求，本桥平面位于 R70m 的圆曲线上。桥梁跨径布置为：20m+27m+20m67m。桥面横断布置为：0.5m（防撞护栏）7m（车行道）0.5m（防撞护栏）8m。下部结构采用钢筋混凝土花瓶式墩柱，最大墩高 7.4m。 该桥梁由钢筋混凝土桥面板、钢梁、连接件 3 部分组成。横断面的布置图如图 1 所示。桥面板选用了结构简单、施工工序简便的现浇混凝土桥面板；钢梁采用单箱双室的敞口槽型结构。连接件确保了钢筋混凝土桥面板和钢梁共同作用，主要承受两者之间的纵向剪力和拉拔力，设计采用了 22 的圆柱
5、头焊钉连接件，焊钉的构造要求符合电弧螺柱焊用圆柱头焊钉 （GBT 10433-2002）的规定。 图 1 桥梁横断面布置图（单位：mm） 该桥设计时沿用弹性理论为基础的容许应力设计体系。采用大型空间有限元软件 Midas 进行桥梁整体应力分析。 考虑到桥梁的宽跨比较小，分析时采用单梁建模3，每 0.5m 划分一个单元。截面的组合特性采用在施工阶段中修正截面抗弯、抗扭刚度和中性轴的方法，将钢混凝土的组合效应添加到计算模型中。施加静力荷载时，将铺装、栏杆等荷载等效成线荷载施加在梁单元上，并考虑产生的扭矩。桥面混凝土的重量采用线荷载的形式赋予结构。由于该桥梁是弯桥，且半径小于 240 米，所以需考虑
6、离心力的作用。同时，在模型中考虑温度效应、风的作用以及支座沉降的影响。对于活荷载，采用车道单元分布的形式进行加载。 3 工程中的设计要点 通过对上述实例的分析，归纳出在箱型截面钢混凝土组合连续弯梁桥在设计计算中需要注意的几个要点： 3.1 扭转分析 曲线桥梁在承受竖向弯曲时，由于曲率的影响必然产生扭矩，而扭矩作用必然导致翘屈变形，这种弯扭耦合的相互作用，使内外梁应力产生较大差别。在设计中，尤其要注意是否出现支座脱空的情况。 3.2 抗弯刚度叠加原则及抗扭刚度换算方法 对于组合梁的抗弯，考虑到在混凝土和钢梁连接牢固结合的理想状态下，组合梁弯曲时，截面符合平面变形假定，材料服从虎克定律，所以采用换
7、算截面刚度的方法，将混凝土截面换算成 1/n0 等价钢梁截面。 其中，Est、Eb 分别为钢和混凝土的弹性模量4。 根据换算后的截面，可以分别计算钢梁中心轴和混凝土桥面板中心轴到组合截面中性轴之间的距离 ds、dc： ， 其中，As、Ac 分别为钢和混凝土的截面面积；d 为钢梁中心轴与混凝土桥面板中心轴之间的距离。 可求出组合截面的抗弯惯性矩 Iv： 其中，Is、Ic 分别为钢梁和混凝土桥面板截面的抗弯惯性矩1。 对于组合箱梁的抗扭，由于其受力情况较为复杂，对于其精确求解各国内研究结构还存在较大的意见分歧。但工程中可以采用混凝土换算厚度简化计算，其计算精度能够满足工程技术要求5。 3.3 连续
8、梁负弯矩区的设计方法 简支组合结构桥梁，最能发挥钢与混凝土各自的力学性能。但是，对于连续组合结构桥梁，中间墩附近受负弯矩作用，上翼缘混凝土处于受拉状态，受拉区混凝土开裂将影响结构的耐久性与使用性能。常规处理方法有：在桥面板负弯矩区配制预应力钢筋法，支座顶升法，加载配重法以及在相邻两跨梁的各自跨度的 15%区间内设置真缝1。本桥结合实际施工情况，采用了在桥面板弯矩区配制预应力钢筋的方法，给桥面板施加预应力，使得桥面板在使用阶段不出现裂缝。 3.5 钢与混凝土连接件的设计 连接件是钢梁与混凝土桥面板之间的纽带，它确保了两者能够共同作用。目前常用的连接件有钢筋连接件、型钢连接件、圆柱头焊钉连接件、开
9、孔钢板连接件等。本工程采用了施工方便、施工工艺成熟且焊接质量易于控制的圆柱头焊钉连接件。设计时，根据公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （JTJ 025-86）的要求，计算出单位长度上钢与混凝土间的水平剪力。由于圆柱头焊钉属于弹性连接件，具有很好的剪力重分布能力，因此，可以将单位长度内的水平剪力平均分配给在此区域内的每个焊钉。单个焊钉的抗剪承载能力可以参考钢结构设计规范 （GB 50017-2003）进行计算。 4 结语 我国从 20 世纪 90 年代初期开始研究钢混凝土组合梁结构，简支工字型钢混凝土组合梁结构已经得到了广泛的应用。对抗扭性能有较高要求的连续弯桥中，钢混凝土组合梁结构的应用也正在越
10、来越广泛。钢混凝土组合结构充分利用了钢和混凝土的材料性能，同时，它的混凝土桥面板的浇筑可以在已安装完成的钢梁上进行，对桥下交通的影响远远小于现浇预应力混凝土箱梁桥，有着很强的综合经济效益。 本文通过对某匝道桥梁设计实例的分析，对箱型截面钢混凝土组合连续弯梁桥的设计、计算做了全面的介绍，对该类型桥梁在城市立交中的应用具有一定的借鉴意义。 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 胡少伟 组合梁抗扭分析与设计M. 北京：人民交通出版社，2005. 3 戴公连 李德建 桥梁结构空间分析设计方法与应用M. 北京：人民交通出版社，2001. 4 项海帆 高等桥梁结构理论M. 北京：人民交通出版社，2002. 5 舒小娟 等. 钢箱混凝土组合梁的扭转特性分析J. 工程力学，2007， （5）：125131.
