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解析钢—混凝土连续组合梁的设计方法

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：周小建

[导读] 摘要：钢—混凝土连续组合梁在桥梁项目中占据着重要地位，作为新型结构，可充分发挥出钢、混凝土材料优势，提升桥梁质量。

        上海沪江建筑工程有限公司
        摘要：钢—混凝土连续组合梁在桥梁项目中占据着重要地位，作为新型结构，可充分发挥出钢、混凝土材料优势，提升桥梁质量。在此之上，本文简要分析了钢—混凝土连续组合梁结构特征，并通过负弯矩区抗裂设计、组合梁刚度设计、抗剪连接件设计、顶底板承载力设计方法，由此为桥梁局部稳定性的改善奠定基础。
        关键词：钢—混凝土连续组合梁；桥梁结构；抗裂设计
        前言：钢—混凝土组合梁是采用钢梁+混凝土底板的设计方式，促使桥梁建设中梁架形成较强的稳定性，由此维护桥梁安全。同时，运用此种连续组合梁结构，还可增强抗拉强度与抗变形能力。因其具备自重轻、跨度大等特性，在桥梁施工中拥有广泛的应用空间，借此可为桥梁项目的组合梁设计带来新的指引。
        一、钢—混凝土连续组合梁结构特征
        钢、混凝土材料作为桥梁结构中的重要材料，若能采用钢—混凝土连续组合梁结构，有利于提升桥梁稳定性。结合以往设计经验可将其结构特征归纳为以下五点：
        第一，高承载力，此类组合梁结构可采用联合受力的方式，促使每一种材料均能体现出最大化优势，而且还可提高材料的利用率。与非组合梁比较，其承载性能更突出[1]。
        第二，强刚度，桥梁结构中，能够借助连接件，将其设计为T型梁，且翼缘处以钢梁为主，致使组合梁结构的刚度可在钢梁基础上至少提升25%承载力。
        第三，稳定性良好，其结构与钢梁相比，具有较强的刚度。所以，经由组合梁结构，还可保持桥梁结构的稳定性良好，避免在桥梁项目中因失稳现象，破坏桥梁结构的实用性与安全性。
        第四，便捷性，组合梁结构在其施工环节与非组合梁结构，操作起来更加便捷，因其模板量较少，故而施工人员承受的工作量更少，可适当提高施工效率。
        第五，经济性，在桥梁建设项目中，采用组合梁结构，还能缩小梁高，与非组合梁比较，其高度可设计在90%原有设计值范围内。与此同时产生的投入成本更少，并且材料使用量也有所减少，致使整个桥梁项目的经济性突出。
        基于此，钢—混凝土组合梁结构在桥梁建设项目中，可充当桥梁结构，保证竣工后桥梁结构更稳固，继而在达成施工提效目标的同时，为桥梁施工方综合效益的提高带来助力。
        二、钢—混凝土连续组合梁设计方法
        （一）负弯矩区抗裂设计
        钢—混凝土连续组合梁，在其设计环节，为了避免混凝土材料出现裂缝问题，还应当加强抗裂设计，以此优化桥梁支座负弯矩区性能，促使组合梁结构在桥梁结构中起到重要的支撑作用。一般而言，在连续组合梁结构出现裂缝后，降低导致桥梁结构的使用年限有所缩短，继而加大安全风险。因此，实施抗裂设计具有实践价值。其中应从下述两个部分予以着手：
        第一，组合技术设计，本文以梁高5.38m，3.5m箱梁间距，1000mm翼缘宽度，正负弯矩区腹板各22mm、36mm厚度的桥梁建设项目为例。其中使用的栓钉长度为195mm，选择新型连接件对其进行抗裂设计，促使纵向预应力能在有限元软件的分析中得出具体数值，然后针对桥梁结构中混凝土面板承受的压力因素加以分析，便于实现混凝土参数的合理优化。与传统刚性连接技术相比，若能通过组合技术设计方法进行抗裂设计，在该项目中的面板最小应力、中支点反力都将有所提高。结合相关计算结果。组合技术可在0.3MPa面板最小应力基础上提升至0.9MPa。而中支点反力则可提高到15151.8MPa，致使负弯矩区具备突出的抗裂能力。在组合梁设计中可根据工况采用组合技术抗裂设计法。
        第二，分布浇筑设计，在分布浇筑设计中，即调整混凝土浇筑顺序，按照正弯矩区-负弯矩区-预留槽的浇筑流程，促使混凝土面板形成良好的完整度，避免受浇筑设计方法的影响，诱发混凝土裂缝问题。在采用分层浇筑设计方法时，其中混凝土桥面板的最大拉应力可达到1.6MPa，最大压应力为2.4MPa。与以往采用的一次浇筑设计方法相比，能够有效实现面板均匀受力[2]。
        （二）组合梁刚度设计
        在连续组合梁设计过程中，还应当针对挠度进行合理设计，以此提升桥梁结构的刚度。一般情况下，组合梁中钢梁与混凝土面板之所以会出现变形，主要源于连接件出现滑移现象。一旦滑移，将直接造成组合梁挠度降低10%左右。为了保证组合梁结构在桥梁建设中体现出实践价值，需通过刚度设计控制挠度。在挠度计算中，常用方法包含下述三种，需要结合工况中的挠度计算结果，提出刚度优化设计方案，便于提升桥梁稳定性。在选择挠度计算方法时，还应考虑组合梁滑移效应，继而确保刚度设计更加合理。
        其一，换算截面法，它是按照材料换算的形式，将钢梁与混凝土面板消耗的材料换算成同一类材料，之后按照弹性模量比指标予以计算。
        其二，解析法，它是运用微分方程的方式计算挠度。其中应运用组合系数（β）计算公式：

        EA、d、EI分别指代的是全截面轴向刚度、截面尺寸、抗弯刚度和。代入相关数据后可掌握组合系数的变化规律，即组合系数变大，证明组合作用更强。据此，在挠度设计中可通过加装托板，促使组合梁经挠度设计后，充分展现出组合结构优势。此种方法计算难度偏大。
        其三，折减刚度法，可以截面抗弯刚度为指标实施折减，以便结合组合梁挠度要求进行刚度设计，确保连续组合梁结构体现出优良性能。
        （三）抗剪连接件设计
        抗剪连接件在连续组合梁设计中发挥着关键作用，因其属于钢—混凝土材料重要连接部件，故而应当加强设计，避免连接件达到疲劳极限，影响组合梁结构的稳固度。在连续组合梁中使用实现钢梁与混凝土面板形成良好连接的部件，主要有栓钉，在连接件操作中，既要受到混凝土压力，又要遭受钢梁施压，造成栓钉自身受压强度不断上升。因此，设计人员应当就组合梁设计事项，针对连接件部分的设计内容加以优化。在设计时，应充分结合栓钉径长以及混凝土弹性模量等指标。同时，还应准确掌握连接件的受力情况。多以建模法计算出连接件抗剪承载力，并且还应搭配受力实验，保证得出的承载力结果更加准确。在实验中可结合工况相关数值推算出受力参数，但得出的承载力数值一般低于实际值，然而其安全性更高。设计人员在抗剪连接件设计中还需要参照下列公式得出栓钉连接件抗剪承载力（NCV）：

其中As与ƴ、f分别代表的是组合梁中栓钉截面积与

比、抗压强度设计值。经过计算后能够得出栓钉等连接件的承载力，之后根据连接件的性能等级判定其承载力是否符合组合梁抗剪承载力设计要求。
此外，结合本文提及项目中的双跨要求，在连接件设计中还可确定最终栓钉的使用数量。即利用

得出数值。例如假设该项目中钢—混凝土组合梁中纵向抗剪力为“min{Af1behcfc}”，根据钢梁截面积、屈服强度、翼缘有效宽度、混凝土厚度指标计算后，得出其纵向抗剪力为729kN。代入公式中每个跨区需要至少使用11个栓钉，才能实现钢梁、混凝土面板的有效连接。据此，在桥梁项目中的组合梁设计期间，应从连接件抗剪力与数量上提出优化对策，保证组合梁结果在连接件的辅助下，适当削弱变形效应带来的不良影响，便于提升连续组合梁设计规范性[3]。
        （四）顶底板承载力设计
        在钢梁+混凝土板（面板）连续组合梁设计中，还应当进行承载力设计，其中应考虑组合梁在有无混凝土底板工况中承载力情况，以此判断在桥梁项目中是否适合搭建混凝土底板。
        通常在双跨组合梁结构中，混凝土板因其能够实现翼缘应力的妥善缩减，故而在整个工程项目中可提升组合梁结构部分区域的稳定性。因此，可根据工况条件适当建设混凝土底板，虽然底板建设后确实会增加结构重量，但产生的应力基本上可以忽略不计。因此，无论从承载效果还是经济性方向，混凝土底板都具有一定优势。设计人员可在桥梁组合梁设计中加入混凝土底板施工内容。据相关分析结果：本项目中在有无混凝土底板不同工况下，其中支点弯矩分别为28045kN•m、26157kN•m。而钢梁翼缘上方的应力则为110MPa压应力、130MPa压应力。为了进一步巩固连续组合梁受力性能，应从承载力设计上选用混凝土底板，以便达到最优化施工效果。
        此外，在承载力设计期间，还可采用顶升设计方法，强化荷载作用。在顶升距离达到10cm时，组合梁中的钢梁翼缘上方压应力将达到112MPa。而在其顶升距离超过40cm时，压应力为125MPa。而且随之产生的混凝土面板拉应力为1.5MPa。据此，促使钢梁与混凝土面板连接后，能够形成较强的承载力，用于提升桥梁稳固度。所以，顶升设计在组合梁设计中效用明显。
        结论：综上所述，钢—混凝土连续组合梁的设计，能够为桥梁顶底板抗拉能力的提升产生积极影响，而且可增加桥梁结构的稳固度。对此，应从负弯矩区抗裂设计以及刚度、抗剪连接件、顶底板承载力设计方向着手，确保组合梁发挥出真正作用，优化设计效果，合理削减底板应力，满足组合梁施工要求。
        参考文献：
        [1]张兆昌，范旭红，杨帆.内翻U形高强外包钢-高强混凝土连续组合梁截面设计及内力重分布试验研究[J].建筑结构，2019，49（06）：55-60.
        [2]姜竹昌，赵昊，曹洪亮.钢-混凝土连续组合梁负弯矩区抗裂设计优化研究[J].现代交通技术，2020，17（02）：28-32.
        [3]李川，王霁阳，郑凯锋.公路新型钢底板和波形腹板连续组合梁桥方案设计[J].四川建筑，2019，39（01）：84-87.