中小跨径桥梁在中国公路建设中应用广泛，据交通运输部资料统计，截止2015年底，中国公路桥梁达77.92万座，总里程达45 927.7 km，其中中小桥梁为69.58万座，总里程为18 415km。在条件允许的情况下，小跨径桥梁绝大部分采用简支梁桥的形式。目前，预应力混凝土(PC)简支梁桥在我国公路、城市桥梁工程中应用广泛，但当桥梁跨度较大时，PC简支梁桥很难满足承载能力的要求。针对城市汽车专用简支梁桥中比标准段跨度更大的变宽段，现多采用正交异性钢箱梁桥。钢箱梁结构轻型、制造方便、施工迅速、质量可控性高，但正交异性钢桥面铺装困难、疲劳性能差。为此，本文提出一种钢底板和波形钢腹板组合箱梁方案用于城市汽车专用简支梁桥，该方案能够充分发挥钢材和混凝土的材料性能，同时具有较好的经济效益和可施工性，有较高的应用价值。

针对40 m跨度城市汽车专用桥梁设计，本文提出一种钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁方案。

该方案将传统波形钢腹板预应力混凝土梁的混凝土底板改为钢底板，以达到减轻自重、省去底板普通钢筋及预应力束、加快施工的目的。方案如下：桥梁包含快速路和公交专用路共6车道，两幅梁体独立设计。每幅桥设置3车道，桥面宽度为12.45 m(0.35 m护栏、0.5 m路缘石、3.75 m公交专用道、2×3.5 m城市快速道、0.5 m路缘石、0.35 m护栏)。全桥主梁等高，高度为2.25 m；混凝土桥面板厚25 cm，强度等级为C50；腹板采用厚度为20 mm的1600型波形钢板，如图1所示；底板采用厚度为20 mm的钢板；腹板和底板材料均为Q345C钢，主梁横截面如图2所示。

图1 波形钢腹板结构尺寸

图2 组合结构横截面 cm

为真实反映组合结构的受力特性，采用“实体单元+板单元”对其进行模拟。混凝土桥面板通过实体单元模拟，腹板和底板通过板单元模拟，三者相互之间共用节点连接，全桥组合单元模型如图3所示。

图3 全桥组合单元模型

模型使用车辆荷载进行加载，车辆各轴轴重取值、前轮和后轮的接地面积以及轮位布置参照CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》[3]确定。恒载和车辆荷载不利加载位置的计算考虑4种工况：

工况1：恒载。

工况2：恒载和车辆荷载，车辆荷载第4轴位于跨中，见图4。

图4 工况2车辆荷载轮位布置

图5 工况3车辆荷载轮位布置

工况3：恒载和车辆荷载，车辆荷载第4轴位于跨中右侧2.7 m，见图5。

工况4：恒载和车辆荷载，车辆荷载第5轴位于右支座左侧0.1 m，见图6。

图6 工况4车辆荷载轮位布置

根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》规定，对结构自重永久作用分项系数取1.1，铺装、护栏等二期恒载永久作用分项系数取1.2，对车辆荷载，可变作用分项系数取1.8(冲击系数取1.2)，结构重要性系数取1.1。不同工况下的承载能力极限状态验算荷载组合如表1所示。

表1桥梁验算荷载组合

4种工况作用下，混凝土桥面板的正应力分布如图7所示。对于工况1，混凝土桥面板的压应力总体呈现从支座到跨中逐渐增大的趋势，最大压应力为6.47 MPa；对于工况2，由于车辆荷载产生的局部效应，在车轮作用位置，混凝土桥面板存在峰值应力，最大压应力为17.65 MPa；对于工况3和工况4，混凝土桥面板的正应力同样表现出在车轮作用位置出现峰值的特点，最大压应力分别为17.74 MPa和14.61 MPa。

a—工况1；b—工况2；c—工况3；d—工况4。图7 桥面板正应力分布 MPa

钢底板在各工况作用下的正应力分布如图8所示。钢底板与波形钢腹板连接部位存在应力峰值，且在波形钢腹板拐点处表现得尤为突出。对于工况1，钢底板拉应力总体呈现从支座到跨中逐渐增大的趋势，最大拉应力为109.75 MPa；对于工况2，由于车辆荷载沿横桥向布置不对称，底板拉应力在车辆荷载布置的一侧达到峰值，最大拉应力为216.65 MPa；工况3是根据初等梁理论计算所得的最不利加载工况，底板最大拉应力为217.65 MPa；对于工况4，底板最大拉应力为191.02 MPa。车辆荷载通过桥面板、波形钢腹板传到钢底板，由轮位布置产生的局部效应已明显减弱。

a—工况1；b—工况2；c—工况3；d—工况4。图8 底板正应力分布 MPa

波形钢腹板除极少部位有不超过65 MPa的峰值拉应力外，绝大部分位置的正应力很小，符合波形钢腹板纵向刚度小、几乎不承担弯矩的基本特性。波形钢腹板的设计由剪应力控制，腹板剪应力分布如图9所示。

a—工况1；b—工况2；c—工况3；d—工况4。图9 腹板剪应力分布 MPa

波形钢腹板几乎承担截面的全部剪力，且剪应力呈现沿截面高度方向均匀分布的特点，由于腹板与顶底板的相互作用，相互连接部位存在峰值应力。对于工况1，腹板最大剪应力为49.27 MPa；对于工况2，腹板最大剪应力为93.87 MPa；对于工况3，腹板最大剪应力为89.44 MPa；对于工况4，腹板最大剪应力为101.04 MPa。

各工况下，控制钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁桥设计的混凝土桥面板压应力、钢底板拉应力、波形钢腹板剪应力和桥梁挠度汇总于表2。控制应力均小于材料强度设计值，桥梁挠度也在JTG D60—2015规范容许范围内，本方案能够满足承载能力和正常使用的要求。

表2控制应力及挠度汇总

4.1.1施工性分析

钢箱梁与钢底板和波形钢腹板组合箱梁均可采用工厂预制节段，现场节段吊装、节段拼接的流程进行施工，节段长度与主梁单位长度重量、施工场地环境等因素有关。与钢箱梁相比，组合箱梁不需要设置加劲肋、横隔板，并且混凝土桥面板可以待节段吊装完成之后进行浇筑，主梁单位长度重量能够大幅降低，施工节段可以适当增长，以达到减少施工周期、节约成本的目的。

4.1.2耐久性分析

正交异性钢桥面铺装是国际性的工程难题。由于正交异性钢桥面结构的特殊性，铺装层在车辆荷载、温度变化和主梁扭转变形作用下会产生极其复杂的内力分布。通过调查中国主要大跨度桥正交异性钢桥面铺装层的使用情况发现：铺装层出现早期破坏的情况较严重，大部分在3年内出现高温车辙、横向推移、纵向推移、开裂等病害。组合箱梁混凝土桥面板铺装层施工设计成熟，施工质量易于控制，使用钢底板和波形钢腹板组合箱梁能够保证铺装层的耐久性能。

钢箱梁的疲劳问题突出，在车流长期作用下，纵肋-顶板焊缝、纵肋-横隔板焊缝等构造细节容易发生疲劳开裂，影响桥梁安全。与之相比，组合箱梁焊缝连接少、焊接构造疲劳性能好，能够显著提升桥梁的耐久性能。

钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁桥能够充分发挥混凝土受压和钢材受拉的材料特性。组合箱梁由于其结构特性，无需设置加劲肋、横隔板，可以节约钢材用量、减少焊缝连接。同时，混凝土桥面板铺装层耐久性能好，后期维护、翻修成本低。从全寿命周期看，钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁较钢箱梁具有更好的经济性，更符合可持续发展的要求。

结合40 m跨度城市汽车专用简支梁桥设计，本文提出一种钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁桥方案，通过MIDAS/Civil有限元软件建立全桥组合单元模型进行分析讨论，主要结论如下：

1)在跨度较大的简支梁桥中，可以使用钢底板和波形钢腹板组合箱梁桥，以达到快速施工、保证质量、节约材料的目的。

2)对钢底板和波形钢腹板组合箱梁桥进行设计时，应重点关注波形腹板与顶底板结合区峰值应力问题。未来可对腹板与顶底板的连接构造进行详细研究。

3)组合箱梁施工节段单位长度重量较小。在设计时，应综合考虑各因素，在保证施工安全及质量的前提下，使结构施工快速化、装配化。

4)与钢箱梁相比，组合箱梁的耐久性能、全寿命周期的经济性更好，有较好的推广应用价值。

来源：熊籽跞, 邱靖权, 郑凯锋. 钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁桥方案研究[J]. 钢结构, 2019, 34(3): 78-81.

doi: 10.13206/j.gjg201903014