2024年5月24日发(作者：景芳泽)
2021
年第
3
期
文章编号
：
1673
-6052(2021)03
-0025
-03
北方交通
—
25
—
DOI
：
10.
15996/j.
cnki.
bfjt.
2021.03.
006
枣木东延线枣庄高架桥
1
-55rn
简支钢-混凝土组合梁设计
杨相展
(创辉达设计股份有限公司长沙市410004)
摘
要
：
利用
midas
Civil
程序建立了
1
-55m
简支钢-混组合梁的有限元模型
，
对计算结果进行分析,结合规
范详细介绍了钢-混组合桥梁的设计要点和需要考虑的因素
，
为此类桥梁设计提供参考
。
关键词
：
高架桥;钢-混组合梁;桥梁设计;有限元模型
中图分类号
：
U44
&
21
+
6
文献标识码
：
B
近年来
，
随着交通运输部钢结构桥梁建设的推
进和环保理念的加强
,
钢结构桥梁开始在公路工程
及王梁断面图如图
1
和图
2
所示
。
m
佝支討
，
川淀口辰且台
¥
⑷
m
简乞小箱
i
项目尤其是中小跨径桥梁中得到推广应用
。
这其
中
，
钢-混组合桥梁因为能充分发挥钢材与混凝土
材料的各自优势
,
节省材料
，
施工方便
,
更是受到日
益重视和推广
。
目前已建成的组合结构桥梁基本应用在斜拉
桥
、
悬索桥等大跨桥梁结构中
,
如上海杨浦大桥
、芜
(a)
立面图
湖长江大桥
、
南京大胜关大桥
、
广东佛山东平桥等
。
在数量庞大的中
、
小跨度桥梁中
，
目前混凝土及预应
力混凝土的桥梁仍占据绝对数量优势
，
钢-混组合
结构桥梁较少
，
导致了对中小跨径组合结构桥梁的
研究工作不够系统
、
深入
，
技术水平落后于国际先进
水平
,
我国组合结构桥梁的研究
、
实践与国际先进水
(b)
平面图
平有明显差距
。
图
1
第
21
联桥型布置图
1
工程概况
跨中横断面
一
...........................................................
"12?F~
枣木东延线枣庄高架桥中心桩号为
K20
+
198.
9,
全桥共
42
联
，
桥梁全长
4792m,
上部结构共
................................................
*
§
匸
.........................
1175
...............................................................
有五跨钢-混凝土组合简支梁
，
分别为第
6
联
(55m)
、
第
21
联
(
55m)
、第
31
联
(
55m)
、
第
36
联
(60m)
、
第
41
联
(60m)
。
钢-混凝土组合梁选用箱
形截面
。
其余联采用预应力混凝土(后张)简支小
箱梁
，
桥面连续;下部结构桥台采用肋板台
，
桥墩采
用柱式墩
，
墩台采用桩基础
。
选取第
21
联
55m
跨
简支钢-混凝土组合梁作为分析对象
。
桥型布置图
图
2
主梁断面图
—
26
—
北方交通
2021
年第
3
期
2
有限元模型
2.1
结构与材料
1
-55m
简支钢-混凝土组合梁采用双箱单室
结构
，
两箱之间设置横系梁连接
，
全桥共设置
10
道
横系梁
。
梁高
2.6m,
钢箱梁顶
、
底板厚度分别为
35mm
和
30mm,
腹板厚度
22mm
。
钢材采用
Q345qD,
全桥钢结构部分按三段在工厂焊接完成
后
，
运输到桥位
，
现场采用高强螺栓连接
，
采用大六
角头高强螺栓
，
螺栓等级为
10.9
级,为摩擦型高强
螺栓
。
栓钉采用①
25
圆柱头栓钉
，
长度
180mm,
全
桥的剪力连接件均在工厂焊接完成
。
采用
midas
Civil
程序进行计算
，
根据桥梁跨径
及主梁横断面的刚度计算横向分布系数
，
简化为单
梁模型进行计算
。
全桥共划分
42
个单元
,45
节点
。
静力计算有限元模型图如图
3
所示
。
图
3
桥梁有限元模型
2.2
施工节段划分
全桥钢结构部分按三段在工厂焊接完成后
，
运
输到桥位
,
现场采用高强螺栓连接
,
节段划分如图
4
所示
。
图
4
桥梁节段划分
2.3
施工顺序
本桥共划分为
7
个施工阶段,分别为
：
(1)
浇筑桥墩
，
临时支架
。
(2)
钢箱梁现场吊装
。
(3)
钢箱梁现场拼装
，
安装横向联系梁
。
(4)
铺设预制混凝土桥面板
。
(5)
浇注混凝土后浇层,从中间向两侧浇注
。
(6)
待混凝土达到设计强度后
,
拆除临时支撑
。
(7)
施工桥面铺装
、
护栏
、
伸缩缝等
。
3
计算荷载
3.1
恒载
一期恒载
：
混凝土容重取
26kN/m
3
,
钢材容重
78.5kN/m
3o
二期恒载
：
桥面铺装
+
护栏人行道
，
取
23.
2
kN/m
o
3.2
汽车荷载
采用公路
I
级
，
车道荷载横向分布调整系数经
计算采用
1.35
。
汽车荷载冲击系数
，
根据
《
公路桥涵设计通用
规范
》
(
JTGD60_2015)
取用
。
3.3
温度荷载
采用
《
公路桥涵设计通用规范
》
(
JTG
D60
-
2015)4.
3.12
规定的温度荷载
，
包括结构的整体温
度升降和梯度温度升降
。
整体温度升降工况中
，
取
结构最高温度
39T
,
最低温度-
15P
,
成桥温度
15£
。
主梁截面温差根据
《
公路桥涵设计通用规
范
》
(JTG
D60
-
2015)
第
4.3.
12
条取
10cm
厚沥青
铺装
，
计算
T]
=1
代
，
丁
2
=5.5%
：
,
负温差为
=
-7T
,T
2
=
-2.75T
。
4
应力验算
对桥梁各阶段进行了应力计算,各阶段计算结
果如表
1
和表
2
所示
。
表
1
钢箱梁应力计算结果
阶段
上缘
(MPa)
下缘
(MPa)
成桥阶段
-126.3
121.4
基本组合
-152.6213.7
标准组合
-139.6
172.3
表
2
混凝土板应力计算结果
阶段
上缘
(MPa)
下缘
(MPa)
成桥阶段
-5.4
-4.2
标准组合
-12.8
-7.5
由以上结果可知:成桥阶段钢主梁上缘最大压
应力为
126.
3
MPa,
下缘最大拉应力为
121.4MPa,
小
于钢材容许应力
210MPa,
结构安全可靠;承载能力
极限状态基本组合下钢主梁上缘最大压应力为
152.
6MPa,
下缘最大拉应力为
213.
7
MPa,
小于
Q345qD
级钢材抗压及抗拉强度设计值为
275
MPa,
结构安全可靠;正常使用极限状态标准值组合下钢
主梁上缘最大压应力为
139.6MPa,
下缘最大拉应力
为
172.
3
MPa,
小于
Q345qD
级钢材容许应力
210MPa,
结构安全可靠
。
由以上结果可知:成桥阶段混凝土桥面板顶缘
2021
年第
3
期
杨相展:枣木东延线枣庄高架桥
1
-55m
简支钢-混凝土组合梁设计
—
27
—
最大压应力为
5.
4MPa,
小于压应力允许值
16.
2MPa,
结构安全可靠
。
正常使用极限状态混凝
配置
1840
根栓钉
。
按照
《
钢-混凝土组合桥梁设计
规范
XGB50917
-2013)
第
7.
2.
1
条,单个栓钉抗剪
土桥面板顶缘最大压应力为
12.
8MPa,
小于压应力
允许值
16.2MPa,
结构安全可靠
。
连接件的抗剪承载力设计值采用下式较小值
：
(1)
当发生栓钉剪断破坏时
：
5
其它验算
/F
0-2
/
f
0
-
1
N
：
=L19A
^k)
fc)
(2)
当发生混凝土压碎破坏时
：
N
：
=0.43gvO
；
5.1
主梁抗剪验算
根据
《
钢-混凝土组合桥梁设计规范
》
(
GB
50917
-2013)
第
5.
2.1
条规定:钢-混凝土组合梁
的抗剪承载力可根据
7oV«h
w
tw
f
vd
计算
。
承载能力
根据计算可知:半跨范围内纵向剪力设计值为
69143.3
kN,
剪承载力
极限状态基本组合下
，
主梁支点位置剪力设计值为
5650kN,
钢梁腹板高度为
2052mm,
腹板厚度
22mm,
N
：
=
min{
1.19A
std
f
std
(,0.43
皿嗣
/X}
=
133.
5kN,
则抗剪连接件最小数目为
69143.
3
/
抗剪强度设计值为
155MPa,
主梁抗剪承载力为
13994.6kN
,
大于剪力设计值
5960kN
，
主梁抗剪验算
满足要求
。
133.5=518(
个)
，
半跨范围内单个钢梁共配置
1840
5.2
主梁刚度验算
根栓钉(忽略横隔板上缘栓钉)大于
518
个,因此栓
移动活载作用下,梁最大挠度为
39.
0mm,
挠跨
比为
1/1410,
小于
1/600,
结构刚度验算满足要求
。
钉连接件抗剪验算满足要求
。
6
结语
5.3
抗剪连接件验算
按照规范对
1
-55m
简支钢-混组合梁进行了
详细计算
，
计算结果表明强度
、
刚度等均满足要求,
目前该项目已经通车
,
为今后大跨径钢-混组合梁
本桥钢梁与混凝土桥面板之间采用①
25
x
180
栓钉连接件
,
腹板上翼缘板横向配置
5
根栓钉
，
间距
100mm,
栓钉顺桥向间距为
150mm,
半跨范围内共
设计提供参考和借鉴
。
Design
of
1
-
55m
Simply
Supported
Steel
-
concrete
Composite
Beam
of
Zaozhuang
Viaduct
on
Zaomu
East
Extension
Road
Yang
Xiangzhan
(
Transfigure
Design
Co.
,Ltd.
,
Changsha
410004,
China)
Abstract
The
finite
element
model
of
1
-
55m
simply
supported
steel
一
concrete
composite
beam
is
established
by
Midas
civil
program
,
and
the
calculation
results
are
analyzed
・
Combined
with
the
code
,
the
design
points
and
factors
to
be
considered
of
steel
一
concrete
composite
bridge
are
introduced
in
detail
,
so
as
to
provide
reference
for
the
design
of
similar
bridges.
Key
words
Viaduct
；
Steel
concrete
compos
让
e
beam
；
Bridge
design
；
Finite
element
model
2024年5月24日发(作者：景芳泽)
2021
年第
3
期
文章编号
：
1673
-6052(2021)03
-0025
-03
北方交通
—
25
—
DOI
：
10.
15996/j.
cnki.
bfjt.
2021.03.
006
枣木东延线枣庄高架桥
1
-55rn
简支钢-混凝土组合梁设计
杨相展
(创辉达设计股份有限公司长沙市410004)
摘
要
：
利用
midas
Civil
程序建立了
1
-55m
简支钢-混组合梁的有限元模型
，
对计算结果进行分析,结合规
范详细介绍了钢-混组合桥梁的设计要点和需要考虑的因素
，
为此类桥梁设计提供参考
。
关键词
：
高架桥;钢-混组合梁;桥梁设计;有限元模型
中图分类号
：
U44
&
21
+
6
文献标识码
：
B
近年来
，
随着交通运输部钢结构桥梁建设的推
进和环保理念的加强
,
钢结构桥梁开始在公路工程
及王梁断面图如图
1
和图
2
所示
。
m
佝支討
，
川淀口辰且台
¥
⑷
m
简乞小箱
i
项目尤其是中小跨径桥梁中得到推广应用
。
这其
中
，
钢-混组合桥梁因为能充分发挥钢材与混凝土
材料的各自优势
,
节省材料
，
施工方便
,
更是受到日
益重视和推广
。
目前已建成的组合结构桥梁基本应用在斜拉
桥
、
悬索桥等大跨桥梁结构中
,
如上海杨浦大桥
、芜
(a)
立面图
湖长江大桥
、
南京大胜关大桥
、
广东佛山东平桥等
。
在数量庞大的中
、
小跨度桥梁中
，
目前混凝土及预应
力混凝土的桥梁仍占据绝对数量优势
，
钢-混组合
结构桥梁较少
，
导致了对中小跨径组合结构桥梁的
研究工作不够系统
、
深入
，
技术水平落后于国际先进
水平
,
我国组合结构桥梁的研究
、
实践与国际先进水
(b)
平面图
平有明显差距
。
图
1
第
21
联桥型布置图
1
工程概况
跨中横断面
一
...........................................................
"12?F~
枣木东延线枣庄高架桥中心桩号为
K20
+
198.
9,
全桥共
42
联
，
桥梁全长
4792m,
上部结构共
................................................
*
§
匸
.........................
1175
...............................................................
有五跨钢-混凝土组合简支梁
，
分别为第
6
联
(55m)
、
第
21
联
(
55m)
、第
31
联
(
55m)
、
第
36
联
(60m)
、
第
41
联
(60m)
。
钢-混凝土组合梁选用箱
形截面
。
其余联采用预应力混凝土(后张)简支小
箱梁
，
桥面连续;下部结构桥台采用肋板台
，
桥墩采
用柱式墩
，
墩台采用桩基础
。
选取第
21
联
55m
跨
简支钢-混凝土组合梁作为分析对象
。
桥型布置图
图
2
主梁断面图
—
26
—
北方交通
2021
年第
3
期
2
有限元模型
2.1
结构与材料
1
-55m
简支钢-混凝土组合梁采用双箱单室
结构
，
两箱之间设置横系梁连接
，
全桥共设置
10
道
横系梁
。
梁高
2.6m,
钢箱梁顶
、
底板厚度分别为
35mm
和
30mm,
腹板厚度
22mm
。
钢材采用
Q345qD,
全桥钢结构部分按三段在工厂焊接完成
后
，
运输到桥位
，
现场采用高强螺栓连接
，
采用大六
角头高强螺栓
，
螺栓等级为
10.9
级,为摩擦型高强
螺栓
。
栓钉采用①
25
圆柱头栓钉
，
长度
180mm,
全
桥的剪力连接件均在工厂焊接完成
。
采用
midas
Civil
程序进行计算
，
根据桥梁跨径
及主梁横断面的刚度计算横向分布系数
，
简化为单
梁模型进行计算
。
全桥共划分
42
个单元
,45
节点
。
静力计算有限元模型图如图
3
所示
。
图
3
桥梁有限元模型
2.2
施工节段划分
全桥钢结构部分按三段在工厂焊接完成后
，
运
输到桥位
,
现场采用高强螺栓连接
,
节段划分如图
4
所示
。
图
4
桥梁节段划分
2.3
施工顺序
本桥共划分为
7
个施工阶段,分别为
：
(1)
浇筑桥墩
，
临时支架
。
(2)
钢箱梁现场吊装
。
(3)
钢箱梁现场拼装
，
安装横向联系梁
。
(4)
铺设预制混凝土桥面板
。
(5)
浇注混凝土后浇层,从中间向两侧浇注
。
(6)
待混凝土达到设计强度后
,
拆除临时支撑
。
(7)
施工桥面铺装
、
护栏
、
伸缩缝等
。
3
计算荷载
3.1
恒载
一期恒载
：
混凝土容重取
26kN/m
3
,
钢材容重
78.5kN/m
3o
二期恒载
：
桥面铺装
+
护栏人行道
，
取
23.
2
kN/m
o
3.2
汽车荷载
采用公路
I
级
，
车道荷载横向分布调整系数经
计算采用
1.35
。
汽车荷载冲击系数
，
根据
《
公路桥涵设计通用
规范
》
(
JTGD60_2015)
取用
。
3.3
温度荷载
采用
《
公路桥涵设计通用规范
》
(
JTG
D60
-
2015)4.
3.12
规定的温度荷载
，
包括结构的整体温
度升降和梯度温度升降
。
整体温度升降工况中
，
取
结构最高温度
39T
,
最低温度-
15P
,
成桥温度
15£
。
主梁截面温差根据
《
公路桥涵设计通用规
范
》
(JTG
D60
-
2015)
第
4.3.
12
条取
10cm
厚沥青
铺装
，
计算
T]
=1
代
，
丁
2
=5.5%
：
,
负温差为
=
-7T
,T
2
=
-2.75T
。
4
应力验算
对桥梁各阶段进行了应力计算,各阶段计算结
果如表
1
和表
2
所示
。
表
1
钢箱梁应力计算结果
阶段
上缘
(MPa)
下缘
(MPa)
成桥阶段
-126.3
121.4
基本组合
-152.6213.7
标准组合
-139.6
172.3
表
2
混凝土板应力计算结果
阶段
上缘
(MPa)
下缘
(MPa)
成桥阶段
-5.4
-4.2
标准组合
-12.8
-7.5
由以上结果可知:成桥阶段钢主梁上缘最大压
应力为
126.
3
MPa,
下缘最大拉应力为
121.4MPa,
小
于钢材容许应力
210MPa,
结构安全可靠;承载能力
极限状态基本组合下钢主梁上缘最大压应力为
152.
6MPa,
下缘最大拉应力为
213.
7
MPa,
小于
Q345qD
级钢材抗压及抗拉强度设计值为
275
MPa,
结构安全可靠;正常使用极限状态标准值组合下钢
主梁上缘最大压应力为
139.6MPa,
下缘最大拉应力
为
172.
3
MPa,
小于
Q345qD
级钢材容许应力
210MPa,
结构安全可靠
。
由以上结果可知:成桥阶段混凝土桥面板顶缘
2021
年第
3
期
杨相展:枣木东延线枣庄高架桥
1
-55m
简支钢-混凝土组合梁设计
—
27
—
最大压应力为
5.
4MPa,
小于压应力允许值
16.
2MPa,
结构安全可靠
。
正常使用极限状态混凝
配置
1840
根栓钉
。
按照
《
钢-混凝土组合桥梁设计
规范
XGB50917
-2013)
第
7.
2.
1
条,单个栓钉抗剪
土桥面板顶缘最大压应力为
12.
8MPa,
小于压应力
允许值
16.2MPa,
结构安全可靠
。
连接件的抗剪承载力设计值采用下式较小值
：
(1)
当发生栓钉剪断破坏时
：
5
其它验算
/F
0-2
/
f
0
-
1
N
：
=L19A
^k)
fc)
(2)
当发生混凝土压碎破坏时
：
N
：
=0.43gvO
；
5.1
主梁抗剪验算
根据
《
钢-混凝土组合桥梁设计规范
》
(
GB
50917
-2013)
第
5.
2.1
条规定:钢-混凝土组合梁
的抗剪承载力可根据
7oV«h
w
tw
f
vd
计算
。
承载能力
根据计算可知:半跨范围内纵向剪力设计值为
69143.3
kN,
剪承载力
极限状态基本组合下
，
主梁支点位置剪力设计值为
5650kN,
钢梁腹板高度为
2052mm,
腹板厚度
22mm,
N
：
=
min{
1.19A
std
f
std
(,0.43
皿嗣
/X}
=
133.
5kN,
则抗剪连接件最小数目为
69143.
3
/
抗剪强度设计值为
155MPa,
主梁抗剪承载力为
13994.6kN
,
大于剪力设计值
5960kN
，
主梁抗剪验算
满足要求
。
133.5=518(
个)
，
半跨范围内单个钢梁共配置
1840
5.2
主梁刚度验算
根栓钉(忽略横隔板上缘栓钉)大于
518
个,因此栓
移动活载作用下,梁最大挠度为
39.
0mm,
挠跨
比为
1/1410,
小于
1/600,
结构刚度验算满足要求
。
钉连接件抗剪验算满足要求
。
6
结语
5.3
抗剪连接件验算
按照规范对
1
-55m
简支钢-混组合梁进行了
详细计算
，
计算结果表明强度
、
刚度等均满足要求,
目前该项目已经通车
,
为今后大跨径钢-混组合梁
本桥钢梁与混凝土桥面板之间采用①
25
x
180
栓钉连接件
,
腹板上翼缘板横向配置
5
根栓钉
，
间距
100mm,
栓钉顺桥向间距为
150mm,
半跨范围内共
设计提供参考和借鉴
。
Design
of
1
-
55m
Simply
Supported
Steel
-
concrete
Composite
Beam
of
Zaozhuang
Viaduct
on
Zaomu
East
Extension
Road
Yang
Xiangzhan
(
Transfigure
Design
Co.
,Ltd.
,
Changsha
410004,
China)
Abstract
The
finite
element
model
of
1
-
55m
simply
supported
steel
一
concrete
composite
beam
is
established
by
Midas
civil
program
,
and
the
calculation
results
are
analyzed
・
Combined
with
the
code
,
the
design
points
and
factors
to
be
considered
of
steel
一
concrete
composite
bridge
are
introduced
in
detail
,
so
as
to
provide
reference
for
the
design
of
similar
bridges.
Key
words
Viaduct
；
Steel
concrete
compos
让
e
beam
；
Bridge
design
；
Finite
element
model