第２Ｏ卷第３期 湖南工程学院学报 Ｖｏ１．２０．Ｎｏ．３ ２０１０年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｐｔ．２０１０ 二莫互通Ａ匝道钢一混凝土组合梁桥设计 陈 维，刘义河，赵 亮，曲 佳 （吉林省公路勘测设计院，长春１３００２１） 摘要：钢一混凝土组合梁可以充分发挥钢结构和混凝土结构的优点，使得两种材料组合后的整体工 作性能明显优于二者性能的简单叠加，该结构在桥梁工程中具有可以减小构件截面尺寸、安装方便、缩 短工期等独特的优势，在公路桥梁中得到越来越广泛的应用．以二莫互通Ａ匝道跨线桥为背景，介绍了 钢一混凝土组合梁桥的设计过程和方法，结果表明该类桥梁受力性能良好、施工方便，具有较好的应用 前景．本研究可为以后类似工程设计提供借鉴． 关键词：钢一混凝土组合梁桥；结构设计；计算分析 中图分类号：Ｕ４４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１一ｌ１９Ｘ（２Ｏ１Ｏ）Ｏ３一Ｏ０７７一Ｏ４ 用低、施工速度快、节省支模工序和模板等优点［１］． ０概述 二莫互通是大庆至广州、珲春至乌兰浩特两条 钢和混凝土是建造桥梁的主要结构材料，这两 高速公路国道主干线交叉枢纽互通立交，Ａ匝道跨 种材料在物理和力学性能上具有不同的优势和劣 越珲乌高速公路，交角３３。，被交叉道路宽２５．５ ｍ． 势．钢一混凝土组合梁发挥了钢与混凝土材料各自 该项目地处吉林省中西部松嫩平原，地势平坦，考虑 的优点，充分利用了混凝土的抗压与钢的抗拉能力， 跨径较大，同时为了降低路基平均填土高度，减少土 使得钢一混凝土组合梁桥相对于混凝土桥上部结构 方数量，减少占地和节约工程造价，方便施工，上部 具有建筑高度低、自重轻、地震作用小、结构延性提 采用跨径３２＋２×４３＋３２ ｍ钢一混凝土组合连续 高，钢梁便于工厂化生产、现场安装质量高、施工费 箱梁结构，桥梁总体布置见图１． 图１桥梁总体布置图（单位：ｃｍ） １ 结构设计 凝土桥面板、槽形钢梁及桥面系组成．槽形钢梁高度 １２５￣１４９．４ ｃｍ，钢箱梁翼板宽８０ ｃｍ、厚２５ ｒｌｌｎ２，底板 二莫互通Ａ匝道桥采用跨径３２＋２×４３＋３２ ｍ 宽６２０ ｃｍ、厚２Ｏ ｍ札底板和腹板在中支点处做加厚 钢一混凝土组合连续箱梁结构，桥梁全长１５０ １ＴＩ． 处理．为提高钢箱梁的刚度和整体稳定性，采用在钢 设计荷载为公路一Ｉ级，地震基本烈度Ⅷ度，地震动 箱梁内设置钢隔板、加劲肋等构造措施，并在支点处 峰值加速度０．２０ ｇ，横桥向布置为：０．５ ｍ（护栏）＋ 隔板内灌注混凝土，中支点两侧底板内填充厚度２０ ９．０ ｍ（行车道）＋０．５ ｍ（护栏），总宽１０ ｒｎ，桥梁横 Ｃ１ＴＩ的无收缩混凝土，用剪力钉来保证钢板与混凝土 断面布置见图２所示． 之间的连接．混凝土桥面板由８ ｃｍ预制板和现浇 上部结构钢一混凝土组合箱梁采用单箱双室断 Ｃ５０钢纤维混凝土组合而成，总厚度３５ ｃｍ，混凝土桥 面，桥面横坡由腹板变高度形成．组合梁由预应力混 面板与钢槽形梁间采用剪力钉连接形成组合截面． 收稿日期：２０１０－－０５—２７ 作者简介；陈维（１９７７一），男，硕士，研究方向：桥梁设计． ７８ 湖南工程学院学报 ２０１０焦 誓 ｉｆ００ ———一 ＿ｒ厂 牲 盯ｒｒ 、 ｉ Ｌ Ｋｒ Ｊ 渤 毗 ＼ Ｉ ４０ Ｉ ＼海蚓盘＝２．５ ＼ １ １ ｌ９ｏ Ｉ３１０ ３１０ Ｉ １９０ Ｉ 图２主梁横断面布置（单位：ｃｍ） 为防止支点负弯矩段桥面混凝土开裂，在混凝土 墩，桩基础，中墩位于珲乌高速公路的中央分隔带上， 桥面板中施加纵向预应力，预应力采用９＋ｓ１５．２０、 采用钢管混凝土单柱式墩，钢管内填充ＣＡ０无收缩混 １２￣）ｓ １５．２０钢绞线束，中支点（单柱墩）桥面板中施加 凝土，桩基础． 横向预应力，预应力采用５＋ｓ １５．２０钢绞线扁束，预应 力孔道采用塑料波纹管成孔．纵向预应力分两批进行 ２ 施工工序 张拉，中支点钢箱节段架设后先浇筑桥面板混凝土， 钢箱梁分３类共７个制作段施工，Ａ制作段为两 然后张拉该段桥面板预应力钢束，节段问采用高强螺 边跨２２ ｍ段落，Ｂ制作段为中支点两侧各１０ ｍ段 栓连接，形成连续结构后浇筑其余部分桥面板混凝 落，Ｃ制作段为中跨２３ ＩＴＩ段落．各制作段在工厂完成 土，张拉其余的纵向预应力钢束． 制作，运至施工现场进行拼接，拼接采用连接钢板和 桥台采用肋板式台，桩基础，次中墩采用双柱式 高强螺栓，快速便捷．主要施工工序如图３所示： 施工矾程 摘Ｉ囤式 、 －量－旦－ －垦－１ ｔ垦一 旦量－旦ｔ １ 、 － －量 旦 ｔｔ ｍ １ ｔ垦－ －垦－１ ｔ・８－一旦 量＊ 旦ｔ｛ 垦一 旦量－旦－｛ 量 面 量 图３施工工序图 各步骤施工内容：①施工桥梁下部墩台，安装支 分临时支撑保证钢梁不脱空．③用高强螺栓连接钢 座．架设临时支墩，分段吊装槽形钢梁，支承于永久 梁纵向接头，形成连续结构．浇筑其余部分桥面板混 支座和临时支墩上．②浇筑中支点节段（中支点两侧 凝土和隔板混凝土．待混凝土强度达到设计要求后， 各１０ ｍ）箱内混凝土，待混凝土强度达到９０ 以后 张拉其余部分纵向预应力钢束．④张拉剩余部分中 浇筑该段隔板和桥面板混凝土，混凝土强度达到设 支点处桥面板横向预应力钢束．２号墩与主梁固结 计要求后，张拉该部分钢束，施工中应注意调整该部 （加劲板与主梁焊接）．拆除临时支撑．⑤钢梁涂装． 第３期 陈维等：二莫互通Ａ匝道钢一混凝土组合梁桥设计 ７９ 施工桥面铺装、护栏和伸缩缝． （４）体系整体升温３Ｏ。，降温５０。，支座沉降１．０ ｃｍ； ３ 计算分析 （５）梯度温度按《公路桥涵通用设计规范》考虑． ３．２ 分析工况 计算中将钢一混凝土组和梁按弹性理论计算， 针对Ａ匝道桥的施工工序，计算中划分为７个 钢箱梁按容许应力法，混凝土桥面板按承载能力极 施工工况和１个使用工况，具体工况如下： 限状态法验算．计算采用桥梁博士Ｖ３．１，钢梁与混 ①设置临时墩，架设预制钢梁．施工支点段箱内 凝土顶板按组合截面考虑，计算模型将钢梁作为主 混凝土； 截面，上部混凝土桥面板作为附加截面，根据施工顺 ②施工各中支点段钢梁桥面板混凝土； 序按阶段考虑附加截面参与受力，钢梁顶板、底板、 ③桥面板混凝土参与受力，张拉部分支点负弯 腹板直接计入模型，横隔等构件按荷载考虑．上部主 距钢束； 梁按施工阶段考虑钢槽梁与混凝土桥面板分阶段受 ④浇筑其余部分桥面板混凝土，预制钢梁各段 力特点以及形成组合截面后按组合受力构件承担二 连接成整体； 期、使用阶段荷载进行计算． ⑤其余部分桥面板混凝土参与受力，张力剩余 ３．１基本假定及计算参数 部分支点负弯距钢束； （１）假定钢材、混凝土为理想弹性各向同性材料； ⑥施工桥面铺装混凝土及护栏； （２）假定钢箱梁的钢板与顶板混凝土间连接良 ⑦空阶段，完成收缩徐变，施工时间３６５０天． 好，不存在相对滑移（理论依据：经过分析计算知该 使用阶段． 桥钢腹板与混凝土顶板的剪力连接件按完全建立连 ３．３分析结果 接设计，可以忽略腹板与混凝土顶板之间的滑移，将 （１）施工阶段分析 对应的节点完全连接［２］）； 从施工阶段划分可以看出：第②、④两个阶段混 （３）采用的主要设计参数为：钢板容重７８．５ 凝土面板已计人重力，未计人受力，对钢箱梁受力较 ｋＮ／ｍ。；混凝土容重２６ ｋＮ／ｍ。；孔道摩阻系数 一 为不利，见图４；第③、⑤两个阶段，桥面板上张拉预 ０．１７；孔道偏差系数０．００１５；一端锚具变形及钢筋 应力对桥面板受力较为不利，见图５． 回缩值为６ ｍｍ； 图４施工阶段钢梁应力图（单位：ＭＰａ） ３ 第３施工阶段桥面板上下缘应力 一、 ｎ— 唧 ｉ、 哪 勿 ＿＝ 娜 ｌ … 烈 删 』一 ． 一 第５施工阶段桥面板上下缘应力 图５施工阶段桥面板应力图（单位：ＭＰａ） ８０ 湖南工程学院学报 ２０１０年 从图中可以看出：在施工阶段中，钢梁和混凝土 使用阶段钢梁采用容许应力法，不计入组合系 数，即采用标准组合，使用阶段钢梁上下缘正应力见 桥面板应力均不大，远小于规范容许值．因此，施工 阶段结构是安全的． （２）使用阶段分析 图６：（拉应力为负，压应力为正）混凝土桥面板使用 阶段受力情况如图７：（拉应力为负，压应力为正） 使用阶段钢梁下缘应力包络图 图６使用阶段钢梁应力图（单位：ＭＰａ） 【．３ ． ７ ０一 ‘ｌ ３ ＿ ｌ 删ｌｌ一 —＿ － 仃 ｛ｕ Ｉ 一’。 ． Ⅱ： ●－ ４＿ ＿＿ ＿ ’ ．～ Ｉ ・ 固 《． Ⅱ ｝ ， —… ． 田： ：Ⅲ 卫 Ｉ－ — ｒ． 桥面板正常使用长期效应组合正应力 ． ： Ｉ 础 ［ 匝 ．Ｌ． ： 叨： 础衄 桥面板正常使用短期效应组合正应力 Ｉ‘ ．． Ｉ ：： 一 图７使用阶段桥面板应力图（单位：ＭＰａ） 由图中可以看出：钢梁最大拉应力６９．２ ＭＰａ， 材料的力学特性，具有很好的施工性能，外形美观大 最大压应力１３２．３ ＭＰａ，均小于容许应力２１０ ＭＰａ． 预应力混凝土桥面板最大拉应力０．９ ＭＰａ，小于容 许值０．７ ｆｔｋ一１．８５５ ＭＰａ；最大压应力１１．３ ＭＰａ 小于容许值１６．２ ＭＰａ．因此，使用阶段结构受力均 满足要求． 方，结构安全可靠，综合效益显著．可以预见，钢一混 凝土组合梁桥将是桥梁工程的重要发展方向之一， 在高速公路桥梁建设中应用前景广阔． 参考 文献 ［１］樊建生，聂建国．钢一混凝土组合桥梁研究及应用新进 ４ 结 语 在高速公路桥梁建设中，新的结构型式不断涌 现．钢一混凝土组合结构是继钢桥和钢筋混凝土桥 梁之后，又一种被工程界所接受并迅速发展的桥梁 展．建筑钢结构进展［Ｊ］，２００６，（１Ｏ）：３５－３９． ［２］劳埃・扬．钢一混凝土组合结构设计ＦＭ］．上海：同济 大学出版社，１９９１；１５４． ［３］陈光明，杨云安，陈志军．钢一混凝土组合梁桥施工的 时变空间有限元分析［Ｊ］．武汉理工大学学报（交通科 学与工程版），２００３，２７（６）：８４５—８４８． 结构形式．组合结构充分发挥了钢材和混凝土两种 （下转第８４页） ８４ 湖南工程学院学报 ２０１０年 １－３３ Ｌｉｅ，Ｔ．Ｔ．，Ｃｈａｂｏｔ，Ｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｆｉｒｅ ｒｅ— 触热阻的试验研究［Ｊ］．油气田地面工程，２００３，２１ ｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ ｓｔｅｅｌ ｃｏｌｕｍｎｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｐｌａｉｎ ｃｏｎ— （１５）：９０． ｃｒｅｔｅ［－Ｒ］．ＮＲＣ—ＣＮＲＣ ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，１９９２：６５１． ［６］吴国忠，鲁刚，张文福，齐晗兵．火灾中圆钢管混凝土 ［４］朱上．高温下钢管混凝土柱温度场的分析［Ｊ］．建筑结 温度场的数值模拟［Ｊ］．大庆石油学院学报，２００３，（１）： 构与设计，２００６，（５）：３６—３８． ７Ｏ一７４． ［５３卢丽冰齐晗兵王莉莉．混凝土结构钢管与混凝土间接 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｃｏｌｕｍｎｓ ＷＵ Ｊｉｎｇ－ｊｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｃｏｌｕｍｎｓ ｉｓ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ，ａｎｄ ｓｏｌｖｉｎｇ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ａｃｔｕａｌｌｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ，ａ ｗｅｌｌ ｋｎｏｗｎ ＦＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｃｏｌｕｍｎｓ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｈｏｗ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｒｅｌｉａ— ｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｃｏｌｕｍｎｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ＡＢＡＱＵＳ （上接第８Ｏ页） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｅｅｌ－。ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ｅｒ－ｍｏ Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ Ａ－ｒａｍｐ Ｏｖｅｒｐａｓｓ ＣＨＥＮ Ｗｅｉ，ＬＩＵ Ｙｉ—ｈｅ，ＺＨＡＯ Ｌｉａｎｇ，ＱＵ Ｊｉａ （Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｉｓｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｆｕｌｌｙ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｉｎ ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅｓｅ ｔＷＯ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｗｏｒｋ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ＳＵ— ｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｓｉｍｐｌｙ ａｄｄｅｄ．Ｉｎ．ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉＳ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍｓ ｇａｉｎ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｈｉｇｈｗａｙ ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｅｒ－ｍｏ ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ Ａ－ｒａｍｐ ｏｖｅｒｐａｓｓ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｇｏｏｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｓ ｂｒｉｇｈｔ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｅｅｌ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｒｉｄｇｅ；ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｎａｌｙｓｉｓ；