9.2.3 钢-混组合箱梁桥的设计要点
钢-混组合箱梁桥的设计包含跨径布置、梁高选择、截面形式、构造设计等方面,需要在明确钢-混组合箱梁桥技术特征的基础上,明确设计要点与方法。
1.跨径布置
桥梁跨径的布置需要根据实际情况对诸多因素进行综合考虑,需要兼顾设计的跨越要求、工程风险、施工建造难度等,特别是上部结构和下部结构建造的技术经济性。采用连续组合形式的钢-混组合箱梁桥,其能够适应的跨数及每一联的长度范围较为广泛,各种跨径的配置也相对自由,施工方法也具有多样性,可以采用顶推施工方法,也可以采用预制架设方法。考虑结构成型的受力特点,一般组合连续箱梁桥的跨径配置采用预应力连续梁桥的匹配关系,即边跨与中跨的跨径比例在0.6~0.8。
2.梁高选择
梁高的设计与结构受力特性直接相关,同时也是各种施工方法的考虑因素。考虑到组合箱梁桥施工方法的多样性,其高跨比波动范围较大,例如施工时有无临时墩和塔吊,对于梁高的影响很大。根据我国公路桥梁设计资料的总结,等高度梁的高跨比在1/25~1/16,变高度梁的高跨比在支点处是1/23~1/15,而在跨中区域是1/47~1/32。
3.截面形式
组合箱型梁桥的截面形式多样,早期主要采用多箱室截面,并且在各箱室之间设置横向联结,以方便运输和吊装。然而,多箱室截面难以适应组合箱梁桥向更大跨径发展,因此后续实践主要采用单箱室截面,可以适应桥梁宽度达到20 m的情况。
当桥梁宽度要求更高时,例如深山峡谷等环境,则可以通过以下三种方式来解决:①分幅建设;②增加箱室;③增加两侧挑臂长度。桥梁宽度在20~30 m时,采用整幅桥梁建设的方法对于结构的横向受力要求较高,应用分幅建设的方法将具有显著的效果。桥梁宽度在20 m以下时,采用单箱单室截面,并配合大悬臂加劲的设计思路,桥梁将具有良好的受力特点及美观性能。需要注意的是,上部截面形式的选择不同,对应的下部结构设计形式、建造技术、美观耐久等也有差异,需要综合考虑。
4.构造设计
钢-混组合箱梁桥的构造涵盖钢梁、混凝土桥面板、钢-混连接等细节,对这些细节的构造处理建立在对结构受力特性的充分认识上。
1)钢梁的构造
钢梁的构造包括钢截面构造及加劲结构设计,组合截面的中性轴一般接近上翼缘混凝土板,这使得正弯矩区基本处于受拉状态,为取消腹板加劲提供了条件。此外,针对负弯矩区底板受压问题,可以附加混凝土板以减小截面受压区高度与压应力水平,降低该区域内的板件屈曲可能性。目前针对屈曲荷载的分析都是基于规范中的纯钢结构,以及四边简支、三边简支一边自由等约束形式,这对于组合桥梁的估计过于保守。随着计算分析理论的改进及相关研究成果的支持,可以增大翼缘板和腹板的尺寸,减少加劲肋数量,实现结构优化,降低材料消耗。
2)混凝土桥面板构造
混凝土桥面板直接暴露于外部环境中,受到环境侵蚀、气温变化及汽车荷载等作用,因此其耐久性能备受关注。桥面板根据施工方法、结构形式、结合方式等可以分类为预制桥面板、现浇桥面板和组合桥面板等形式,其中预制和现浇是目前主要应用形式,这两种施工方法下桥面板的收缩徐变性能差别很大,需要根据具体的建设条件进行选择。组合桥面板近年来受到重视,其不仅可以发挥混凝土桥面板的受力性能,还能实现桥面板与钢梁更好地连接,因此人们需要在积累现有研究经验的基础上对其进行深入的实践与分析。桥面板的设计对于结构受力、施工方法、建设成本等都有显著影响,需要在考虑结构安全性、耐久性、疲劳性等基础上,以技术经济指标合理为目标,综合比选确定。钢筋混凝土结构必然存在开裂风险,因此钢筋混凝土桥面板的开裂问题已经不可避免,但应该在更加深刻地认识基础上,采取有效措施降低开裂风险并减小裂缝宽度,避免开裂引发的结构安全性和承载力等方面的问题。
3)钢-混连接构造
随着组合结构的应用与发展,对于钢-混连接问题及其工作性能的认识也更加全面,同时对其连接构造要求也越来越高。钢-混连接区域不仅要承担剪力作用,还需要承担拉拔力;不仅要求满足承载能力使用要求,保证结构安全,还需要满足组合结构的整体工作性能,在正常使用情形下具有很好的工作性。连续组合箱梁桥中,从支点到跨中断面的受力状况变化很大,特别是在负弯矩区受力问题更加复杂,需要考虑适宜的连接件形式、布置范围、设置间距等参数,完全基于承载能力的理念设计连接件是不合适的。钢-混组合连接的形式主要有栓钉、型钢、组合式、嵌入式等。钢-混连接组合的目的是防止钢与混凝土使用时发生相对滑移,控制承载能力下的滑移量,同时需要抵抗桥面板的掀起效应,防止钢-混材料的脱离。