钢-混凝土组合梁设计与应用实践

钢-混凝土组合梁设计与应用实践

刘婧,童伟

(湖北省交通规划设计院股份有限公司， 武汉 430050)(湖北交投随岳高速公路运营管理有限公司，武汉 430000)

摘要：钢-混凝土组合梁因其自重轻跨越能力强在工程领域获得了良好的应用效果。钢-混凝土组合截面梁具有较强的抗剪能力和抗弯扭等优势，在实际应用过程中能够有效地减少混凝土板开裂。根据最新的研究成果，本文提出了钢箱-混凝土组合梁设计理论以及具体实践应用。

关键词：钢-混凝土组合梁；设计；实践

钢箱-混凝土组合梁广泛应用的根本在于能够使钢梁和混凝土充分发挥各自的优势，利用预制拼装这样便捷的施工方式极大地提升了施工质量和施工效率，同时还具有降低施工成本的优势。我国工程领域中已经对组合梁的设计和应用进行了深入的研究，并获得了较多的研究成果。这些研究成果已经大量的应用到我国工程领域当中。

一、钢-混凝土组合梁概述

钢-混凝土组合梁是工程领域中具有一定创新性的结构形式，在不同种类的工程中，二者叠合的应用能够分别使混凝土抗压特性和钢材较强的抗拉特性充分发挥出来，在使用过程中混凝土板较少出现裂缝，钢板也因此具有更强的稳定性。钢-混凝土组合截面已经被广泛地应用到公路工程领域当中。钢-混凝土组合梁主要分为槽形钢截面，在腹板上覆盖预制钢筋混凝土板。相比叠合截面工字型钢-混凝土组合梁中的应用效果来看，钢箱-混凝土组合截面在工程领域中的应用范围更广，也能够充分体现出其自重轻和承载力高的众多优势。同时还能够通过剪力钉进行有效的结合，使其二者间具有良好的协同性，有效的提升了混凝土的粘结性，降低了混凝土裂缝问题发生的几率，同时在横向稳定性和抗扭性能方面也具有较强的优势。钢-混凝土在应用过程中能够通过张拉预应力束并利用合理的结构设计促使负弯矩区混凝土完全处于受压区域范围内。相较于预应力混凝土连续箱梁，这样的结构形式有效地降低了自重。在施工方面，可以合理的利用预制桥面板作为现浇桥面板的底模，选择泵送技术实现混凝土浇筑，使得桥面横坡施工精度更高且有效地提升了施工的效率。

二、钢-混凝土组合梁设计理论

（一）结构尺寸拟定

首先要做好截面形式以及钢箱尺寸的选择。在钢箱具体设计过程中需要在连续梁正弯矩区段进行科学合理的设计，并需要充分利用分室形式的截面形式，对混凝土灌注施工过程中确保钢箱的高度符合工程施工要求，同时还需要保证混凝土的强度达到施工质量要求，使混凝土在受压区范围内，也就是在临近负荷极限值的情况下，也能够保证混凝土大部分在受压区范围之内。钢箱上室高度可根据梁高进行合理的选择，一般情况下可取梁高的0.4倍。如果在钢箱-混凝土截面尺寸确定的过程中，截面高度受到限制，且梁宽较大的情况下，就需要考虑将上室截面进行再次分室。针对同时承受负弯矩区段来说，应根据弯曲区截面的具体形式，对混凝土填充区的高度进行合理的调整，也可以通过取消隔板全高灌注混凝土，成为矩形钢管混凝土截面形式。

其次，板件尺寸的科学选择及确定。钢箱板件的规格和尺寸等要确保不会出现弹性化的局部性扭曲。板件的宽度与厚度应结合工程实际质量要求进行设计，避免出现宽度和厚度设计过大和过小情况，宽厚比如果设定过小，那么混凝土所占的比例也相对较小，致使混凝土强度无法达到预期标准。如果在设计过程中宽厚比过大，会导致钢箱发生不同程度的局部弯曲的情况，致使顶板的有效宽度过小，无法将钢材的特性进行充分的发挥。因此，截面强度计算的过程中需要对受压区顶板和底板的有效宽度进行综合的考虑。同样，膜板厚度的选择还需要对钢箱局部的稳定性进行全面的分析，确保达到稳定性和抗剪强度标准。填充混凝土区的腹板和空箱室的腹板可以选择合理的厚度。

（二）钢-混凝土组合梁结构设计计算

1、荷载能力效应计算。

钢箱-混凝土组合梁在设计过程中需要对自身的荷载能力进行准确的计算，这样才能保证槽形钢箱-混凝土截面的经济效应的最大化发挥。在荷载能力计算和设计过程中，需要重点考虑两个阶段的设计施工，保证这两个阶段设计计算的准确性，才能达到工程施工的质量标准和要求。第一个阶段为在混凝土硬结前的施工阶段，此阶段的荷载力包括钢箱自身重量、预制桥面板以及底板混凝土重量，这个阶段所产生的荷载力基本上都是由槽形钢箱来承担，所以，在钢箱规格设计时应按照钢结构的特性以及所能够承受的最大荷载能力进行设计，并设计完成后需要进行承载力试验，这样才能在保证钢箱的结构稳定性和刚度符合工程治疗要求。第二阶段为混凝土硬结后的施工和使用阶段，此阶段所产生的荷载力包括使用荷载和后期恒载力，如果设计不合理会导致混凝土出现裂缝的情况，此阶段的应力荷载是由槽形钢箱-混凝土来承受，因此，在钢-混凝土设计过程中需要根据结构受力要求进行设计，并做好试验，这样才能使钢箱-混凝土承受总荷载力，达到钢箱-混凝土结构的布局稳定性和刚度以及硬度设计标准。

2、结构应力和变形验算。

钢箱-混凝土在应用施工前需要做好应力计算，在计算过程中需要考虑到不同的受力阶段所产生的应力情况，对不同的应力承担区域进行分析，并利用弹性叠加理论对应力情况进行计算。截面全部应力等于混凝土硬结前阶段作用在钢箱梁中所产生的应力，以及混凝土硬结后作用在钢箱-混凝土组合梁上所产发生的应力。结构应力验算应满足以下要求，第一个要求是在两个阶段应力和变形应使用换算截面进行计算，另一个要求是在计算过程中单纯地考虑受压的混凝土，不考虑受拉的混凝土。

三、钢-混凝土组合梁的应用实践

在某高速公路改扩建工程中，充分利用了钢箱-混凝土组合梁设计，因跨路需求对单幅新建段的某桥设计了预应力钢筋混凝土梁以及钢箱-混凝土组合梁等两种设计方案。由于在具体设计过程中荷载较大且集中，经过反复的计算，得到的结算结果预应力钢筋混凝土梁需要使用较高的梁，并且设计完成后的横向结构稳定性不高。而利用钢箱-混凝土组合梁虽然使用的钢材数量较多，但是相比于前一种设计方案，梁高更低、交通施工干扰更小，设计的各项指标及使用性能都能够满足使用的需求。同时钢箱-混凝土在应用过程中还能够在工厂预制工程中的在梁顶焊接栓钉，安全的铺设轨道设施，极大的满足业主提出的快速启用目标。，因此，在设计过程中使用钢箱-混凝土组合梁设计方案能够有效地降低成本。

结束语：

钢箱-混凝土组合梁在工程领域中的应用能够充分发挥出钢材和混凝土二者自身的优势，利用受压区内浇筑一定厚度的钢筋混凝土的方式，既能有效地提升了截面刚度，同时也能极大改善钢箱底板压应力过大发生屈曲的状况，有效地弥补了传统组合梁存在的缺陷问题，在未来的桥梁上部结构中能够获得广泛的应用。

参考文献：

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