大跨度钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因及可行性分析
1钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因
原桥梁大跨均设计为钢箱梁桥，钢箱梁的桥面铺装层厚度为7cm，有轨电车轨道安装需求桥面铺装层厚度为25cm，且铺装层与钢箱梁之间无层间传力构件，不能协调变形或造成面层脱落显现。钢桥面与铺装之间刚度悬殊太大，二者变形不能协调。
又由于钢箱梁所在位置均为需求大跨度桥梁的困难地段，若采用大跨混凝土箱梁结构，会产生施工影响交通及下部结构尺寸庞大等情况。
基于以上多种原因，通过多方面考虑，拟定采用钢-混组合梁的方式，混凝土板提高梁体刚度，并通过剪力键与钢结构连接，同时为轨道预埋构件提供了预埋空间，轨道、混凝土板及钢结构三者受力变形协调，能够满足刚度、受力、较大跨越能力等多方面要求。
2现阶段钢-混组合梁发展及理论落实情况
钢-混组合梁梁在美、日、欧洲已经得到了广泛的应用，美国最早制定了设计规范，随后德国、英国和印度也制定了设计规范。
国内钢-混组合梁梁在工程中的应用从20世纪50年代起组合梁在交通、冶金、电力及煤矿等系统都有所应用。1957年建成的武汉长江大桥，其上层公路桥就已采用了组合梁结构(跨度18 m，梁距1.8 m)；沈阳设计院早在1963年就把组合梁结构用于煤矿井塔结构。从1985年开始，组合楼盖在高层钢结构中得到了广泛的应用；进入90年代，组合梁大量用于城市立交桥的主体结构与高层建筑的楼盖体系中。1993年由北京市政设计研究院设计的北京国贸桥的三个主跨采用了连续组合梁结构，是该结构在国内城市立交桥中首次应用。近年来在北京、上海等城市的立交桥建设中，由于钢一混凝土组合连续梁桥跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施工速度快等优点，得到了广泛的应用，建成了以北京航天桥(主跨73 m)和朝阳桥(主跨64m)为代表的一批钢一混凝土连续组合梁桥。
钢-混组合梁桥采用了钢梁作为受力主结构，又利用钢梁作为现浇混凝土层的支撑模板构造，不仅简化施工工序，降低了施工难度，同时缩短了施工工期。钢-混组合梁在我国的起步较晚，主要原因在于混凝土和钢结
构材料受力的不同性，钢-混组合梁设计理论的不完善。但随着大量实验研究和广泛应用实践，逐渐地丰富了该类梁的设计和施工经验，完善了相关的理论，极大的促进了该类梁桥的推广。钢-混组合梁连续梁桥其整体受力性能的优越性、工程造价的经济性以及能充分发挥钢材和混凝土两种材料各自的优势的合理性和便于施工的突出特点而得到广泛的应用。随着《钢－混凝土组合桥梁设计规范》（GB50917-2013）的发行，钢-混组合梁设计理论得到了完善。有了完整的理论基础指导，使得此类梁体的应用更加方便、快捷、安全。由于组合梁具有抗疲劳性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强梁的刚度的优点，已被广泛应用于城市立交桥及高速公路的跨线桥。
3钢-混组合梁特点简介
组合梁桥采用剪力连接件将钢梁等结构构件与钢筋混凝土桥面板结合成整体，钢筋混凝土桥面板不仅直接承受车轮荷载起到桥面板的作用，而且作为主梁的上翼板与钢梁形成组合截面，参与主梁共同作用。组合梁桥上缘受压、下缘受拉，最符合组合梁材料分布的合理原则，即梁上翼缘应是适宜受压的混凝土板，下缘是利于受拉的钢梁，并通过在混凝土顶板内加设预应力来抵抗连续梁负弯矩，能够满足连续梁结构受力需求。
（1）与钢梁相比，钢-混组合梁具有以下特点：
a）减少了钢材的用量，节约了造价；
b）增大了梁的刚度，有利于整体稳定性；
c）采用钢筋混凝土桥面板，有利于沥青面层的结合，提高桥面铺装的耐久性。
（2）与混凝土梁相比，钢-混组合梁梁具有以下特点：
a）结构自重轻，减少了下部基础的工程量；
b）已安装钢梁可作为模板使用，节省了模板工程量；
c）施工工期短，且对桥下交通的影响小；
d）降低了梁高，有利于桥下净空利用率。
4 施工方案及造价综合对比
施工方法工序对比表
结构综合对比表
通过以上对比，钢-混组合梁造价约为钢箱梁的2/3，施工工期及施工周期较钢箱梁长，且钢-混组合梁能够提供较大的刚度，且为轨道的预埋提供空间；能够充分满足此工程各项需求。
5钢-混组合梁对桥墩影响的理论分析
5.1桥梁下部计算模型的选择
本工程共计100多联连续梁、简支梁或结构简支桥面连续的箱梁，桥梁规模庞大且结构复杂，其中第五、十一、十五、三十四、三十九联原设计为钢箱梁，现由于有轨电车对轨道安装及梁体截面刚度的需求，拟考虑将原钢箱梁结构更换为钢-混组合梁，上部结构反力相应增加，对原下部桥墩进行结构安全简算。通过对桥墩的结构特点及桥梁跨度进行分析，选择部分有代表性的桥墩对其进行结构安全分析。
抗震分析桥梁选用的基本原则：
1、桥墩同样跨度或悬臂长度情况下，取桥梁相邻跨度之和较大者作为代表。
2、桥梁相邻跨度之和相差不多情况下，取桥墩跨度较大、悬臂较长者作为代表。
分别选择主线第5联ZX14墩、主线桥第11联ZX31~32墩、主线第34联ZX101墩进行结构安全分析，如下表所示。
结构安全分析桥墩一览表
5.2计算荷载的选取
恒载选取：
钢-混组合梁钢结构梁高1.8~2.3m,混凝土板厚30cm。上部铺装厚度约30cm。根据统计结果，钢-混组合梁每平米重约19KN（钢箱梁每平米重约12KN）。其中钢结构部分4KN/平米，现浇层部分8KN/平米，栏杆铺装部分7KN/平米。
汽车荷载加载方式：
沿盖梁纵向以车道荷载的方式进行加载，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）图4.3.1-3进行布置车道荷载。荷载大小为相邻最大跨径一个车道的
计算反力。
钢-混组合梁断面示意图
5.3.计算标准
(1) 设计荷载：城-A级；
(2) 计算温度：整体降温20℃，整体升温20℃，收缩徐变等效降温40度。
5.4.计算荷载参数
(1) 混凝土重力密度：26 KN/m3
(2) 结构安全等级：I级；
(3) 冲击系数u按0.4计入；
(4) 预应力管道摩擦系数取0.17；
(5) 管道每延米摩擦影响系数取0.0015。
5.5. 计算标准
材料名称及强度取值表1.2
续表1.2
5.6 作用类别、作用效应组合
1．永久作用：结构重力、预应力、上部结构反力和混凝土的收缩及徐变作用；2．可变作用：汽车荷载、温度作用。
3.作用效应组合
(1)承载能力极限状态
组合设计值Sud=1.2×永久作用+1.4×汽车荷载+0.8×1.4温度作用。
(2)正常使用极限状态
作用短期效应组合：永久作用+0.7×汽车荷载+0.8×温度作用；
作用长期效应组合：永久作用+0.4×汽车+0.8×温度作用。
5.7. 计算结果数值单位及方向约定
弯矩：KN*m；“—”代表弯矩方向；
应力：Mpa；“—”代表应力为拉应力；
挠度：mm；
内力：KN；“—”代表轴力为压力。
5.8. ZX14盖梁计算
5.8.1 模型描述
5.8.1.1 单元数量: 梁单元59 个
5.8. 1.2节点数量: 57 个
ZX14桥墩模型三维图
5.8.2持久状况承载能力极限状态结果
5.8.2.1基本组合弯矩包络图
最大负弯矩：89954KNm
5.8.2.2长短期组合下应力包络图
最大压应力：12.1mpa,最大拉应力：0.0005mpa
5.8.2.3基本组合包络变形图
最大竖向变形：28.1mm 5.9. ZX31盖梁计算
5.9.1 模型描述
5.9.1.1 单元数量: 梁单元177个
5.9. 1.2节点数量: 190个
ZX31桥墩模型三维图5.9.2持久状况承载能力极限状态结果
5.9.2.1基本组合弯矩包络图
最大负弯矩：69505.8KNm
5.9.2.2长短期组合下应力包络图
最大压应力：10.7mpa,最大压应力：0.9mpa
5.9.2.3基本组合包络变形图
最大竖向变形：18.7mm 5.10. ZX32盖梁计算
5.10.1 模型描述
5.10.1.1 单元数量: 梁单元187个
5.10. 1.2节点数量: 201个
ZX32桥墩模型三维图5.10.2持久状况承载能力极限状态结果
5.10.2.1基本组合弯矩包络图
最大负弯矩：5559.6KNm
5.10.2.2长短期组合下应力包络图
最大压应力：10.4mpa,最大压应力：0.9mpa
5.10.2.3基本组合包络变形图
最大竖向变形：26.6mm 5.11. ZX101盖梁计算
5.11.1 模型描述
5.11.1.1 单元数量: 梁单元191个
5.11. 1.2节点数量: 181个
ZX101桥墩模型三维图5.11.2持久状况承载能力极限状态结果
5.11.2.1基本组合弯矩包络图
最大负弯矩：9959KNm
5.11.2.2长短期组合下应力包络图
最大压应力：14.75mpa
5.11.2.3基本组合包络变形图
最大竖向变形：38.4mm
6 国内外实例及外观表现
目前，钢-混组合梁在国内使用较为广泛，其外观表现形式多样化，腹板侧面表现与钢箱梁基本相同。底板可采用漏空、封闭等多种形式。
实例项目照片
钢-混组合梁国内使用实例：
（1）、承秦出海路市区至石门寨段复线工程K1+488京秦高速分离立交桥路桥集团桥梁技术有限公司。
（2）、京杭运河常州市区段改线工程—312国道西大桥江苏省交通规划设计院（3）、深圳市南坪快速路梅观立交南昌有色冶金设计研究院
（4）、石家庄市二环快速路提升工程上海市政工程设计研究总院（5）、沿海公路秦皇岛至乐亭段高速公路河北省交通勘察设计研究院
7综合评价
钢-混组合梁桥是在钢筋混凝土结构和钢结构的基础上发展起来的结构。组
合桥充分发挥了钢材和混凝土的力学特性，并具有很好的施工性能。能够满足本
项目中对桥梁跨度、刚度、较轻恒载及施工快捷方便等方面的需求。且造价较钢
箱梁减少约30%，节省工程造价。随着本工程中的组合梁使用，不断增加设计、
施工及使用者对钢-混凝土组合结构优越性的认识，提高该类梁的运用技术，组
合桥将会在我市桥梁建设事业中发挥越来越重要的作用。
钢-混凝土组合梁 钢-混凝土组合梁(以下简称组合梁)是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型梁，通常其肋部采用钢梁，翼板采用混凝土板，两者间用抗剪连接件或开孔钢板连成整体。抗剪连接件是钢梁与混凝土板共同工作的基础，它沿钢梁与混凝土板的交界面设置。两种材料按组合梁的形式结合在一起，可以避免各自的缺点，充分发挥两种材料的优势，形成强度高、刚度大、延性好的结构形式。近几年，钢-混凝土组合梁在我国的应用实践表明，它不仅可以很好地满足结构的功能要求，而且还具有良好的技术经济效益。 钢-混凝土组合梁的特点 钢-混凝土组合梁可以广泛的用于建筑结构和桥梁结构等领域。对比钢梁和钢筋混凝土梁，钢-混凝土组合梁具有以下主要特点： (1)由于混凝土板与钢梁共同工作，可以充分发挥钢材与混凝土材料各自材料特性；另外，钢-混凝土组合梁与钢板梁相比节省钢材约20％-40％，可以降低造价。 (2)增大梁的截面刚度，降低梁的截面高度和建筑高度。 (3)组合梁的混凝土受压翼板增加了梁的侧向刚度，防止了主梁在使用荷载下的扭曲失稳。 (4)降低冲击系数，抗冲击、抗疲劳和抗震性能好。 (5)可以节省施工支模工序和模板，有利于现场施工。 钢-混凝土组合梁发展 钢-混凝土组合梁结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构(组合结构)，它是通过连接件把钢梁和混凝土板连接成整体而共同工作的受弯构件。在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉，充分发挥钢材与混凝土的材料特性，实践表明，它兼顾钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，将成为结构体系的重要发展方向之一，作为组合结构体系中重要的横向承重构件的钢-混凝土组合梁在建筑及桥梁结构等领域必将具有广阔的应用前景。其发展过程大致经历以下四个阶段： 1、20世纪20年代--30年代。萌芽阶段。 钢一混凝土组合梁的研究始于1922年，MackayMH在加拿大Domion桥梁公司进行了两根外包混凝土钢梁试验，同时英国国家物理实验室也进行了外包混凝土钢梁的试验，随后在30 年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接构造方法，可以看到处于萌芽阶段的研究主要集中于考虑防火需要的外包混凝土钢梁及实用连接件的研究，而未考虑两者的组合工作效应，这一阶段探索性的研究为后续钢-混凝土组合梁的蓬勃发展奠定了一定的基础。 2、20世纪40年代～60年代。发展阶段 这一阶段是组合梁发展的第二阶段，在这一阶段，许多技术先进的国家对组合梁开展了比较深入的试验研究，对组合梁的分析基本上按照弹性理论进行分析，并制定了相关的设计规范和规程，使得组合梁的应用在科学指导下逐渐普及。 3、20世纪60年代～80年代，全面研究，实用阶段 由于钢-混凝土组合梁具有广泛的应用前景，组合梁的研究工作进一步得到深化，在总结以往研究和应用成果的基础上，进一步改进和完善了组合梁的有关设计规范或规程，组合结构的应用和发展逐步成熟，几乎日趋赶上钢结构的发展，并广泛重视，研究工作重点也由简支梁研究转而开始了连续梁的研究，由完全剪力连接转为部分剪力连接；由考虑允许应力设计方法转为考虑极限状态设计方法；由弹性理论分析转为塑性理论分析。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/a716807482.html, 钢-混组合梁桥的设计优化及应用 作者：周俊书李兵任亚 来源：《中国科技纵横》2020年第06期 摘要：近年来，钢-混凝土组合梁桥因其施工快速及结构性能优越而越来越多地被应用于高速公路的建设中。以某高速公路互通主线的钢-混组合连续梁桥为背景，介绍了该类型梁桥的基本结构形式，阐述了钢-混组合连续梁桥设计过程中优化负弯矩区混凝土桥面板受力采取的措施，为类似桥梁设计优化提供思路。 关键词：钢-混组合梁;连接件;负弯矩区混凝土 中图分类号：U448.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0130-02 1设计背景 随着科学技术的进步，中国桥梁建设工作在近年来迅速发展，预应力混凝土箱梁由于施工工艺成熟，施工质量优异等优点而被广泛应用。然而，随着桥梁对大跨径需求的增加，传统的混凝土箱梁桥由于结构自重大、地震响应大、腹板后期开裂等问题日益突出，已逐渐满足不了大跨径桥梁建设的需求。大跨径桥梁趋于选择自重更轻、跨越能力更大的结构形式。钢-混凝土组合梁桥相较于传统的混凝土箱梁桥具有自重小、结构轻巧美观、施工周期短、不中断下穿公路的通行等优点，而越来越多地被应用于高速公路的建设中。 钢-混凝土组合梁是由混凝土桥面板和钢梁通过剪力连接件组合共同承受荷载的梁。在设计过程中，尽力让混凝土桥面板承受压应力，钢梁承受拉应力，以此充分发挥各自材料特性来使结构的经济效益最大化。然而在钢-混组合连续梁的设计过程中，不可避免墩存在顶负弯矩区域的混凝土桥面板承受拉应力、钢梁承受压应力。此时需要采取措施控制混凝土桥面板开裂和钢梁承压局部失稳的问题。如根据路线设计要求，半径较小的曲線组合梁桥还应考虑弯扭耦合效应[1]。即将通车的杨寨东互通主线桥主跨部分采用36m+60m+42m的组合结构，本文将介绍其设计优化过程中采取的相关措施。 2工程概况 杨寨东互通K0+412.5主线大桥位于武汉城市圈环线高速公路大随至汉十段杨寨东互通内，为跨越麻竹高速而设。桥梁左幅桥宽8.25m，跨径为11×20m+（36+60+42）m+4×20m的连续小箱梁和钢-混凝土组合梁;桥梁右幅桥宽12.75m，跨径为11×20m+（42+60+36） m+4×20m的连续小箱梁和钢-混凝土组合梁。其中跨越麻竹高速主线按照8车道41m路幅预留，且建设期不中断麻竹高速公路的交通通行，受制于上跨麻竹高速主线的净空要求，预应力混凝土箱梁方案不再适用。在钢-混凝土组合梁与钢箱梁的方案选择过程中，钢筋混凝土桥面
钢-混凝土组合梁计算原理及截面设计 钢-混凝土组合梁计算原理及截面设计 钢-混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式。它主要通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件（栓钉、槽钢、弯筋等），抵抗两者在交界面处的掀起及相对滑移，使之成为一个整体而共同工作。 钢－混凝土组合梁同钢筋混凝土梁相比，可以减轻结构自重，减小地震作用，减小截面尺寸，增加有效使用空间，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加梁的延性等。同钢梁相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐久性等。 近年来，钢－混凝土组合梁在我国城市立交桥梁及建筑结构中已得到了越来越广泛的应用，并且正朝着大跨方向发展。钢－混凝土组合梁在我国的应用实践表明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，是未来结构体系的主要发展方向之一。 计算原理 在钢－混凝土组合梁弹性分析中，采用以下假定： 1、钢材与混凝土均为理想的弹性体。 2、钢筋混凝土翼缘板与钢梁之间有可靠的连接交互作用，相对滑移很小，可以忽略不计。
3、平截面假定依然成立。 4、不考虑混凝土翼缘板中的钢筋（该假设只在正弯矩承载力计算时成立，负弯矩承载力计算式需考虑钢筋作用[1]）。 钢－混凝土组合梁弹性分析采用换算截面法。(a)表示换算前截面，(b)表示换算后截面。换算截面法的基本原理是：混凝土翼缘板按照总力不变及应变相同条件，换算成弹性模量为Es、应力为бs的与钢等价的换算截面面积。具体计算时，为了混凝土截面重心高度换算前后保持不变，换算时混凝土翼缘板厚度不变而仅将翼缘板有效翼缘宽度be除以α E（钢材弹性模量与混凝土弹性模量的比值。 求得等价的钢梁截面后，可以按照材料力学的方法来计算截面的抗弯承载力。设换算后截面的惯性矩为 I换算，换算截面形心轴距离钢梁底部为y 换算，组合梁总高为y换算作用在截面上的弯矩为M，而组合梁挠度的计算，则按照换算截面惯性矩计算组合梁截面刚度后，再由结构力学的方法计算梁的挠度。 截面设计 根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025－86），对钢－混凝土组合梁进行了设计。如图4所示，为该工程选用的组合梁截面图。钢梁选为Q345B钢，混凝土翼缘板用 C40混凝土，剪力连接件采用[10槽钢。组合梁总高为1650mm，高跨比约为31.5。组合梁截面换算惯性矩为8.576×1010mm^4，而纯钢梁的截面惯性矩只有5.228×10 10mm^4，组合梁截面惯性矩是纯钢梁的1.64倍，大大提高了组合梁的刚度，减小了组合梁在荷载作用下的挠度
钢－混凝土组合梁 结构计算书 编制单位： 计算： 复核： 审查： 2009年3月
目录 1. 设计资料 (1) 2. 计算方法 (2) 2.1 规范标准 (2) 2.2 换算原理 (2) 2.3 计算方法 (3) 3. 不设临时支撑_计算结果 (3) 3.1 组合梁法向应力及剪应力结果 (4) 3.2 施工阶段钢梁竖向挠度结果 (6) 3.3 结论 (7) 3.4 计算过程（附件） (7) 4.设置临时支撑_有限元分析计算 (7) 4.1 有限于建模 (7) 4.2 施工及使用阶段结构内力 (9) 4.2.1 施工阶段结构内力 (10) 4.2.2 使用阶段结构内力 (11) 4.3 组合梁截面应力 (13) 4.3.1 截面应力汇总 (13) 4.3.2 截面应力组合 (15) 4.4 恒载作用竖向挠度 (16) 4.4.1 施工阶段竖向挠度 (16) 4.4.2 使用阶段恒载作用竖向挠度 (16) 4.5 结论 (16)
钢－混凝土组合梁结构计算 1. 设计资料 钢－混凝土组合梁桥，桥长40.84m ，桥面宽19.0m ；钢主梁高1.6m(梁端高0.7m)，桥面板厚0.35m ；钢材采用Q345D 级，桥面板采用C50混凝土；车辆荷载采用公路-I 级车道荷载计算。 图 1 横向布置 (cm) 图 2 桥梁立面 (cm) 钢主梁沿纵向分3个制作段加工，节段长度为13.6+13.64+13.6m ，边段与中段主要结构尺寸（图 3）见下表，其余尺寸详见设计图纸
图 3 钢梁标准构造(mm) 2. 计算方法 2.1 规范标准 现行《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)第11章《钢与混凝土组合梁》针对不直接承受动力荷载的一般简支组合梁及连续组合梁而确定，对于直接承受动力荷载的组合梁，则应采用弹性分析法计算。《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2-2005)第4.1.1条也规定：结构构件的内力应按弹性受力阶段确定。尽管弹性分析法(容许应力法)不能充分组合梁的承载能力极限状态，但对于承受动力荷载的桥梁钢结构的强度计算是基本符合结构的实际受力状况的。 计算依据： 1.《钢结构设计规范》(GB 50017-2003) 2.《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2-2005) 3.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004) 4.《钢－混凝土组合梁设计原理》(第二版).朱聘儒.北京:中国建筑工业出版 社,2006 5.《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86) 2.2 换算原理 根据总力不变及应变相同的等效条件，将混凝土翼板换算成与钢等效的换算截面；换算过程中要求混凝土翼板截面形心在换算前后保持不变，翼板面积换算转化为翼板宽度的换算。 《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)第5.1.16条，组合梁混凝土桥面
工 程 技 术 中国新技术新产品- 121 - 一、工程概况 某钢结构框架厂房，两层，柱距6m，底层跨度6m，四跨，层高4.2m，二层两跨12m，层高3.9m，二层楼面采用钢梁混凝土板，设计楼面活荷载2t/m 2，无动力荷载，屋面采用轻型彩钢板。抗震设防烈度6度，0.05g，地震分组第二组，场地类别二类，地基比较均匀，土质良好。 二、工程设计方案 根据工程基本情况，拟定设计方案采用底层钢框架，上层门式刚架，楼面沿纵向设置次梁兼做横向刚架侧向支撑，次梁间距3m。次梁采用混凝土-钢梁组合结构，主刚架梁采用非组合连续钢梁。刚架采用PKPM-STS钢结构整体计算。 三、楼板的设计计算 压型钢板-混凝土做组合楼板时，钢板能作为板底受力钢筋，比非组合楼板更省材料，但是，施工中需要采用比较可靠地连接构造传递压型板与混凝土结合面的纵向剪力，并需要在压型板上涂刷防火涂料及后期保护性维护。因此本工程采用非组合型楼板，压型板仅作为混凝土的永久支撑使用，楼板按照普通楼板设计。 四、组合梁的设计 1 组合梁的设计计算原则 组合梁均按照极限状态设计准则进行，塑性设计法比弹性设计法计算简便，且考虑钢梁的塑性承载力，与实际情况更吻合，安全的同时更加经济，本工程采用塑性设计方法计算组合梁的承载力。 2 简支组合梁的受弯承载力计算 计算组合梁的受弯承载力需首先确定梁属于完全抗剪连接或部分抗剪连接，然后采用相应的公式计算其受弯承载力。对于简支梁，仅存在正弯矩区，钢梁与混凝土面之间的纵向剪力Vs取Af和behc1fc中的较小值，若抗剪连接件能完全抵抗此纵向剪力，抗剪件不会进入全截面塑性状态，钢梁与混凝土理论上无相对滑移，即完全抗剪连接；若抗剪连接件不能完全抵抗纵向剪力，抗剪连接件全面进入塑性状态后，钢梁与混凝土之间将会产生相对滑动，即部分抗剪连接。 3 组合梁的抗剪承载力计算 组合梁的全部竖向剪力，由钢梁的 腹板承受，按下式计算：V≤hwtwfv，对于连接节点处，梁端剪力还应考虑强剪系数1.3。 4 本工程组合梁截面的选取和计算工程材料：混凝土C30，钢梁钢材Q 345B ，因采用压型钢板，抗剪连接件采用圆柱头栓钉，性能等级4.6级， f=215N/mm 2 ，r=1.67。 （1）梁上荷载计算 恒载：上部楼板自重，及楼板面层gk1=（25×0.2+1.1）×3.0=18.6kN/m gk2=1kN/m（钢梁自重）活荷载：使用荷载20kN/m 2qk=20×3=60kN/m （2）单个栓钉抗剪承载力 压型钢板组合梁，栓钉的抗剪承载力需要考虑折减系数βv，本工程压型钢板板肋垂直于钢梁布置， 其中，bw——混凝土凸肋的平均宽度，当肋的上部宽度小于下部宽度时，区上部宽度；he——混凝土凸肋的高度；hd ——栓钉的高度；n0——梁截面肋中栓钉数，多于3个时，按3个计算。 本工程中，将压型板较宽凸肋朝下，bw=120，单排按2个栓钉考虑，凸肋高度he=60，栓钉高度hd=130，30≤hd-he=70≤75，满足构造要求。 （3）钢梁截面的初步选择 钢梁的抗剪全部由腹板承担，故可以根据支座剪力及板的高厚比限制估算钢梁的高度 支座剪力V=[（18.6+1）×1.2+60× 1.4]×3=322.56kN 腹板主次梁连接处考虑切肢削弱每侧45mm，节点连接处考虑强剪系数1.3，腹板按弹性高厚比控制，则有： [V]=（66tw-90）×tw×180≥1.3× 322.56×1000 hw≥6.5，取板厚tw=8mm 反算梁高度h0 （H0-90）×8×180≥1.3×322.56×1000H0≥381mm，初步取H0=400mm进行试算 根据构造要求及试算，满足使用阶段的强度及刚度要求下，钢梁截面H=450，上翼缘宽度160mm，厚度12mm，下翼缘宽度200mm，厚度8mmAs=6960mm 2。 混凝土翼板的有效宽度be=b0+b1+b2 其中，b0=130（压型板上部宽度）b1=b2=min（L/6，6×hc1，S/2） =min（6000/6，6×160，3000/2） =1000 b e =b 0+b 1+b 2=130+1000+1000 =2130mm A×f=6960×310=2157.6kN·m b e ×h c 1×f c =2130×160×14.3 =4873.44kN·m 因此，组合梁的纵向剪力Vs=Af=2157.6kN·m 抗剪连接件的设置： 根据构造，最终设置单排2M16栓钉（As=201mm 2），单个栓钉抗剪承载力βv×Nvc=1.0×251.34×201=50.53kN，按完全抗剪连接，需栓钉排数n=2157.6/（50.53×2）=22排，排间距S=3000/22=136mm，因板肋的间距为200mm，不能保证栓钉均位于板肋上，故不能满足要求，因此改用部分抗剪连接设计，栓钉间距S=200mm，均设于板肋间，经过计算，钢梁强度及刚度满足要求，实际栓钉排数n=3000/200-1=14排，满足完全抗剪连接50%的最小要求，且钢梁翼缘，腹板厚度均满足相应的高厚比及其它构造要求。 （4）组合梁与非组合梁的经济型比较 如果采用非组合梁，按简支梁计算，需采用H600×200×10×10截面钢梁，As=9800mm 2，相对节省钢材率（9800-6960）/9800=28.9%。 参考文献 [1]张作运，陈远椿，周廷坦.钢与混凝土组合梁设计[M].北京：中国建筑工业出版社. 钢与混凝土组合梁的应用实例 李蔚然 （中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039） 摘 要：组合梁是由钢梁、钢筋混凝土板及两者之间的剪切连接件组成整体而共同工作的一种结构形式。混凝土处于受压区，钢梁主要处于受拉区，两种不同材料都能充分发挥各自的长处，受力合理，节约材料。本文通过一个工程实例，介绍一些该结构形式的技术特点及设计过程中的一些计算及构造细节。关键词：压型钢板组合梁；设计计算；设计方案中图分类号：TU375 文献标识码：A DOI:10.13612/https://www.doczj.com/doc/a716807482.html,tp.2016.01.111
大跨度钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因及可行性分析 1钢箱梁更换为钢-混组合梁的原因 原桥梁大跨均设计为钢箱梁桥，钢箱梁的桥面铺装层厚度为7cm，有轨电车轨道安装需求桥面铺装层厚度为25cm，且铺装层与钢箱梁之间无层间传力构件，不能协调变形或造成面层脱落显现。钢桥面与铺装之间刚度悬殊太大，二者变形不能协调。 又由于钢箱梁所在位置均为需求大跨度桥梁的困难地段，若采用大跨混凝土箱梁结构，会产生施工影响交通及下部结构尺寸庞大等情况。 基于以上多种原因，通过多方面考虑，拟定采用钢-混组合梁的方式，混凝土板提高梁体刚度，并通过剪力键与钢结构连接，同时为轨道预埋构件提供了预埋空间，轨道、混凝土板及钢结构三者受力变形协调，能够满足刚度、受力、较大跨越能力等多方面要求。 2现阶段钢-混组合梁发展及理论落实情况 钢-混组合梁梁在美、日、欧洲已经得到了广泛的应用，美国最早制定了设计规，随后德国、英国和印度也制定了设计规。 国钢-混组合梁梁在工程中的应用从20世纪50年代起组合梁在交通、冶金、电力及煤矿等系统都有所应用。1957年建成的长江大桥，其上层公路桥就已采用了组合梁结构(跨度18 m，梁距1.8 m)；早在1963年就把组合梁结构用于煤矿井塔结构。从1985年开始，组合楼盖在高层钢结构中得到了广泛的应用；进入90年代，组合梁大量用于城市立交桥的主体结构与高层建筑的楼盖体系中。1993年由市政设计研究院设计的国贸桥的三个主跨采用了连续组合梁结构，是该结构在国城市立交桥中首次应用。近年来在、等城市的立交桥建设中，由于钢一混凝土
组合连续梁桥跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施工速度快等优点，得到了广泛的应用，建成了以航天桥(主跨73 m)和桥(主跨64m)为代表的一批钢一混凝土连续组合梁桥。 钢-混组合梁桥采用了钢梁作为受力主结构，又利用钢梁作为现浇混凝土层的支撑模板构造，不仅简化施工工序，降低了施工难度，同时缩短了施工工期。钢-混组合梁在我国的起步较晚，主要原因在于混凝土和钢结构材料受力的不同性，钢-混组合梁设计理论的不完善。但随着大量实验研究和广泛应用实践，逐渐地丰富了该类梁的设计和施工经验，完善了相关的理论，极大的促进了该类梁桥的推广。钢-混组合梁连续梁桥其整体受力性能的优越性、工程造价的经济性以及能充分发挥钢材和混凝土两种材料各自的优势的合理性和便于施工的突出特点而得到广泛的应用。随着《钢－混凝土组合桥梁设计规》（GB50917-2013）的发行，钢-混组合梁设计理论得到了完善。有了完整的理论基础指导，使得此类梁体的应用更加方便、快捷、安全。由于组合梁具有抗疲劳性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强梁的刚度的优点，已被广泛应用于城市立交桥及高速公路的跨线桥。 3钢-混组合梁特点简介 组合梁桥采用剪力连接件将钢梁等结构构件与钢筋混凝土桥面板结合成整体，钢筋混凝土桥面板不仅直接承受车轮荷载起到桥面板的作用，而且作为主梁的上翼板与钢梁形成组合截面，参与主梁共同作用。组合梁桥上缘受压、下缘受拉，最符合组合梁材料分布的合理原则，即梁上翼缘应是适宜受压的混凝土板，下缘是利于受拉的钢梁，并通过在混凝土顶板加设预应力来抵抗连续梁负弯矩，能够满足连续梁结构受力需求。
1L=20m ，间距5m ，试确定该组合梁混凝土翼板的有效宽度。 解：梁内侧翼缘计算宽度： b 2＝min （L/6；S 0/2；6h c ）＝min （20000/6；4400/2；6×200）＝1200mm b e ＝b 2＋b 0 2、某6m 100mm ，混凝土强度等级为C30 解：钢梁Q235：f ＝215N/mm 2 C30混凝土：f c ＝mm 2；E c ＝3×104N/mm 2 钢梁截面积A ＝100×10＋180×8＋120×10＝3640mm 2 1、计算混凝土翼板有效计算宽度 b 2＝min （L/6；S 0/2；6h c ）＝min （6000/6；1900/2；6×100）＝600mm 混凝土翼板的有效宽度： b e ＝b 2＋b 0＋b 2＝600＋100＋600＝1300mm 2、抗剪连接件计算 采用栓钉连接件，栓钉选用φ16×70，A s ＝200.96mm 2 ，材料强度等级级，γ＝，f ＝215N/mm 2 。 栓钉抗剪承载力设计值： N f A N f E A N s c c s c v 3 341051.5021567.196.2007.07.0106.563.1410396.20043.043.0?=???=>?=???==γ 所以取N N c v 31051.50?= 简支梁，全梁共两个正弯矩剪跨段，以跨中平分，每个剪跨区内钢梁与混凝土翼板交界面的 纵向剪力为： {}{}N f h b Af V c c e s 31106.7823.141001300,2153640min ,min ?=???== 按完全抗剪连接设计，每个剪跨区段内需要的连接件总数为： 16=f n 个 沿梁轴线方向，（3C30，焊接钢梁，钢材为Q235。试按塑性方法如果抗剪连接程度 解：钢梁Q235：f ＝215N/mm 2 C30混凝土：f c ＝mm 2；E c ＝3×104N/mm 2 1、计算混凝土翼板有效计算宽度 b 2＝6h c ＝6×100）＝600mm 混凝土翼板的有效宽度： b e ＝b 2＋b 0＋b 2＝150＋2×80＋600＋600＝1510mm 2、抗弯承载力计算 （1）完全抗剪连接