钢-混组合连续钢板梁负弯矩区若干问题的设计分析

科技创新与应用

设计创新钢-混组合连续钢板梁负弯矩区若干问题的设计分析侯俊勇

（上海市政工程设计研究总院集团广东有限公司，广东深圳518000）

摘可施工性、经济性和耐久性等方面优势突出。钢-混组合连要：随着钢-混组合连续钢板梁在我国的大量应用，其在结构受力、

针对负弯矩区开裂问题，重点对负弯矩区2个问题进续钢板梁在设计、施工和运营过程中也存在一些问题，特别是负弯矩区开裂问题。给出开裂区长度和剪力钉数量的最优计算方法，为钢-混行设计分析：开裂区长度和剪力钉数量；通过国内外规范的计算和对比分析，组合连续钢板梁的设计提供了有利的建议。

剪力钉数量关键词：组合钢板梁；负弯矩区；开裂区长度；中图分类号院U442.5

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2019冤22-0083-04

instructuralstress,constructability,economyanddurability.Thereareseveralproblemsinthedesign,constructionandoperationofsteel-concretecompositecontinuoussteelplategirders,especiallythecrackingofnegativemomentregion.Inviewofthecracking

problemofnegativemomentregion,twoproblemsofnegativemomentzonearemainlyanalyzed:thelengthofcrackingregionandtheofsteel-concretecompositecontinuoussteelplategirder.

numberofshearnails.Throughthecalculationandcomparativeanalysisofdomesticandforeigncodes,theoptimalcalculation

Keywords：compositesteelplatebeam;negativemomentregion;lengthofcrackingregion;shearnailnumber

Abstract：Withthewideapplicationofsteel-compositecontinuoussteelplategirderinChina,itsadvantageshavebeenobvious

methodofthelengthofcrackingregionandthenumberofshearnailsisgiven,whichprovidesbeneficialsuggestionsforthedesign

引言

可施工近年来，钢-混组合连续钢板梁以其结构受力、

性、经济性和耐久性等方面优势在我国应用越来多[1]，同时国内学者在此领域开展了大量研究，为钢-混组合连续钢板梁的应用积累了较多的设计和施工经验。对于钢-混组合连续钢板梁，国内规范《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG

[2]

（GB50917-D64-2015）、《钢-混凝土组合桥梁设计规范》

[3]

（JTGTD64-2013）和《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》

[4]

01-2015）均提供了设计依据和指南。但由于我国组合梁桥的发展相对欧美发达国家依然滞后，且规范颁布时间较

钢-混组合连续钢板梁的设短，设计过程中仍有较多疑点。

计难点在负弯矩区的设计，运营后负弯矩区为带裂缝工

（1）作。本文重点对负弯矩区如下2个问题进行设计分析：

开裂区长度；（2）剪力钉数量。

（36+60+44）选取某一座m跨钢-混组合连续钢板梁桥

为背景，分别依据国内外规范，对负弯矩区开裂区长度和剪力钉数量2个问题进行对比分析，为今后钢-混组合连续钢板梁的设计提供一些有利的建议。

1开裂区长度和剪力钉数量计算方法1.1开裂区长度

对于普通钢筋混凝土桥面板或B类预应力混凝土桥面板，钢-混组合连续钢板梁整体分析时须考虑桥面板开裂导致的内力重分布，应采用开裂模型分析，因此准确计算出开裂区长度非常重要。

1.1.1国内规范对开裂区的规定

截面抗弯刚度分为开裂截面刚度EIcr和未开裂截面刚度EIuu，计算开裂截面刚度时，不考虑负弯矩区混凝土对刚度的影响，但计入桥面板有效宽度内纵向钢筋的作用。若采用普通钢筋混凝土桥面板，整体分析时应采用开裂分析方法，中支点两侧各0.15L（L为梁的跨度）范围内组合梁截面刚度取开裂刚度EIcr，其余区段组合梁截面刚度取未开裂截面刚度EIuu。

1.1.2欧洲规范[5]对开裂区的规定

混凝土桥面板开裂区长度应通过应力计算求得，一般通过2次整体分析完成。

（1）一次分析：也称非开裂分析，全桥通长所有截面的截面特性均考虑混凝土强度的贡献，一次分析结果中，若标准组合下截面混凝土上缘最大拉应力大于2fctm（其中fctm=0.3fck2/3，fck为混凝土的棱柱体强度。），则在二次分析中认为该截面混凝土已经开裂。由上述方法，可确定中墩顶两侧混凝土桥面板开裂区段。

（2）二次分析：也称开裂分析，处于开裂区的混凝土桥面板仅考虑其中钢筋的刚度进行整体分析，计算结构内力并用于验算。若桥梁任意相邻两跨跨径之比大于0.6，不采用任何支点升降措施，且采用现浇混凝土桥面板，则可直接取中支点两侧各0.15倍跨径的范围作为开裂区进行分析。

1.2剪力钉数量

研究方向：桥梁工程设计。作者简介：侯俊勇(1991,04-)，男，汉族，河南商丘人，硕士研究生，助理工程师，-83-

设计创新TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

2019年22期钢-混组合梁的连接件宜采用剪力钉，剪力钉受力均匀，方便施工，可以很好的保证钢梁和混凝土桥面板的有效组合并共同承担作用。国内规范计算剪力钉数量方法主

（按开裂模型计算）；要分为2类：（1）内力控制法（2）承载

（按未开裂模型计算）能力控制法。剪力钉配置数量与钢梁

和混凝土桥面板间的剪力成正比关系，因此以下仅给出水平剪力的计算方法。

1.2.1内力控制法

规定的内力控制法即是《公路钢结构桥梁设计规范》

计算方法，其纵向水平剪力计算原则如下：

（1）剪力钉的设计作用包括仅包括形成组合截面之后的各种荷载；（2）根据开裂模型求得的剪力计算钢与混凝土结合面上纵桥向单位长度水平剪力时，应按未开裂截面进行计算。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）第11.4.3条，混凝土板和钢梁结合面上单位长度纵桥向水平剪力按下式计算：

Vld=VdS/Iuu其中：Vd-组合梁截面的剪力设计值；Iuu-组合梁的未开裂截面惯性矩；S-桥面板对组合梁截面中和轴的面积矩。

1.2.2承载能力控制法

《钢-混凝土组合桥梁设计规范》承载能力控制法即是

规定的计算方法，其纵向水平剪力计算原则如下：负弯矩剪跨区段内混凝土板和钢梁接触面的纵向剪

力Vs应按下列方法确定：

Vs=Artfsd其中：Art-受拉区混凝土桥面板有效宽度范围内的纵

（mm2）（MPa）向钢筋截面面积；fsd-钢筋抗拉强度设计值。

2工程实例2.1工程背景

钢-混组合连续钢板梁桥位于深汕特别合作区深汕大

（2标段）（36+60+44）道扩建提升工程，跨径为m，采用双工

字型断面，钢板梁跨中高度2.3m，中支点高度3.2m，边支点高度分别为2.1m和2.3m，混凝土板板厚为0.25m，腹板间距7.0m，横梁间距4.0m，桥梁全宽12.5m，剪力钉采用

城-A级；D25伊180。设计荷载标准：机动车道数：3车道；设

计车速：50km/h。设计基准期：100年；设计安全等级：一级；耐久性设计环境类别：I类。钢-混组合连续钢板梁总体布置和横断面图如图1和图2所示。

2.2空间模型

采用MidasCivil2019建立空间梁格模型，主梁采用双工字型断面，主梁单元长1m。全桥共5075个单元，3819个节点，空间模型如图3所示。

2.3开裂区长度计算（1）按国内规范计算开裂区长度

图1主桥总体布置图（单位：cm）

（单位：图2主桥横断面（跨中和位置）cm）

图3（36+60+44）m钢-混组合连续钢板梁空间模型

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2019年22期TechnologyInnovationandApplication

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A

A

设计创新图4标准组合桥面板应力图

由1.1节理论方法，计算得中支点开裂区长度如表1所示：

（按国内规范）表1中支点开裂区长度位置 开裂长度（m） 中支点1 中支点1 中支点2 中支点2 （左） （右） （左） （右） 5.4 9 9 6.6 （2）按欧洲规范计算开裂区长度

整体分析中考虑桥面板开裂引起内力重分配问题，通过非开裂模型进行计算，若模型标准组合下混凝土桥面板上缘拉应力超过2fctm=2伊0.3fck2/3=6.84MPa（桥面板采用C60混凝土），则判断截面处于开裂区。混凝土板应力图如图4所示，图中A区域表示上缘拉应力超过6.84MPa；负弯矩区开裂区长度如表2所示。

（按欧洲规范）表2中支点开裂区长度

位置 开裂长度(m) 中支点1 中支点1 中支点2 中支点2 （左） （右） （左） （右） 15 6 10 12 通过对比表1和表2，国内和欧洲规范对于负弯矩区开裂区长度的计算结果相差较大。对于等跨径钢-混组合连续钢板梁，国内规范可以适用；但是对于不等跨径钢-混组合连续钢板梁，须通过未开裂模型应力分析，精确确定开裂区长度。

2.4剪力钉数量计算

国内外规范对于剪力钉的抗剪承载力的规定不尽相同[6]，在此不再进行对比，选取《公路钢结构桥梁设计规范》计算剪力钉的抗剪承载力。

依据《公路钢结构桥梁设计规范》11.4.4条，圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力按下式计算：

1/2

Vsu=min{0.43Asu（Ecfcd），0.7Asufsu}其中：Asu-焊钉杆径的截面面积；fcd-混凝土轴心抗压

强度设计值；fsu-焊钉材料的抗拉强度最小值。

本工程采用的剪力钉规格为：D25伊180；混凝土规格为：C60。主梁剪力钉布置如图5所示，横桥向每排布置6根。通过以上参数，计算得剪力钉抗剪承载力为：Vsu=135.2kN。

（1）按内力控制法计算剪力钉数量

（即按1.2节内力控制法的计算理论《公路钢结构桥梁

设计规范》计算理论），计算得剪力钉数量见表3。其中：L0-计算得顺桥向剪力钉间距；L-实际选取顺桥向剪力钉间距；其他参数含义详见1.2节。

（2）按承载能力控制法计算剪力钉数量

（即按1.2节承载能力控制法的计算理论《钢-混凝土

组合桥梁设计规范》计算理论），计算得剪力钉数量见表4。

其中：L0-计算得顺桥向剪力钉间距；

（内力控制法）表3剪力钉数量及计算过程中参数值

L-实际选取顺桥向剪力钉间距；其他

参数名称 Vd S Iuu Vld Vsu L0 L 参数含义详见1.2节。单位 N mm3 mm4 N/m N mm mm 通过对比表3和表4，内力控制法参数值 6.3E+06 2.0E+08 6.3E+11 2012.3 1.4E+05 403.1 400.0 和承载能力控制法对于负弯矩区剪力

钉数量的计算结果相差较大。前者计表4剪力钉数量及计算过程中参数值（承载能力控制法）

算得剪力钉数量与桥面板和钢梁间的参数名称 Art fsd Vs Vsu L0 L 2实际剪力值有关，计算理论合理，并偏单位 mm MPa N N mm mm （横桥向）图5主梁剪力钉布置图

参数值 6.0E+04 3.3E+02 2.0E+07 1.4E+05 513.0 500.0 渊下转88页冤

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设计创新TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

2019年22期监视，用于监视各传感器输入输出点的运行情况。

机架上配备有触摸屏以便于人机交互，同时安装了防护罩，目的是一定程度上降低装配机构产生的噪音，在每一个开关门上均安装了开门断电保护装置，可以有效防止因误操作和设备故障等原因造成的伤害。

5结束语

本设备自从调试完成进入生产阶段后，在生产现场一直运行良好，生产效率由人工装配的9s/件缩短到3s/件，月产量由原来的72000件/月提高到216000件/月，设备在运行过程中稳定性好，装配质量高。通过对压紧圈和绝缘胶垫的工艺分析，进而研发出一

自动装配、自动卸台实现压紧圈和绝缘胶垫的自动上料、

料的自动装配设备。针对手工装配效率低的情况，本设备采用气动分割器作为旋转动力，实现多工位的并行装配，提高了生产效率；针对手工校正效率低下问题，特采用扩口撑爪使绝缘胶垫顺利到达压紧圈所需要的凹槽位置，避免了装配后还需要校正的问题。综上所述，该自动装配设

减少了人员备的投入使用，大幅降低了工人的劳动强度、

配置、提高了生产效率并保证了质量的一致性，因此具有很强的应用前景。

参考文献院

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方案设计[J].现代制造技术与装备，[2]王文红.PLC和触摸屏在塑料片材收卷机中的应用[J].机械与电子，

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[3]张武琨.PLC控制与继电控制电路差异分析[J].中国新通信，2013（11）：48.

图6卸料工位和皮带传送工位图7电气控制界面

渊上接85页冤

于保守；后者计算得剪力钉数量与剪跨区桥面板配置的钢

筋数量有关，配置钢筋数量越多，剪力钉数量越多，方法科学性存疑。通过以上的对比分析，建议设计过程中采用内

（即计算理论）力控制法《公路钢结构桥梁设计规范》计算

剪力钉数量。

3结论

基于不同的国内外规范，对钢-混组合连续钢板梁负弯矩区开裂区长度和剪力钉数量2个问题进行对比分析，得出以下结论及设计建议：

（1）国内和欧洲规范对于负弯矩区开裂区长度的计算结果相差较大。国内规范适用于等跨径钢-混组合连续钢板梁；但是对于不等跨径钢-混组合连续钢板梁，须通过未开裂模型应力分析，精确计算开裂区长度。

（2）内力控制法和承载能力控制法对于负弯矩区剪力钉数量的计算结果相差较大。前者计算得剪力钉数量与桥面板和钢梁间的实际剪力值有关，计算理论合理，并偏于

保守；后者计算得剪力钉数量与剪跨区桥面板配置的钢筋

数量有关，计算方法科学性存疑。建议设计过程中采用内

（即计算理论）力控制法《公路钢结构桥梁设计规范》计算

剪力钉数量。参考文献院

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