公路钢结构桥梁设计规范-JTGD64-2015-11组合梁

1、11 钢-混凝土组合梁吴 冲同济大学桥梁工程系公路钢结构桥梁设计规范1 前言钢梁截面组合截面组合结构桥梁主要构件钢结构砼桥面板剪力连接件 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong27.1 一般规定钢梁截面形式工形跨径40m11.1 一般规定钢梁截面形式开口箱梁(槽形梁)11.1 一般规定钢梁截面形式钢箱梁 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong511.1 一般规定混凝土桥面板施工钢桥临时支撑无支撑：仅承担二期恒载与活载有支撑：共同承担恒载与活载施工顺序先正弯矩区后负弯矩区施工方法现浇施工方便收缩徐变较大预制安装+湿接缝预制板与钢梁有

2、间隙收缩徐变较小现浇混凝土桥面板11.1 一般规定现浇混凝土桥面板7预制安装：上海长江大桥:105m组合梁钢梁制作 浇筑砼桥面板11.1 一般规定 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong8浙江省台州市椒江二桥半封闭钢箱组合梁桥梁顶板宽39.6m（含风嘴42.5m），处高度3.5m（不含铺装）。腹板横向间距为8.46m和15.0m，横隔板纵向间距4.5m桥面板标准厚度260mm，上翼缘设140mm砼承托；在边跨78m范围的桥面板加厚到400mm（无承托）用钢量：14533t（410kg/m2） 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong

3、9浙江省台州市椒江二桥浙江台州椒江二桥 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong10浙江省台州市椒江二桥浙江台州椒江二桥 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong1111.1 一般规定连接件的形式（1）钢筋连接件 型钢连接件 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong1211.1 一般规定连接件的形式（2）圆柱头焊钉连接件 开孔钢板连接件 11.1 一般规定11.1.2考虑混凝土板剪力滞影响的混凝土板翼缘有效宽度可按附录F计算。F.0.1组合梁各跨跨中及中间支座处的混凝土板有效宽度 按下式计算，且不应大于混

4、凝土板实际宽度：F.0.2简支梁支点和连续梁边支点处的混凝土板有效宽度 按下式计算F.0.3混凝土板有效宽度 沿梁长的分布可假设为如图F.0.1b)所示的形式。连续组合梁等效跨径混凝土板有效宽度沿梁长分布组合梁截面尺寸11.1 一般规定11.1.2考虑混凝土板剪力滞影响的混凝土板翼缘有效宽度可按附录F计算。F.0.4预应力组合梁在计算预加力引起的混凝土应力时预加力作为轴向力产生的应力可按实际混凝土板全宽计算由预加力偏心引起的弯矩产生的应力可按混凝土板有效宽度计算。F.0.5对超静定结构进行整体分析时，组合梁混凝土板有效宽度可取实际宽度。F.0.6混凝土板承受斜拉索、预应力束或剪力件等集中力作用

5、时，可认为集中力从锚固点开始向两侧按扩散角233在混凝土板中传递。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong1511.1.3 温度梯度和混凝土徐变收缩等引起的截面应力增量计算基于有效弹性模量的虚拟荷载法求解思路假定钢梁与混凝土之间无连接，混凝土桥面板在温度、收缩等作用下产生自由形变c根据混凝土桥面板的应变及有效弹性模量求解虚拟荷载 P0 ；将该虚拟荷载P0反向施加于混凝土桥面板形心上，使混凝土桥面恢复形变c 恢复钢梁与混凝土板之间的连接，释放P0 ，求解截面应力将以上3 个步骤的应力进行叠加(a) 组合截面(b) 自由状态(c) 结合状态(d) 应变分布 同济大学

6、 吴冲 Tongji University, Wu Chong1611.1.3温度梯度和混凝土徐变收缩等引起的截面应力增量计算组合截面各位置处的应力增量可按下式计算混凝土桥面板钢梁截面P0 ：虚拟荷载，通过混凝土的在作用（或荷载）效应下的应变求解；M0 ：虚拟荷载由于偏心产生的弯矩；A0L ：换算截面面积；I0L ：换算截面惯性矩；yc0L ：混凝土桥面板所求应力点至换算截面中和轴的距离；ys0L ：钢梁所求应力点至换算截面中和轴的距离。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong1711.1.3混凝土徐变收缩和温差 混凝土的徐变计算中，混凝土的徐变通常采用徐变系数

7、(t, )来描述。在时刻开始作用于混凝土的单向不变应力至时刻t所产生的徐变应变可以表示为 式中，Ec为混凝土弹性模量；ee为混凝土弹性应变，。式中：Ec为混凝土弹性模量；e为混凝土弹性应变 (t, )是时间的函数，随时间t的增加单调增加，随加载时刻t的增加单调减小； (, )为t时的最终徐变系数，或简称为徐变系数 ，一般情况下，t=的徐变系数在14之间11.1.3 温度梯度和混凝土徐变收缩等引起的截面应力增量计算虚拟荷载的确定：徐变引起的简支梁永久作用截面应力增量钢材与混凝土的有效弹性模量比 nL长期荷载作用下钢与混凝土的有效弹性模量比； n0短期荷载作用下钢与混凝土的弹性模量比n0=Es/E

8、c ；f(t,t0)加载龄期为 ，计算龄期为 时的混凝土徐变系数，根据现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62的相关规定取值； yL根据荷载类型确定的徐变因子，永久作用取1.1, 由强迫变形引起的预应力作用取1.5。超静定结构中混凝土收缩徐变引起的效应宜采用有限元方法计算。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong1911.1.3温度梯度和混凝土徐变收缩等引起的截面应力增量计算虚拟荷载的确定：混凝土收缩产生的效应应按现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62的相关规定计算砼收缩引起的截面应力增量钢材与混凝土的有效弹性模量比yL 混

9、凝土收缩作用取0.55 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong2011.1.3温度梯度和混凝土徐变收缩等引起的截面应力增量计算虚拟荷载的确定温度作用引起的截面应力增量温度荷载作用下有效弹性模量：nL=n0 整体升降温度矩形温度梯度梯形温度梯度（参照公路桥涵设计通用规范JTG D60的相关规定）11.2 承载能力极限状态计算11.2.1 抗弯计算应符合以下规定：1计算组合梁抗弯承载力时，应考虑施工方法及顺序的影响，并应对施工过程进行抗弯验算，施工阶段作用组合应符合现行公路桥涵设计通用规范JTG D60的规定。施工方法的影响钢梁受力：按钢梁截面计算砼未达到强度或砼板

10、与钢梁组合之前的荷载和作用由钢梁承担，如：安装阶段的钢梁自重；无支架施工的混凝土重量等；组合梁受力：按组合梁换算截面计算砼达到强度或砼板与钢梁组合之后的荷载和作用由组合梁承担，如：有支架施工，而且砼达到强度之后一次落架的混凝土重量等；桥面铺装、栏杆等重力活载温度、砼收缩徐变、支座沉降等 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong2211.2 承载能力极限状态计算11.2.1 抗弯计算应符合以下规定：2组合梁抗弯承载力应采用线弹性方法计算 i 表示不同的应力计算阶段。其中，i=I 表示未形成组合梁截面（钢梁） 的应力计算阶段；i= II表示形成组合梁截面之后的应力计算

11、阶段。 Md,i对应不同应力计算阶段，作用于钢梁或组合梁截面的弯矩设计值 Weff,i对应不同应力计算阶段，钢梁或组合梁截面的抗弯模量（mm3） fd 钢筋、钢梁或混凝土的强度设计值（MPa）(11.2.1-1)基本假定加劲肋宽厚比满足3类截面有效截面按4 类截面计算假定应力应变成正比，（应力沿高度线形变化）不考虑剪力连接件滑移的影响 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong2311.2 承载能力极限状态计算3 组合梁抗弯承载力的计算应考虑剪力滞效应的影响。4 计算组合梁负弯矩区抗弯承载力时，如考虑混凝土开裂的影响，应不计负弯矩区混凝土的抗拉贡献，但应计入混凝土板

12、翼缘有效宽度内纵向钢筋的作用应力计算正弯矩：换算截面法负弯矩：不考虑砼，考虑有效宽度内的钢筋承载能力极限状态应力验算（边缘屈服）混凝土构件正截面的最大压应力scfcd；钢结构应力ssfsd，钢筋应力scsfcsd 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong24截面应力计算：换算截面法钢弹性模量Es和混凝土弹性模量Ec之比n0：换算截面的几何特性：换算截面面积：混凝土板和钢梁形心的距离；换算截面换算惯性矩11.2 承载能力极限状态计算 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong25截面应力计算：换算截面法弯矩M作用或将作用在梁上的弯矩M分解

13、为混凝土板和钢梁承担的弯矩Mc和Ms；以及力偶Na：11.2 承载能力极限状态计算 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong2611.2 承载能力极限状态计算截面应力计算：换算截面法轴力N0作用11.2 承载能力极限状态计算11.2.2 抗剪计算应符合以下规定：1 组合梁截面的剪力应全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土板的抗剪作用。2 组合梁截面抗剪验算应符合以下规定：Vd组合梁截面的剪力设计值（N）； Vu组合梁截面的抗剪承载力（N）； fvd钢材的抗剪强度设计值（MPa）；Aw 钢梁腹板的截面面积（mm2）。3 组合梁承受弯矩和剪力共同作用时，应考虑两者耦合的影响

14、，按本规范其他章节的相关规定进行验算。11.2.3组合梁的混凝土板应进行纵向抗剪验算。11.2.4组合梁中的钢梁及连接件应进行疲劳验算。11.2.5组合梁应进行整体稳定性验算。(11.2.2-1) 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong289. 桥面板纵向抗剪计算防止混凝土桥面板在连接件的纵向劈裂作用下发生破坏抗力：可利用混凝土的抗剪能力和钢筋的抗剪能力，同时对混凝土的最小截面进行限制效应：应考虑形成组合作用以后，各种可能在钢梁与混凝土桥面板之间产生纵向剪力的情况，包括短期和长期效应。应分别验算图所示的纵向受剪界面a-a、b-b、c-c及d-d纵向抗剪承载力At

15、：混凝土板顶部附近单位长度内钢筋面积的总和（mm2）；Ab： 混凝土板底部单位长度内钢筋面积的总和（mm2）；Abh： 承托底部单位长度内钢筋面积的总和（mm2）11.3 正常使用极限状态计算11.3.1 组合梁应满足本规范4.2节规定的变形限值要求。11.3.2组合梁的变形计算应符合以下规定：1 当计算组合梁正常使用极限状态下的挠度时简支组合梁截面刚度采用考虑滑移效应的折减刚度当连续组合梁考虑混凝土开裂影响时中支座两侧 范围以外区段组合梁截面刚度采用考虑滑移效应的折减刚度中支座两侧 范围以内区段组合梁截面刚度采用开裂截面刚度。11.3 正常使用极限状态计算11.3.2组合梁的变形计算应符合以

16、下规定：2 组合梁考虑滑移效应的折减刚度B应按下式计算：(11.3.1-1)11.3 正常使用极限状态计算11.3.2组合梁的变形计算应符合以下规定：Iun组合梁截面未开裂截面惯性矩（mm4）；刚度折减系数，当 时，取 ；Ac混凝土板的截面面积（mm2）；A钢梁的截面面积（mm2）；Is钢梁的截面惯性矩（mm4）；Ic混凝土板的截面惯性矩（mm4）；dsc钢梁截面形心到混凝土板截面形心的距离（mm）；h组合梁的截面高度（mm）；l组合梁的等效跨径（mm）；k连接件刚度系数 k= Vsu (N/mm), Vsu为圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力p连接件的平均间距（mm）；ns连接件在一根梁上的列数；

17、n0 钢材与混凝土的弹性模量比。11.3 正常使用极限状态计算11.3.3混凝土板的最大裂缝宽度应按现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62的相关规定进行计算，并应满足相应的限值要求。连续组合梁负弯矩区组合梁混凝土板的受力行为接近于混凝土轴心受拉构件，按混凝土轴心受拉构件计算负弯矩区组合梁混凝土板最大裂缝宽度。作用短期效应组合引起的开裂截面纵向受拉钢筋应力 ：钢筋混凝土板预应力混凝土板11.4 连接件设计11.4.1连接件的选用应符合以下规定：1 连接件的选用应保证钢和混凝土有效组合并共同承担作用。2 连接件宜具备一定的剪切变形能力。3 不同形式的连接件不宜在同一截面混合使用

18、。11.4.2连接件的设计应符合以下规定：1 应能抵抗钢梁和混凝土板之间的水平剪力和掀起作用。2 应验算钢和混凝土结合面上的纵横向水平剪力。3 在承载能力极限状态下，连接件应按下式进行抗剪验算： V1d 承载能力极限状态下单个连接件承担的剪力设计值（N）； Vsu单个连接件的抗剪承载力（N）。4在正常使用极限状态下，连接件抗剪验算应满足下式要求： Vr 正常使用极限状态下单个连接件承担的剪力设计值（N）。(11.4.2-1)(11.4.2-2)11.4 连接件设计11.4.3纵桥向水平剪力计算应符合以下规定：1 钢与混凝土结合面上纵桥向水平剪力应按未开裂分析方法进行计算2钢与混凝土结合面上单位

19、长度纵桥向水平剪力V1d应按下式计算Vd形成组合截面之后作用于组合梁截面的剪力（N）S 混凝土板对组合梁截面中和轴的面积矩（m3）； Iun组合梁的未开裂截面惯性矩（m4）。(11.4.3-1)11.4 连接件设计11.4.3纵桥向水平剪力计算应符合以下规定：3预应力集中锚固力、混凝土收缩徐变或温差引起的组合梁结合面上的最大单位长度纵桥向水平剪力Vms ，应按下式进行计算：在梁跨中间：在梁端部：Vs预应力集中锚固力、混凝土收缩徐变或温差的初始效应在钢和混凝土结合面上产生的纵桥向水平剪力；lcs 预应力集中锚固力、混凝土收缩徐变或温差引起的纵桥向集中剪力在结合面上的水平传递长度，取主梁相邻腹板间

20、距和主梁长度的1/10两者中的较小值。(11.4.3-2)(11.4.3-3)11.4 连接件设计11.4.4 圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力应按下式进行计算：Vsu单个圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力（N）；Asu焊钉杆径的截面面积（mm2）；fcd混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；fsu焊钉材料的抗拉强度最小值（MPa）。11.4.5 开孔板连接件的单孔抗剪承载力应按下式进行计算：dp开孔板的圆孔直径(mm)；ds贯通钢筋直径(mm)； fcd混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；fsd贯通钢筋抗拉强度设计值（MPa）。(11.4.4)(11.4.5) 同济大学 吴冲 Tongji Univer

21、sity, Wu Chong3711.4 连接件设计 抗剪连接件疲劳计算(GB50917-2013)疲劳荷载模型：采用现行行业标准规定的车道荷载形式，其集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.3qk，计算时应计入多车道的影响，多车道系数按现行行业标准的相关规定计算。抗剪连接件的疲劳容许剪力幅 N L =0.2Nvc (7.3.3) 抗剪连接件的疲劳验算 Ff N p N L / Mf (7.3.1-1) N p = N p ,max -N p ,min (7.3.1-2) Ff 疲劳荷载分项系数，取1.0； Mf疲劳抗力分项系数，对重要构件取1.35，对次要构件取1.15； N p抗剪连接件按疲劳

22、荷载模型计算得到的剪力幅（N）； N L连接件疲劳容许剪力幅（N），可按本规范第7.3.3 条计算；N p ,max ，N p ,min无限疲劳寿命验算疲劳荷载模型按影响线最不利加载 求得的最大和最小剪力（N）。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong3811.4 连接件设计组合梁连接处剪力在组合梁连接处产生剪力的荷载主要有：恒载、活载、预应力、混凝土干燥收缩、混凝土板与钢梁间的温差等。（一）恒载与活载产生的剪力竖向剪力Q产生的钢筋混凝土桥面板与钢梁间的剪力单位长度的剪力TQ为式中：Q为作用于组合梁的剪力；ac为组合梁形心至混凝土桥面板形心的距离；Ac为混凝土桥

23、面板的面积；Sc为混凝土桥面板对组合梁形心的面积矩；I0为组合梁的换算截面惯性矩；n为钢梁弹性模量与混凝土弹性模量之比。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong3911.4 连接件设计（二）预应力、干燥收缩和温差产生的剪力施加于混凝土板中预应力、混凝土干燥收缩和混凝土板与钢梁间的温差产生的组合梁连接处剪力主要集中在主梁端部。日本道路桥示方书规定，干燥收缩和温差产生的组合梁连接处剪力的传递范围仅在梁端部分，传递范围的计算长度l为主梁间距a或L/10（L为组合梁梁长），剪力大小由梁端向跨中方向按三角形分布逐渐递减。 梁端单位长度最大剪力 式中：c为上述荷载在混凝土板

24、形心处产生的应力， Ac为混凝土板截面面积11.5构造11.5.1 圆柱头焊钉连接件应符合以下构造要求：1焊钉连接件长度不应小于4倍焊钉直径，当有直接拉拔力作用时不宜小于焊钉直径的10倍。2焊钉连接件的最大中心间距应符合以下规定：1）圆柱头焊钉连接件剪力作用方向中心间距不应大于 ， tf为焊接位置处的钢板厚度；2）受压钢板边缘与相邻最近的焊钉连接件边缘距离不应大于 ；3）焊钉连接件的最大中心间距不宜大于3倍混凝土板厚度且不宜大于300mm。3 焊钉连接件剪力作用方向中心间距不应小于直径的5倍且不应小于100mm；剪力作用直角方向中心间距不宜小于直径的4倍。4 焊钉连接件的外侧边缘至钢板自由边缘

25、的距离不应小于25mm。5 焊钉连接件直径不宜大于焊接处钢板厚度的1.5倍。(11.5.2)11.5构造11.5.2开孔板连接件应符合以下构造要求：1 当开孔板连接件多列布置时，其横向间距不宜小于开孔钢板高度的3倍。2 开孔板连接件的钢板厚度不宜小于12mm。3 开孔板孔径不宜小于贯通钢筋与最大骨料粒径之和。4 开孔板连接件的贯通钢筋直径不宜小于12mm，应采用螺纹钢筋。5 圆孔最小中心间距应符合以下规定：t开孔板连接件的钢板厚度（mm）； l相邻圆孔的中心间距（mm）；dp 圆孔直径（mm）； fvd开孔钢板抗剪强度设计值（MPa）；Vsu 开孔板连接件的单孔抗剪承载力（N）。(11.5.2

26、) 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong4211.6 连续梁 预加荷载法问题：连续梁的支点附近因有负弯矩导致顶板混凝土受拉，使混凝土开裂。对策：为了抵抗负弯矩产生的拉应力，常用的措施有预加荷载法、调整支点标高法或设置预应力钢筋等对混凝土板负弯矩区预施压力等方法。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong4311.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施问题：连续梁的支点附近因有负弯矩导致顶板混凝土受拉，使混凝土开裂预加荷载法钢梁施工完后，首先在正弯矩区段浇注混凝土和施加一定的临时荷载，使得支点附近钢梁负弯矩区段产生足够的预应力然后在预

27、应力状态下浇注负弯矩区段混凝土，混凝土达到设计强度后，撤去临时荷载。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong4411.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施调整支点标高法在钢梁架设后将中间支点抬高，这虽与预应力没有直接关系，但可达到将支点下降后改善跨中部分钢梁应力过大的目的。浇注桥面板混凝土，待其硬化后，将中间支点下降，这样便产生了预应力。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong4511.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施混凝土板负弯矩区预施压力体内预应力体外预应力 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Ch

28、ong4611.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施限制混凝土裂缝宽度方法在混凝土板中配置足够的钢筋可以将混凝土板的裂缝宽度限制在容许值以内。通常混凝土的裂缝宽度限制在0.2mm以内时，可以满足结构的耐久性的要求。若钢筋应力在100MPa以下时，配筋率在1以上，混凝土裂缝宽度可以限制在0.2mm以下。钢筋应力在180200MPa时，若配筋率在1.5以上，周长率在0.04cm/cm2以上，可将混凝土裂缝宽度限制在0.2mm以下。其中这里的配筋率指桥轴方向钢筋截面总面积和混凝土板截面积之比，周长率指上述钢筋周长总和与混凝土板截面积之比。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu

29、Chong4711.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施后结合预应力混凝土桥面板方法采用先张法或后张法预制混凝土桥面板，张拉预应力后将混凝土桥面板与钢梁组合。钢梁上翼缘焊钉连接件采用群钉或后浇接缝，张拉预应力后后在预留孔或后浇接缝处灌注高强砂浆可对负弯矩区混凝土板有效施加预应力，采用的预制混凝土桥面板可以减小混凝土收缩徐变对结构的影响。 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong4811.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施后结合预应力连续组合梁（NCN-2） 同济大学 吴冲 Tongji University, Wu Chong4911.6 连续梁 连续组合梁桥负弯矩区措施后结合预应力连续组合梁（NCN-2） 预制预应力混凝土板