天津市市政工程设计研究院天津300051
摘要：主梁高度是工字钢叠合梁最为重要的设计参数，对叠合梁的强度、刚度、屈曲稳定性能和极限承载能力等主要性能起决定作用。本文以一座叠合梁桥为背景，研究在不同设计设计思路下，梁高对结构性能及经济性能的影响，探讨叠合梁桥经济梁高的取值，为同类工程提供设计参考。
关键词：叠合梁；用钢量；经济梁高；有限元
0引言
主梁高度是工字钢叠合梁最为重要的设计参数。传统的叠合梁桥为了减少截面的用钢量，通常采用尽量薄的腹板，由此带来的屈曲稳定问题则通过设置加劲肋进行解决，即“多加劲肋、薄腹板”设计思路；随着桥梁工业化建造形式的逐渐普及，过多的加劲肋往往会增加制造和加工上的成本，从而使得整体消减腹板厚度的做法不经济，因此目“少加劲肋、厚腹板”的设计思路逐渐发展。两种不同的设计思路对叠合梁桥合理梁高的影响，值得探讨。本文以某30m叠合梁桥为基础，分别在两种设计思路下，研究梁高对结构性能及经济性能的影响，探讨叠合梁桥经济梁高的取值。
1设计参数选取
叠合梁桥需要满足强度、刚度以及稳定性等要求。考虑到应用叠合梁的中小跨径梁桥刚度一般不作为控制条件，设计中主要关注强度和稳定性两个要求，其中强度要求分为两点，抗弯和抗剪。抗弯强度主要通过关注控制截面应力，即跨中和支点截面的应力来满足，而抗剪主要通过控制腹板的剪应力来满足；屈曲稳定性要求则根据不同的设计思路通过改变竖向加劲肋布置或增大腹板等构造要求满足。
2结构性能经济性能比较
2.1结构刚度
桥梁结构设计过程中，主梁不仅要满足界面应力控制条件的限制，还必须满足结构刚度控制条件的要求。截面刚度主要与截面的惯性矩有关，一般来说，在设计内力（截面设计弯矩）给定的情况下，惯性矩与梁高成正比关系。梁高对于叠合梁的刚度具有决定性因素，高梁在结构刚度上明显优于矮梁。
2.2极限承载能力
比较各梁高叠合梁桥达到极限承载能力状态时对应的荷载系数，可以发现矮梁略高于高粱，但差距不是很大，基本可以认为其极限承载能力相同。但矮梁叠合梁桥拥有更大的塑性位移，结构破坏前可以提供一定的预警作用。
2.3用钢量
2.3.1“多加劲肋、薄腹板”叠合梁桥
分别统计不同的设计梁高下，叠合梁桥的工字形钢主梁截面用钢量、加劲肋等附属结构用钢量以及总用钢量，相关结果如0所示。
图1不同梁高叠合梁桥用钢量
由上图可知，随着主梁高度的降低，矮梁截面必须要在上下翼缘板增加更多的面积来满足抗弯强度要求，，用钢量呈不断增加的趋势；而从屈曲稳定性能考虑，因此随着梁高降低，加劲构件的用钢量不断降低。钢板梁钢板构件的总用钢量与截面用钢量及加劲肋用钢量都有关系，梁高参数的改变对于二者用钢量的影响是相反的。但从占总用钢量的比例来看，主梁截面相对于加劲肋更有优势，所以随着主梁梁高的不断降低，总的用钢量变化趋势是不断升高的。
2.3.2“少加劲肋、厚腹板”叠合梁桥
分别统计不同的设计梁高下，叠合梁桥的工字形钢主梁截面用钢量、加劲肋等附属结构用钢量以及总用钢量，相关结果如0所示。
图2不同梁高少加劲肋形式叠合梁桥用钢量
由上图可知，随着主梁高度的升高，竖向加劲肋由于高度增加，其用钢量稍有增加，但由于加劲肋用钢量总体较小，因此对叠合梁的总用钢量不构成决定因素。主梁工字钢截面，随着主梁高度的升高，由惯性矩增加带来的翼缘板用钢量减小的好处逐渐被为了保持屈曲稳定性所增厚的腹板用钢量所抵消，因此随着主梁高度的升高，无论是主梁截面的用钢量还是总用钢量均呈现出先降低再升高的趋势，并在1750mm梁高（高跨比约为1/20）下达到了最经济的用钢量。
2.3.3两种设计思路的对比
采用“多加劲肋、薄腹板”的设计思路时，钢板梁总用钢量随着梁高的增加而递减，即梁高越高经济性能越好；而采用“少加劲肋、厚腹板”时，钢板梁总用钢量随着梁高的增加先减少后增加，即想要达到经济性能最优，梁高不能超过一定的限度，对于中小等跨径叠合梁桥，在高跨比达到1/20时用钢量达到最小值。“少加劲肋、厚腹板”叠合梁桥由于加劲肋结构大大简化使得后期的加工制造成本显著降低，其综合经济性能可能会更好。
3结语
在满足设计应力及结构稳定性能的条件下，合理最优的梁高主要由桥梁的刚度、承载能力和经济性能三个因素决定：
（1）从桥梁结构刚度的角度出发，在满足设计强度的前提下，叠合梁的惯性矩与梁高基本成正比关系，因此高粱叠合梁桥的刚度显著优于矮梁叠合梁桥。
（2）从结构的承载能力角度出发，矮梁叠合梁桥主梁截面用钢量的增加对极限承载能力的提高并不十分明显，但矮梁叠合梁桥拥有更大的塑性位移，结构破坏时可以提供一定的预警作用。
（3）从结构的经济性能角度出发，采用“多加劲肋、薄腹板”和“少加劲肋、厚腹板”两种不同的设计思路下的钢板梁用钢量随主梁梁高的变化趋势是不同的。
（4）综合考虑桥梁结构刚度、经济性能、极限承载能力性能以及“少加劲肋”的工业化建造形式叠合梁桥不断推广，对于中小跨径的叠合梁桥，建议的高跨比取值为1/20左右。
参考文献：
[1]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京.人民交通出版社，2005
LIUYu-qing.Steel-concreteCompositeBridge[M].Beijing.ChinaCommunicationsPress.2005
[2]张通，简支钢板组合梁桥合理截面构造研究，2014，长安大学