預應力鋼—混組合梁截面設計及比選

孔祥群

摘要：預應力鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋一般采用箱型、工字形、槽型等截面梁，本文通過對比劉家窯橋改造工程、永定門城樓南廣場橋梁工程兩個項目的工字形和箱型截面，從技術、經(jīng)濟、施工等方面分析比較了不同截面預應力鋼-混組合梁的優(yōu)缺點，并著重給出這兩種截面適用的橋梁形式。本文簡單介紹了預應力鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋箱型、工字形、槽型等多種截面型式及其特點。并通過對比不同項目的截面設計，從技術、經(jīng)濟、施工等方面分析比較了工字形和箱型截面的優(yōu)缺點，并給出其適用的橋梁形式，以期對類似的橋梁設計具有一定的借鑒作用。

關鍵詞：預應力鋼-混組合梁;截面設計;比選

前 ?言

混凝土橋梁雖然短期養(yǎng)護費用低，但自重大、工期長、鹽害與性能退化問題不可回避;鋼橋則存在疲勞、壓屈、腐蝕、振動、噪聲等問題;組合結構橋梁可以充分利用鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)點、彌補各自缺點，從鋼橋與混凝土橋中找到結合點，使結構設計、施工、維修更趨合理。因此，在今后的橋梁建設中，這種結構形式的應用前景是非常廣闊的。

一、預應力鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋截面形式簡介

預應力鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋的主梁除了在跨中部分承受正彎矩外，在支點附近還要抵抗較大的負彎矩，在進行截面設計時往往要加強截面底部的受壓區(qū)，因此一般采用箱型、工字形、槽型等截面梁。閉合截面組合箱梁橋主要是用混凝土橋面板承擔上緣壓應力。箱形截面整體性強，橫向抗彎剛度大，對預施應力、運輸、安裝單梁的穩(wěn)定性好，而且由于截面的閉合特性，抗扭剛度大，內(nèi)力分布比較均勻。組合鋼板梁橋是通過使用連接件把鋼板梁與混凝土橋面板加以組合，抗彎剛度能夠大幅度提高，減小梁高，增大跨徑。工字形截面結構簡單，制作和施工容易，用鋼量小，其下翼緣提高了截面的穩(wěn)定性，但橫向抗彎剛度小，抗扭能力差，在預制、運輸、吊裝階段的穩(wěn)定性較差。

二、截面比較

1.主梁設計

橫截面變形后仍為平面，且仍垂直于縱向面，只作相對轉(zhuǎn)動?？v向面之間互無擠壓，為單向拉、壓狀態(tài)以上就是彎曲平面假設（實際上，對純彎曲問題，橫截面保持為平面的結論可由桿件受力的對稱性直接導出）

從強度方面考慮，合理的截面形狀應該是截面積較小，而抗彎截面模量較大。一般情況，抗彎截面模量與截面高度的平方成正比，因此，當截面積一定時，應將較多的材料配置在遠離中行軸的部位，必然會提高材料的利用率。在相同截面積的情況下，工字形截面的抗彎截面模量就要大于矩形、正方形、圓形等。而箱型斷面，將孔開在了中性軸附近，也充分發(fā)揮了材料的潛力。截面的正應力和剪應力與疊合梁截面慣性矩，也就是抗彎截面模量有著很大關系，也就是說，抗彎截面模量越大，正應力越小。而工字形和箱型截面的抗彎截面模量相對于其他截面來說，都較大。因此對于受彎構件，從抗彎設計角度來說，工字形和箱型截面都有一定的優(yōu)勢，但工字形截面就抗彎性能來說其截面利用率高于箱型截面。

2.施工工藝

預應力鋼-混組合梁施工均為在預制廠預制鋼梁制作段，運輸?shù)浆F(xiàn)場后進行吊裝、拼接，然后以鋼梁為平臺，澆筑橋面板混凝土連接成整體。這種方法利用了鋼梁自重輕、承載能力強的特點，可以降低對機具設備與臨時設施的要求，同時體現(xiàn)了快速施工的特點。下面就從鋼梁加工、鋼梁運輸與安裝、后期維護三方面分析不同截面的優(yōu)缺點。

2.1 鋼梁加工。焊接對鋼結構的加工無疑是最重要的環(huán)節(jié)之一。如果沒有相應的焊接工藝質(zhì)量保證，則任何一個鋼結構都難以達到設計指標。每片工字形截面梁僅有頂板、底板和一根腹板，且均外露。焊接空間充足，方便焊接操作，構件少，工作量也小，能更好的保證焊接質(zhì)量。其截面簡單，也便于進行噴砂除銹及噴涂防銹層處理。而且由于是開口截面，梁高沒有限制。比如：劉家窯橋改造工程鋼-砼組合梁最矮處僅僅高0.85米，除去橋面板，鋼結構部分僅高0.58米。而箱型截面設有兩根腹板，又有底板和翼板，在箱中不便于焊接操作。構件相對較多，焊接量大。尤其是在焊接箱中的內(nèi)部構造，如橫隔板、豎向加勁肋等的時候，焊接的空間較小，給焊接工作帶來了一定困難。箱型截面底板設置縱向加勁肋，腹板亦設置豎向加勁肋，給噴砂除銹及噴涂防銹層也帶來了一定的困難。

2.2 鋼梁運輸、安裝。通常預應力鋼-混組合梁的安裝都是在彎矩零點（1/4）跨徑處搭設臨時支架以減小施工跨徑，從而減小鋼梁部分的施工內(nèi)力。但也要考慮現(xiàn)場情況，進行分段。工字形截面抗扭能力差，如果跨徑太大在運輸和吊裝過程中容易造成變形，因此應控制工字形截面梁的跨徑。但單根梁自重較小，從這方面來說，又便于運輸和吊裝。箱形截面抗扭剛度大，便于運輸和吊裝，但單根梁自重較大，也從一定程度上限制了制作段劃分的合理性。鋼梁制作段吊裝到位后，就要進行鋼梁的連接了。通常是在預制廠打好孔后到現(xiàn)場采用高強螺栓栓接。工字形截面頂、底、腹板均外露，拴接方便，且截面尺寸小，如：劉家窯橋改造工程，單片工字梁頂板僅寬0.4米，底板0.6米，又只有一根腹板，栓接量小，能更好的保證施工精度。而箱形截面，相對截面尺寸較大，如：永定門城樓南廣場橋梁工程，底板寬4.06米，每片翼板寬0.7米，又設有兩根腹板，且還要到鋼箱中進行操作，空間小，栓接量大，施工困難。

2.3 后期維護。建成的橋梁為保證長期正常安全使用，進行經(jīng)常性的維修養(yǎng)護工作則是必須進行的。隨著時間的推移，部分橋梁還可能會出現(xiàn)不能適應使用要求的加固改造問題。從橋梁的發(fā)展趨勢可以看出，現(xiàn)在不僅要追求橋梁建設時的造價最小，而且更注重將來的維護管理甚至解體時的費用最少，即所謂的壽命期間的費用最低。工字形截面各部分均暴露于空氣中，就有利于今后對其進行觀測及維修，從而降低后期維護費用。而箱形截面部分在閉合空間內(nèi)，很難對其進行觀測，如出現(xiàn)問題，不利于維修。

三、結束語

中國地域廣闊人口眾多，未來的交通發(fā)展仍然需要修建大量的橋梁，面對各種不同的建設條件以及經(jīng)驗教訓的總結，迫切需要提高橋梁耐久性、使用性、環(huán)保性和景觀性，并降低工程造價。合理的選擇橋梁結構和截面也越來越被人們所重視了。通過對預應力鋼-混組合梁工字形和箱型截面對比，我們可以看出，應根據(jù)每個工程的特點合理的選擇截面形式才能使設計達到最優(yōu)化。

參考文獻：

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