鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法

齊偉杰

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽 550004）

鋼混組合梁橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法

齊偉杰

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽 550004）

總結(jié)了鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和發(fā)展前景，并探討了該結(jié)構(gòu)體系存在的設(shè)計(jì)難題和要點(diǎn)。從構(gòu)造、截面和體系三個(gè)層次，歸納了鋼混組合梁橋的四個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題——鋼混連接構(gòu)造、負(fù)彎矩區(qū)開裂、負(fù)彎矩區(qū)底板屈曲和整體橫向穩(wěn)定，提出了設(shè)計(jì)對策和解決方法，推進(jìn)鋼混組合梁橋在我國的應(yīng)用實(shí)踐。

組合梁橋；設(shè)計(jì)難題；要點(diǎn)和方法；連接構(gòu)造；負(fù)彎矩區(qū)；傾覆穩(wěn)定

0 引言

近年來我國基礎(chǔ)設(shè)施大力建設(shè)，各種建筑材料得到了深入的挖掘以適應(yīng)各種類型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)。混凝土一直是18世紀(jì)以來主要的建筑功能材料，而近年來伴隨著鋼材制造技術(shù)的進(jìn)步，鋼材越來越多地應(yīng)用到土木工程的建設(shè)中。在現(xiàn)代土木工程向可持續(xù)化和經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展的情形下，合理利用建筑材料力學(xué)性能，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，降低工程的建設(shè)成本成為結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的關(guān)鍵[1-2]。組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性，在保證不同材料良好連接的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮了各自的結(jié)構(gòu)性能，在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越得到重視。

鋼混組合結(jié)構(gòu)是鋼材和混凝土兩種建筑材料在同一受力截面的組合設(shè)計(jì)。鋼混組合結(jié)構(gòu)充分利用了混凝土抗壓性能好、鋼材抗拉能力足的優(yōu)勢，而回避了混凝土抗裂性差、鋼材受壓易屈曲等問題，在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下能獲取最優(yōu)的資源配置，同時(shí)使得橋梁結(jié)構(gòu)輕型、跨越能力大、多變、美觀且可施工性強(qiáng)[3]。論文通過探討鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確其設(shè)計(jì)優(yōu)勢和需要關(guān)注的問題；其后針對鋼混組合梁橋的若干關(guān)鍵問題，提出設(shè)計(jì)要點(diǎn)和所采用的方法，推進(jìn)鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)體系在我國的推廣應(yīng)用。

1 鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要素

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

梁橋結(jié)構(gòu)主要以受彎為主，為了充分發(fā)揮鋼材和混凝土的性能，一般將鋼材布設(shè)在底緣作為主要承拉結(jié)構(gòu)，將混凝土設(shè)置頂部作為主要承壓部分。這種設(shè)置方法一方面可以將鋼梁作為混凝土施工的模板，另一方面將混凝土設(shè)置在頂部可以更好地與橋梁鋪裝連接。根據(jù)這種設(shè)置方法，相比較于鋼梁橋和混凝土梁橋，鋼混組合梁橋具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

（1）構(gòu)型輕巧、強(qiáng)度高、施工簡便。鋼混組合梁橋其結(jié)構(gòu)自重顯著小于混凝土梁橋，可以實(shí)現(xiàn)更大的跨越。作為支撐模板的鋼梁，可以通過先架設(shè)鋼梁，支撐混凝土橋面板的施工，以解決梁段起重架設(shè)過大的問題，可以將鋼梁分段制作和吊裝。

（2）易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)品化。通過將鋼梁和橋面板分別進(jìn)行分段預(yù)制，可以在工廠進(jìn)行流水線式操作，同時(shí)減少野外作業(yè)時(shí)間，并提高施工建設(shè)質(zhì)量。鋼梁段和混凝土段在現(xiàn)場可以進(jìn)行專業(yè)的組裝連接，快速且精度高，而且施工不受季節(jié)限制。

（3）受力優(yōu)越性。鋼混組合梁充分利用鋼材抗拉強(qiáng)度優(yōu)勢規(guī)避混凝土容易開裂的問題。另外，混凝土作為支撐鋼梁的上部結(jié)構(gòu)，可以增加其臨界失穩(wěn)系數(shù)，同時(shí)避免了鋼梁直接與車輛活載的作用，減少了不必要的鋼梁疲勞失效問題。

1.2 結(jié)構(gòu)難題與設(shè)計(jì)要素

鋼混組合梁橋除了具有上述設(shè)計(jì)優(yōu)勢外，仍然存在一些問題，只有在解決這些設(shè)計(jì)難題的基礎(chǔ)上，才能完全發(fā)揮鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)品化發(fā)展。

首先，構(gòu)造層面。鋼與混凝土的完好連接是保證鋼混組合共同受力的關(guān)鍵，但由于鋼混連接的復(fù)雜性，較難掌握在復(fù)雜受力狀態(tài)下連接的可靠性，是否存在滑移，以及滑移是否影響結(jié)構(gòu)受力安全等。

其次，截面層次。設(shè)計(jì)為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)型式的組合梁橋，面臨負(fù)彎矩區(qū)開裂問題。連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋，在中支點(diǎn)區(qū)域承受負(fù)彎矩作用，由于混凝土的抗裂性差，必須采取相關(guān)措施，降低負(fù)彎矩的開裂風(fēng)險(xiǎn)，才能保證組合梁橋梁的使用性能[4]。此外，負(fù)彎矩區(qū)底部鋼板處于受壓狀態(tài)，這對于鋼梁的局部穩(wěn)定影響很大，容易發(fā)生腹板和底板局部屈曲問題。

最后，結(jié)構(gòu)整體層次。關(guān)系到組合梁橋的橫向穩(wěn)定安全。組合梁橋的結(jié)構(gòu)自重較輕，橫向?qū)挾却蟮倪B續(xù)梁橋，特別是采用中間點(diǎn)鉸支撐設(shè)計(jì)的，其橫向穩(wěn)定性能很差，例如2012年8月24日哈爾濱陽明灘大橋的垮塌事故，該橋梁就是采用組合梁橋型式，同時(shí)中支座為點(diǎn)鉸支撐[5]。

2 鋼混組合梁橋關(guān)鍵難題的設(shè)計(jì)方法

鋼混組合梁橋除了上述結(jié)構(gòu)優(yōu)勢外，在設(shè)計(jì)中仍然有如下構(gòu)造、截面和結(jié)構(gòu)整體等層次的關(guān)鍵難題，需要在設(shè)計(jì)中考慮和解決。

2.1 構(gòu)造層次的鋼混連接設(shè)計(jì)

鋼混組合梁橋涉及鋼材和混凝土的連接問題，這兩種材料的彈性模量、變形性能等都存在較大差異，為了使得兩種材料能夠協(xié)同變形和受力，需要采用良好的構(gòu)造措施將鋼混連接形成整體。鋼混連接設(shè)計(jì)的目的是保證鋼材向混凝土材料剛度的平緩過渡；其次需要防止連接界面的相對滑移和掀開，使得連接緊密且變形協(xié)調(diào)。隨著組合梁橋的研究發(fā)展，目前已有型鋼連接、栓釘連接、組合連接件、嵌入連接等多種模式。

鋼混連接層次還需要考慮滑移所帶來的對鋼梁和混凝土橋面板的影響，這一般需要在承載能力極限狀態(tài)考慮。而滑移問題所帶來的是失效模式的確定，如果假定連接完好則可以采用彈性假定計(jì)算；如果存在滑移則需要考慮彈塑性計(jì)算，一般鋼混組合梁橋都需要采用彈塑性理論計(jì)算截面的極限承載能力。

2.2 截面層次的負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)

鋼混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)底板鋼梁處于受壓狀態(tài)，很容易發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)。而這種局部屈曲一旦形成，就會(huì)向結(jié)構(gòu)體系層次擴(kuò)散，造成整個(gè)梁體的破壞。底板防屈曲可以設(shè)置多道加勁肋，由于負(fù)彎矩區(qū)底板和腹板應(yīng)力水平高，很容易發(fā)生屈曲，加勁肋需要設(shè)置在腹板上，并適當(dāng)增加板件厚度，使得構(gòu)造和應(yīng)力可控。此外還可以通過在支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域澆筑全截面混凝土，將負(fù)彎矩區(qū)鋼板包裹起來，則完全消除底板屈曲問題。

鋼混組合橋負(fù)彎矩區(qū)還有頂板混凝土開裂問題，特別是在活載作用下負(fù)彎矩較大導(dǎo)致頂板拉應(yīng)力很大。解決負(fù)彎矩區(qū)開裂可以采用如下方式：

（1）橋面板滯后鋼梁結(jié)合。通過先澆筑結(jié)合跨中區(qū)域的橋面板，使得鋼梁預(yù)先進(jìn)行變形，同時(shí)消除跨中區(qū)域混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合的收縮徐變效應(yīng)，最后結(jié)合負(fù)彎矩區(qū)域的橋面板，降低其開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）支座位移法。通過在施工中調(diào)整中支座的位移，使得負(fù)彎矩區(qū)混凝土形成預(yù)壓效果，主要實(shí)施方法是在架設(shè)完成鋼梁后頂升中支座，等橋面板澆筑完成后將中支座放到原來位置，形成預(yù)壓效果，如圖1所示。

圖1 支座位移法解決負(fù)彎矩開裂問題

（3）施加中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力。在負(fù)彎矩區(qū)容易開裂的地方施加預(yù)應(yīng)力，使得儲(chǔ)備一定的頂板壓應(yīng)力，這些壓應(yīng)力用于抵抗運(yùn)營期間產(chǎn)生的頂板拉應(yīng)力，從而降低頂板開裂的風(fēng)險(xiǎn)，一般用于大跨徑的組合梁橋。

2.3 體系層次的橫向穩(wěn)定設(shè)計(jì)

梁橋的傾覆機(jī)理就是在外界荷載作用下，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)繞著一個(gè)軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，一旦達(dá)到翻轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)，梁橋結(jié)構(gòu)就變成機(jī)動(dòng)體系，從而導(dǎo)致整體式的傾覆破壞。組合梁橋的設(shè)計(jì)中，需要保證傾覆軸的傾覆側(cè)具有盡可能小的車輛荷載作用，降低傾覆彎矩的大小，可以通過下述方法降低傾覆風(fēng)險(xiǎn)：

（1）應(yīng)該妥善采用大曲率或者直線的獨(dú)柱墩型式梁橋，獨(dú)柱墩中間一般采用單點(diǎn)支撐或者距離很近的雙點(diǎn)支撐，因而其抗扭性能有限。

（2）改善獨(dú)柱墩的橫向支座間隔，增加抗扭性能?，F(xiàn)如今很多匝道橋和立交橋采用獨(dú)柱墩，如果是雙支座型式，需要在設(shè)計(jì)條件下增加橫向支座間隔，如果是單點(diǎn)支撐型式，需要對支座進(jìn)行必要的外側(cè)移動(dòng)，或直接將橋墩和梁體進(jìn)行固結(jié)處理。

（3）進(jìn)行必要的橫向穩(wěn)定構(gòu)造處理。對于穩(wěn)定力矩較小的梁橋結(jié)構(gòu)，可以采用抗拉支座或者設(shè)置豎向抗拉鋼筋的方法，為梁橋的橫向穩(wěn)定設(shè)置安全儲(chǔ)備。

（4）開發(fā)支座受力狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。對于易受重載車輛作用而傾覆的彎橋，需要對敏感位置的支座設(shè)計(jì)必要的監(jiān)測方法，以明確支座在使用中是否存在脫空問題，并根據(jù)運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行必要的加固或者改善。

3 結(jié)語

鋼混組合梁橋近年來開始廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中，該結(jié)構(gòu)型式充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的優(yōu)勢，降低施工建造成本。論文詳細(xì)總結(jié)了鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要素，對其優(yōu)勢和前景進(jìn)行了分析，并對鋼混組合梁橋的四個(gè)設(shè)計(jì)難題——鋼混連接構(gòu)造、負(fù)彎矩區(qū)開裂、負(fù)彎矩區(qū)底板屈曲和整體橫向穩(wěn)定，提出了具體的設(shè)計(jì)對策和解決方法。

[1]馮建剛,秦志軍,趙秀文.鋼混組合箱梁橋設(shè)計(jì)與施工[J].公路交通科技（技術(shù)版）,2010,6（6）:6-8.

[2]鄭和暉,巫興發(fā),黃躍,等.鋼-混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂措施[J].中外公路,2014,34（5）:152-155.

[3]王猛.鋼-混凝土連續(xù)組合梁的設(shè)計(jì)分析[J].城市道橋與防洪, 2014（12）:53-55.

[4]彭?xiàng)澞?聶建國,郭帥.曲線鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)與施工[J].市政技術(shù),2006,24（6）:367-371.

[5]王成林.對哈爾濱陽明灘大橋倒塌的思考[J].科技視界,2012（30）: 300.

U448.21+6

B

1009-7716（2017）09-0088-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.025

2017-04-17

齊偉杰（1986-），男，貴州黔西人，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。