中小跨徑鋼混組合梁橋的幾點(diǎn)體會(huì)與思考

摘 要：鋼-混凝土組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)形式，目前推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)已成為為公路和市政行業(yè)一項(xiàng)重大技術(shù)政策，而中小跨徑鋼混組合梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮了混凝土材料的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，回避了鋼橋面鋪裝的疲勞問(wèn)題，符合工廠化制造、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配式施工的現(xiàn)代橋梁建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前鋼-混組合梁在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，作者就鋼-混組合梁的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，談了一些體會(huì)及思考，供參考。

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.21+6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）18-0143-02

1 中小跨徑鋼混組合梁橋概述及應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼-混凝土組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)形式，主要通過(guò)在鋼梁和混凝土橋面板之間設(shè)置剪力連接件，使兩者成為一個(gè)整體而共同工作。將抗拉性能強(qiáng)的鋼和抗壓性能強(qiáng)的混凝土合理地用在構(gòu)件的拉伸區(qū)及其壓縮區(qū)，最大限度追求高性能、經(jīng)濟(jì)性是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。同時(shí)由于其裝配化的特點(diǎn)也帶來(lái)了優(yōu)良的可施工性能。

中小跨徑橋梁在建設(shè)中應(yīng)用較廣，而我國(guó)中小跨徑橋梁大多采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。相比較而言，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁僅1877座，僅占橋梁總數(shù)的0.25%，組合梁橋占比更少。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家如法國(guó)、日本、美國(guó)等鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比分別為85%、41%和35%。

我國(guó)的組合結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)90年代我國(guó)組合結(jié)構(gòu)橋梁才開(kāi)始發(fā)展，工程應(yīng)用大多零散出現(xiàn)，大規(guī)模應(yīng)用尚未出現(xiàn)。由于基礎(chǔ)理論和研究的滯后，以及缺乏相應(yīng)的指南或者規(guī)范，即使采用組合結(jié)構(gòu)橋梁，往往經(jīng)濟(jì)指標(biāo)偏高，不能充分體現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2 中小跨徑鋼混組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼混組合梁主要可分為傳統(tǒng)小間距鋼板梁（以美國(guó)、日本為代表）和大間距少主梁（以雙主梁為典型，以法國(guó)、日本為代表）兩種主要形式。

2.1 小間距多主梁鋼混組合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

日本傳統(tǒng)小間距組合梁典型橫斷面布置是主梁間距不超過(guò)4m（以前的日本規(guī)范為3m），以2.5～3.8m為宜，橋面板的懸臂長(zhǎng)度在1.5m以?xún)?nèi)，采用這樣的主梁間距橋面板可以采用鋼筋混凝土橋面板，跨中板厚可以控制在26cm以?xún)?nèi)，懸臂根部板厚可以控制在36cm以?xún)?nèi)。通常一個(gè)車(chē)道設(shè)置一根主梁。傳統(tǒng)小間距組合梁主要適用的跨徑為20～50m，在此跨徑范圍內(nèi)且梁高有一定限制時(shí)，小間距鋼混組合梁是一種較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。而且能夠適用于斜橋和彎橋，但是斜交角度一般控制在60°以上，以70°以上為宜。由于鋼板梁的抗扭剛度較小，用于曲線時(shí)應(yīng)按彎橋設(shè)計(jì)，考慮翼緣彎矩產(chǎn)生的次應(yīng)力，并應(yīng)加強(qiáng)平面縱向聯(lián)系等措施。

2.2 大間距雙主梁鋼混組合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，日本從20世紀(jì)80年代末也開(kāi)始對(duì)鋼混組合梁橋的承重體系進(jìn)行研究，大幅減少橫撐和腹板加勁肋的同時(shí)，開(kāi)始采用大間距鋼混組合梁，把2車(chē)道公路橋的主梁由原來(lái)的4根減少到2根。

大間距鋼混組合梁橋采用鋼混組合橋面板或者預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，因此主梁的數(shù)量減少，橫梁、橫聯(lián)等結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化或者省略，較少的主梁數(shù)量也可以減少鋼結(jié)構(gòu)的加工、運(yùn)輸和安裝成本，當(dāng)跨徑達(dá)到50～60m且梁高不受限制時(shí)采用大間距鋼板梁比較經(jīng)濟(jì)，其典型的斷面形式也是雙主梁。

法國(guó)從1980年代前后開(kāi)始集中力量進(jìn)行鋼混組合結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)研究，建設(shè)了許多具有前瞻性的橋梁。其中，在鋼混組合梁方面，對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅度的簡(jiǎn)化，把雙主梁的鋼混組合梁當(dāng)成中小跨徑新建橋梁的主流。法國(guó)于1985年制定了雙主梁組合鋼板梁橋設(shè)計(jì)指南《Steel-Concrete_Composite_Bridges_Sustainable_Design_Guide》，1990年又加以改定并擬定）。

3 鋼混組合梁橋的幾點(diǎn)體會(huì)與思考

3.1 材料與構(gòu)造

如前所述，日本和法國(guó)的鋼混組合梁的發(fā)展過(guò)程也是伴隨著構(gòu)造不斷簡(jiǎn)化的過(guò)程，鋼結(jié)構(gòu)橋梁不同于混凝土橋梁的一個(gè)很重要的特點(diǎn)，是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較小，穩(wěn)定和疲勞問(wèn)題更加突出，對(duì)應(yīng)的就是構(gòu)造和細(xì)節(jié)措施特別多，有些構(gòu)造細(xì)節(jié)是隨著理論的發(fā)展能夠計(jì)算出來(lái)的，有些構(gòu)造細(xì)節(jié)是計(jì)算不清楚需要根據(jù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)擬定出來(lái)的。雖然目前中小跨徑的鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的很多構(gòu)造細(xì)節(jié)已經(jīng)有成熟的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范上也有相應(yīng)的規(guī)定，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中仍需要知其然更需要知其所以然，如此方能知道哪些部位結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化，哪些部位需要進(jìn)行加強(qiáng)。如鋼板梁的設(shè)計(jì)中某些板件的尺寸和構(gòu)造的設(shè)置是不符合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于穩(wěn)定的要求的，后來(lái)與規(guī)范編制人員咨詢(xún)知其規(guī)定的尺寸和構(gòu)造要求只適用于一般純鋼板梁，組合梁截面由于中性軸的上移，鋼梁受壓區(qū)的縮短，則沒(méi)必要為了穩(wěn)定要求設(shè)置尺寸和構(gòu)造的限制。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料、構(gòu)造和細(xì)節(jié)跟計(jì)算分析同等重要，甚至更重要，不能只重計(jì)算而忽略構(gòu)造細(xì)節(jié)。

3.2 組合梁橋面板

中小跨徑鋼混組合梁橋面板包括RC鋼筋混凝土橋面板、PC預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板以及SC鋼混組合橋面板。目前國(guó)內(nèi)SC組合橋面板實(shí)際應(yīng)用還不多，四川省目前有相應(yīng)的地標(biāo)，但在設(shè)計(jì)理念上，還需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步合理化和適應(yīng)化。

隨著主梁根數(shù)減少、間距擴(kuò)大，要求橋面板具有更高的跨越能力和耐久性能，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋面板已經(jīng)不能滿足要求。歐美等國(guó)大多使用高強(qiáng)混凝土及施加橫向預(yù)應(yīng)力的方法，并進(jìn)一步采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，提高混凝土品質(zhì)，降低收縮徐變的不利影響。但預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板存在重量大、施工質(zhì)量要求高等問(wèn)題。從20世紀(jì)80年代末期，日本對(duì)鋼混組合橋面板進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，通過(guò)車(chē)輪行車(chē)疲勞試驗(yàn)、有限元分析等理論研究和試驗(yàn)，證明組合橋面板不僅具有與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面同等的承載能力和耐久性，并且具有重量輕、施工方便和翻新拓寬費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

組合橋面板作為一種新型橋面板構(gòu)造形式，通過(guò)底部設(shè)置鋼板上部設(shè)置混凝土，并通過(guò)焊釘或者開(kāi)孔板連接件進(jìn)行連接，形成組合形式橋面板結(jié)構(gòu)。鋼混組合橋面板兼顧了混凝土橋面板和正交異性橋面板的優(yōu)勢(shì)：①增加了橋面板的剛度和強(qiáng)度，通過(guò)鋼板包裹混凝土提高橋面板的整體剛度，還能充分利用混凝土抗壓性能和鋼材抗拉性能，提高橋面板整體承載力；②相對(duì)于混凝土橋面板降低了橋面板的容重，可以實(shí)現(xiàn)更大跨越，同時(shí)相對(duì)于正交異性鋼橋面板可以和瀝青鋪裝更好的結(jié)合，提高了行車(chē)平穩(wěn)性和橋面板耐久性；③鋼混組合橋面板中鋼板還能作為模板直接提供混凝土的澆注平臺(tái)，免去模板材料和支撐架設(shè)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)快速吊裝施工。因此，鋼混組合橋面板可作為今后高性能橋面板應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

3.3 主梁縱向整體計(jì)算

對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)橋面板縱向設(shè)計(jì)計(jì)算，由于施加預(yù)應(yīng)力效果的不理想，現(xiàn)在常用的設(shè)計(jì)方法是允許開(kāi)裂并限制裂縫寬度的設(shè)計(jì)方法，但是《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.3條和《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》7.5條均只給出計(jì)算方法和相應(yīng)的規(guī)定，并未明確給出橋面板縱向設(shè)計(jì)的原則和方法。國(guó)內(nèi)目前實(shí)踐主要是參照德國(guó)DIN規(guī)范（與Euro4規(guī)范一致），根據(jù)裂縫寬度限值采用限制鋼筋應(yīng)力和最大鋼筋直徑的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋面板橫向設(shè)計(jì)計(jì)算，由于鋼混組合結(jié)構(gòu)的混凝土橋面板與混凝土橋的鋼筋混凝土橋面板在受力性能和工作性能上都存在一定的差異，不能簡(jiǎn)單套用混凝土橋面板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，鋼混組合橋梁的混凝土橋面板必須考慮縱梁剛度的影響。對(duì)于具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)而言，為了設(shè)計(jì)的方便和直觀，一般會(huì)采用一些近似的簡(jiǎn)化算法。對(duì)于橋面板的橫向簡(jiǎn)化計(jì)算，美國(guó)ASSHTO和日本規(guī)范有關(guān)于混凝土橋面板計(jì)算法方法的規(guī)定，就是采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法，但是如前所述，日本規(guī)范的大間距鋼板梁僅限于梁間距6m，故對(duì)于目前較大間距的雙主梁鋼混組合梁來(lái)說(shuō)，并不適用，所以目前對(duì)這種大間距雙主梁鋼混組合梁橋面板橫向計(jì)算依然只能通過(guò)通用有限元軟件直接采用彈性支撐的連續(xù)板進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，工作量較大，對(duì)設(shè)計(jì)人員的理論水平要求也較高。

3.4 負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)

改善組合梁橋負(fù)彎矩的抗裂性能，可以通過(guò)如下手段進(jìn)行解決：

（1）橋面板滯后結(jié)合。通過(guò)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(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。這種方法需要調(diào)整橋面板的現(xiàn)澆工序，可以較為方便地應(yīng)用于預(yù)制拼裝橋面板，對(duì)于完全現(xiàn)澆的橋面板，則施工工序調(diào)整較為繁瑣，降低施工效率。這種方法也大量應(yīng)用于城市高架及跨海大橋建設(shè)中，該方法可以降低開(kāi)裂可能性，但是不能完全消除。

（2）支座位移法。通過(guò)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(lái)位置，形成預(yù)壓效果。該方法施工過(guò)程很簡(jiǎn)單，實(shí)施效果也很明顯，但是需要對(duì)中支點(diǎn)鋼梁進(jìn)行加固以方便頂升，還需要具有足夠的空間安放頂升裝置。該實(shí)施方法可以消除開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但需要進(jìn)行精確的計(jì)算分析。

（3）跨中壓重。同樣是在施工過(guò)程中，在鋼梁架設(shè)完成后，通過(guò)對(duì)中跨進(jìn)行預(yù)壓配重，并在混凝土橋面板澆筑完成后，釋放跨中壓重，使得負(fù)彎矩區(qū)形成預(yù)壓效果?？缰袎褐胤椒▋H限于中小跨徑橋梁，對(duì)于大跨橋梁增加壓重可能對(duì)鋼梁造成損傷或者形成破壞。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于國(guó)內(nèi)組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用較少，我國(guó)在組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究及應(yīng)用方面相對(duì)滯后，組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)指南或者規(guī)范也尚不完善，設(shè)計(jì)組合結(jié)構(gòu)橋梁基本參考國(guó)外規(guī)范或者是其他行業(yè)規(guī)范，所以設(shè)計(jì)和推廣這種結(jié)構(gòu)存在一定難度。對(duì)于新技術(shù)的推廣應(yīng)用，工程經(jīng)濟(jì)性和實(shí)踐檢驗(yàn)十分重要。不關(guān)心工程經(jīng)濟(jì)性難以得到推廣應(yīng)用；不經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)推廣存在出現(xiàn)系統(tǒng)性問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。

目前推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)已成為為公路及市政行業(yè)一項(xiàng)重大技術(shù)政策，而中小跨徑鋼混組合梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮了混凝土材料的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，回避了鋼橋面鋪裝的疲勞問(wèn)題，符合工廠化制造、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配式施工的現(xiàn)代橋梁建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)，在做好細(xì)部節(jié)點(diǎn)及連接構(gòu)造設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)并加強(qiáng)理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

收稿日期：2018-5-20

作者簡(jiǎn)介：張麗娟（1979-），女，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事橋梁工程設(shè)計(jì)方面工作。