鋼混組合箱梁橋結(jié)構(gòu)特性及關(guān)鍵設(shè)計難題研究

陶高飛

（廣州市恒津路橋設(shè)計咨詢有限公司，廣東 廣州 511495）

0 引言

組合結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材和混凝土各自優(yōu)異的力學(xué)性能，使得組合后的結(jié)構(gòu)性能不僅發(fā)揮了各自材料特點，還有效地回避了兩種材料的劣勢，在近年來得到了廣泛的應(yīng)用。常見的組合結(jié)構(gòu)型式有鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋、鋼桁組合梁橋等，其中鋼箱組合梁橋延續(xù)了箱型梁抗彎及抗扭性能好、可施工性強、受力性能優(yōu)異等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在高速公路的跨線橋設(shè)計中[1,2]。

本文首先分析了鋼混組合箱梁橋的技術(shù)特點，總結(jié)了其技術(shù)優(yōu)勢；其后，對鋼混組合箱梁橋的關(guān)鍵設(shè)計難題進行了詳細(xì)剖析。通過本文相關(guān)研究及總結(jié)，可以為鋼混組合箱梁橋的設(shè)計與施工提供參考。

1 鋼混組合箱梁橋結(jié)構(gòu)特性

鋼混組合箱梁橋的典型結(jié)構(gòu)型式見圖1：通過底板和腹板采用鋼結(jié)構(gòu)型式，顯著地降低了自重，增加其跨越能力；在橋面板設(shè)置混凝土板，提高了橋面板耐久性及局部輪載承載力。

圖1 鋼箱組合梁橋的結(jié)構(gòu)布置圖

綜合而言，鋼箱組合橋梁非常顯著的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：（1）自重小跨越能力強，鋼箱梁在滿足截面抗彎和抗扭性能要求下，具有很小的結(jié)構(gòu)自重，因此其跨越能力顯著增強，減小了下部結(jié)構(gòu)的工程用量。同時也因為鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，有效地減少了中墩支點的負(fù)彎矩，結(jié)構(gòu)的梁高較一般連續(xù)梁低，可以減少橋下凈空的占據(jù)面積，優(yōu)化了橋梁的外形及美觀性能。（2）結(jié)構(gòu)剛度好，橋面使用性能好。相對于鋼箱梁橋，組合鋼箱梁的結(jié)構(gòu)剛度顯著大，具有很好的整體穩(wěn)定性和安全性。同時由于混凝土板比鋼正交異性板更適應(yīng)重載交通，造價低，在使用一定年限后有更新的可能。（3）可施工性強，鋼箱組合梁橋可以通過鋼梁架設(shè)及橋面板預(yù)制分塊實現(xiàn)連接，該施工方法可以形成標(biāo)準(zhǔn)化的工藝，利于大面積地推廣應(yīng)用，采用現(xiàn)場拼裝的施工工藝具有靈活、便捷、快速等優(yōu)勢，對地面交通影響小。此外，鋼結(jié)構(gòu)通過檢查、維護和加強，壽命可達(dá)100 a以上。（4）抗震性能及經(jīng)濟性好，由于比混凝土橋結(jié)構(gòu)自重輕，地震響應(yīng)小，特別適合無支架施工，可以降低成本。

鋼混組合箱梁除了上述技術(shù)優(yōu)勢之外，還有很多關(guān)鍵問題需要解決，主要包括鋼混及其連接構(gòu)造、負(fù)彎矩區(qū)處理、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及局部屈服等問題[3,4]。

2 鋼混組合箱梁橋的設(shè)計難題

2.1 鋼混及其連接構(gòu)造

鋼混組合箱梁橋的構(gòu)造涵蓋鋼梁、混凝土橋面板、鋼混連接等細(xì)節(jié)，對這些細(xì)節(jié)的構(gòu)造處理是建立在結(jié)構(gòu)受力特性的充分認(rèn)識上。

（1）鋼梁的構(gòu)造。包括鋼截面構(gòu)造及加勁結(jié)構(gòu)設(shè)計，組合截面的中性軸一般接近上翼緣混凝土板，這使得正彎矩區(qū)基本處于受拉狀態(tài)，為取消腹板加勁提供了條件。此外，針對負(fù)彎矩區(qū)底板受壓問題，可以附加混凝土板以減小截面受壓區(qū)高度與壓應(yīng)力水平，降低該區(qū)域內(nèi)的板件屈曲可能性。

（2）混凝土橋面板構(gòu)造。混凝土橋面板直接暴露于外部環(huán)境中，受到環(huán)境侵蝕、氣溫變化及汽車荷載等作用，因此其耐久性能備受關(guān)注。中預(yù)制和現(xiàn)澆是目前橋面板主要應(yīng)用型式，這兩種施工方法下橋面板的收縮徐變性能差別很大，需要根據(jù)具體的建設(shè)條件進行選擇。組合橋面板近年來受到重視，不僅可以發(fā)揮混凝土橋面板的受力性能，還能實現(xiàn)橋面板與鋼梁更好的連接，需要在積累現(xiàn)有研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行深入的實踐與分析。

（3）鋼混連接構(gòu)造。隨著組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展，對于鋼混連接問題及其工作性能的認(rèn)識也更加全面，同時對其連接構(gòu)造要求也越來越高。鋼混連接區(qū)域不僅要承擔(dān)剪力作用，還需要承擔(dān)拉拔力；不僅要求滿足承載能力使用要求，保證結(jié)構(gòu)安全，還需要滿足組合結(jié)構(gòu)的整體工作性能，在正常使用情形下具有很好的工作性。連續(xù)組合箱梁橋中，從支點到跨中斷面的受力狀況變化很大，特別是在負(fù)彎矩區(qū)受力問題更加復(fù)雜，需要考慮適宜的連接件型式、布置范圍、設(shè)置間距等參數(shù)，完全基于承載能力的理念設(shè)計連接件是不合適的。

2.2 負(fù)彎矩區(qū)處理

結(jié)合連續(xù)梁在正彎矩的作用下，截面受拉區(qū)是抗拉強度較高的鋼板、受壓區(qū)是抗壓強度較高且更加便宜的混凝土橋面板，鋼材與混凝土各盡其用，組合結(jié)構(gòu)的性能發(fā)揮到了極致。但是在橋墩處的負(fù)彎矩區(qū)，截面受力確實本末倒置，不僅兩種材料的性能未能充分的發(fā)揮，而且橋面板的受力也處于最不利的位置。為了降低負(fù)彎矩區(qū)開裂問題，可以采用配置預(yù)應(yīng)力鋼筋、調(diào)整支座高度、加載配重、部分組合梁等方法實現(xiàn)。

（1）配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。利用預(yù)應(yīng)力鋼筋直接給橋面板施加預(yù)應(yīng)力來抵抗截面因負(fù)彎矩而產(chǎn)生的壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力可以在橋面板與鋼梁形成組合截面之前或之后施加。但是，在形成組合截面之后施加的預(yù)應(yīng)力一部分將被鋼梁分擔(dān)，施加的壓力比較大。采用該方法的優(yōu)點是減小鋼梁截面，有效的抵抗負(fù)彎矩；缺點是在現(xiàn)場施加預(yù)應(yīng)力并不容易，施工周期也比較的長，日后對橋面板的翻新也會有一定的困難。

（2）調(diào)整支座高度。將中間的支座預(yù)先的抬升一個高度，然后澆筑混凝土橋面板，待其硬化后使鋼梁回到設(shè)計位置。抬升支座是鋼梁預(yù)先的產(chǎn)生正彎矩，間接的給橋面板施加預(yù)應(yīng)力。這個方法的優(yōu)點是在梁的全長均施加了預(yù)應(yīng)力。通常情況下，在使用本方法時還要在承受負(fù)彎矩的混凝土處張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋來提升提抗負(fù)彎矩的效果。而且，移動端支點同樣可以達(dá)到中間支點抬升效果，如何選擇，要根據(jù)具體的施工情況。

（3）加載配重。將中間的支座預(yù)先的抬升一個高度，然后澆筑混凝土橋面板，待其硬化后使鋼梁回到設(shè)計位置。抬升支座是鋼梁預(yù)先的產(chǎn)生正彎矩，間接的給橋面板施加預(yù)應(yīng)力。這個方法的優(yōu)點是在梁的全長均施加了預(yù)應(yīng)力。通常情況下，在使用本方法時還要在承受負(fù)彎矩的混凝土處張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋來提升提抗負(fù)彎矩的效果。而且，移動端支點同樣可以達(dá)到中間支點抬升的效果，如何選擇，要根據(jù)具體的施工情況。

（4）部分組合梁。連接件（柔性除外）延梁全長布置，混凝土橋面板在負(fù)彎矩區(qū)就會受到很大的拉應(yīng)力。要減少這個拉應(yīng)力除了以上的幾種方法之外，還可以將負(fù)彎矩區(qū)段設(shè)計稱為非結(jié)合或柔性結(jié)合結(jié)構(gòu)，即在負(fù)彎矩區(qū)段布設(shè)連接件或者僅設(shè)置柔性連接件，這種方法稱為部分組合梁法。采用部分組合梁，在均布荷載的作用下，橋面板負(fù)彎矩區(qū)的拉應(yīng)力能夠顯著的降低，但是在是否設(shè)置連接件的分界處會造成很大的應(yīng)力集中，必須采取相應(yīng)的構(gòu)造措施加以避免，如使橋面板中的縱向鋼筋連續(xù)通過，并且適當(dāng)?shù)募訌姡缓笳咴阡摿荷线m當(dāng)?shù)暮附渝^固鋼筋，起到彈性剪力連接件的作用，達(dá)到一個過渡的效果。

2.3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定與局部屈服

組合箱梁橋的鋼結(jié)構(gòu)局部屈服是關(guān)鍵設(shè)計難題，在施工過程、正常使用及承載能力極限狀態(tài)都有發(fā)生的可能性，通常表現(xiàn)為腹板在彎剪作用下發(fā)生局部屈服或者受壓翼緣的豎向及扭轉(zhuǎn)屈服。組合結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定則表現(xiàn)在與混凝土橋面板結(jié)合前的施工狀態(tài)，特別是對于大跨度連續(xù)組合箱梁橋，以及曲線梁橋結(jié)構(gòu)型式，此外哈爾濱陽明灘引橋發(fā)生的橫向傾覆問題也使得學(xué)者對于鋼混組合箱梁橋在獨柱墩支撐體系下的橫向穩(wěn)定備受關(guān)注。

對于組合箱梁橋的局部屈曲問題，一般可以通過限制板厚比的方式進行設(shè)計，并且配合采用縱橫向加勁肋有效防止。對于整體穩(wěn)定問題，在施工階段需要在槽形鋼梁截面的開口上緣設(shè)置縱橫向斜撐加強穩(wěn)定，并提高抗扭和抗彎剛度，在實際工程中為了滿足施工需要也可以采用閉口箱梁。對于運營過程的橫向穩(wěn)定問題，應(yīng)該盡量避免直線或者接近直線的曲線組合箱梁橋采用獨柱支撐結(jié)構(gòu)體系。

早先的組合梁橋設(shè)計主要關(guān)注截面的抗彎特性，沒有考慮因為橋面板存在使得截面中性軸上移，腹板已經(jīng)大部分處于受拉狀態(tài)，此時仍然設(shè)置較多的縱橫向加勁肋并沒有起到很好的新效果，因此需要采用更加科學(xué)和精細(xì)化的方法，計算結(jié)構(gòu)受力特點，合理優(yōu)化加勁肋的布置，可以減少次要構(gòu)建的數(shù)量，降低養(yǎng)護成本，并減少加工制作費用。

3 結(jié)論

組合梁橋在我國近年來應(yīng)用越來越多，隨著鋼價格的降低，結(jié)構(gòu)性能要求的提高，組合結(jié)構(gòu)型式的橋梁也會越來越受設(shè)計者的關(guān)注。鋼混組合箱梁橋延續(xù)了箱梁結(jié)構(gòu)抗彎及抗扭性能好的優(yōu)勢，被廣泛采用。需要注意的是，雖然組合箱梁橋具有諸多的技術(shù)優(yōu)勢，無論是相對于鋼梁橋還是混凝土梁橋，其技術(shù)優(yōu)勢很多都非常明顯，但尚應(yīng)該注意到鋼混組合梁橋設(shè)計的關(guān)鍵難題，本文詳細(xì)剖析了鋼混及其連接構(gòu)造、負(fù)彎矩區(qū)處理、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及局部屈服等設(shè)計難題，提出了相關(guān)解決方案，提高鋼混組合箱梁橋的技術(shù)與經(jīng)濟競爭力。

[1]邵長宇.大跨度連續(xù)組合箱梁橋的發(fā)展與技術(shù)特點[A].第十七屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集 (上冊)[C].2006.

[2]孫濤.鋼混組合梁橋的設(shè)計要點和方法 [J].城市道橋與防洪,2017(4)：67-69.

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

[4]范洪貴.大跨度連續(xù)組合箱梁橋連接件設(shè)計方法研究[J].交通世界,2017(12)：150-151.