北方地區(qū)公路鋼—混組合鋼板梁橋設計要點及技術對策

秦 飛

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

組合結(jié)構橋梁以其受力的合理性和造價的經(jīng)濟性而在歐美、日本等發(fā)達國家的橋梁建設中占有重要地位。而近年來在交通部“推進鋼結(jié)構橋梁建設”和“綠色公路”等理念的指導下，組合結(jié)構橋梁也在國內(nèi)公路建設中得到了積極的推廣與應用。而北方地區(qū)受低溫嚴寒、冰雪凍融以及冬季除雪等建設條件的影響，組合鋼板梁橋的設計中也存在著諸多問題亟待解決。

1 結(jié)構形式選擇

組合鋼板梁橋一般可根據(jù)主梁數(shù)量，劃分為雙主梁和多主梁兩種結(jié)構形式。而在橋梁方案設計階段，應充分結(jié)合項目的具體建設條件，綜合考慮各方面因素，并以結(jié)構性能優(yōu)越、加工架設便捷、綜合造價經(jīng)濟為基本原則，科學、合理地選擇組合鋼板梁橋的結(jié)構形式。

圖1 鋼板組合梁橋結(jié)構形式

雙主梁方案是組合鋼板梁橋應用最為廣泛的結(jié)構形式。與傳統(tǒng)組合鋼板梁橋相比，雙主梁方案在大量理論與試驗研究的基礎上，對結(jié)構體系與構造進行了大幅的簡化，具有構造簡潔、制造方便、經(jīng)濟耐久等諸多優(yōu)點。因此在無特殊建設條件限制的情況下，對于中等跨徑、三車道以下的公路組合鋼板梁橋可優(yōu)先采用雙主梁方案。而受橋面板橫向跨徑的影響，當橋?qū)捿^小時(B<12.5m)，建議采用橋面板施工較為便捷的小橫梁結(jié)構；而當橋?qū)捿^大時(B>12.5m)，為減小橋面板橫向受力，降低橋梁荷載，則建議選擇大橫梁結(jié)構。

組合梁的橋面板自重所占的荷載比例較高，且后澆施工又使其僅能部分參與受力，考慮到組合梁橋這一受力特點，在以下建設條件限制下，建議優(yōu)先選用組合鋼板梁的多主梁方案。

(1)北方地區(qū)冬季低溫嚴寒的氣候環(huán)境特點顯著增加了鋼結(jié)構脆性斷裂的風險，而雙主梁方案傳力途徑單一、結(jié)構體系冗余度偏低且強健性不足的先天缺陷又更加突顯了這一問題的嚴重性。而多主梁方案可通過荷載的多路徑傳遞，有效地減小鋼結(jié)構脆性斷裂所產(chǎn)生的嚴重后果。因此對于重載交通比例高的干線公路橋梁，多主梁方案具有更好的結(jié)構安全性。

(2)當橋梁跨徑較小時(L≤20m)，雙主梁方案往往需要加大鋼梁高度來滿足受力要求，因此結(jié)構的建筑高度較大。而多主梁方案可以通過增設主梁來降低結(jié)構的建筑高度，并進一步采用熱軋型鋼來替代焊接鋼梁，使結(jié)構的構造更為簡潔，加工制造更為方便。因此對于小跨徑橋梁，多主梁方案具有更好的適應性。

(3)當橋面寬度較寬(B>16.5m)，設計車道數(shù)多于三車道后，雙主梁方案往往需要加厚橋面板來抵抗其橫向彎曲受力，從而大幅增加了組合梁的結(jié)構受力與鋼材用量，降低了其經(jīng)濟性。因此對于寬幅橋梁，多主梁方案具有更好的經(jīng)濟性。

2 鋼梁防疲勞、防脆斷設計

疲勞與脆性斷裂問題是鋼結(jié)構的主要缺點之一，而北方地區(qū)低溫嚴寒的氣候環(huán)境與橋梁的動載效應又進一步加重了這一問題的影響，因此北方地區(qū)組合鋼板梁橋的設計中，應對鋼結(jié)構的疲勞、脆斷問題予以充分的重視。

2.1 鋼材選用

為防止組合梁橋出現(xiàn)疲勞、脆斷破壞，首先應選用有足夠韌性的鋼材。按我國現(xiàn)行規(guī)范要求，公路鋼橋?qū)τ阡摬牡臎_擊韌性要求如表1中所示。

表1 鋼材沖擊韌性要求

而由表2可知，目前我國所生產(chǎn)的低合金高強度結(jié)構鋼與橋梁用結(jié)構鋼均能較好地滿足公路鋼橋?qū)τ阡摬牡臎_擊韌性要求。但當橋梁處于極端低溫(低于-40℃)的工作環(huán)境下時，建議可優(yōu)先選用具有更好沖擊韌性的橋梁用結(jié)構鋼，以進一步降低鋼梁的疲勞、脆斷的風險。

表2 低合金高強度結(jié)構鋼與橋梁用結(jié)構鋼沖擊韌性要求

2.2 板厚及拉應力控制

除受到工作溫度與荷載性質(zhì)的影響之外，鋼板的厚度以及應力狀態(tài)也顯著地影響著鋼結(jié)構的抗疲勞、脆斷性能。因此在組合鋼板梁橋設計中，應進一步對鋼板厚度及使用拉應力進行相應的限制與要求。

我國現(xiàn)行的鐵路鋼橋規(guī)范已在考慮最低設計溫度的同時，進一步結(jié)合焊接方式給出了受拉焊接構件的板件最大厚度及相應拉應力要求。但由于鐵路橋梁的動力效應相比于公路橋梁更為突出，因此相應的要求也十分嚴格。如針對常用的Q345D牌號鋼材，在0～-40℃的工作溫度下，當結(jié)構順應力及垂直應力方向均有焊縫時，按現(xiàn)行鐵路規(guī)范要求，鋼結(jié)構的最大使用板厚僅為35mm，而對應的最大允許設計拉應力也僅為135MPa。因此如教條地遵循鐵路規(guī)范，而不考慮公路橋梁的實際情況，在組合鋼板梁橋設計中將不得不通過加大鋼梁高度、降低設計拉應力來滿足要求，這又將顯著地降低組合鋼板梁橋的適用性與經(jīng)濟性。

隨著近年來國標鋼材的國際化的推進，建議北方地區(qū)組合鋼板梁橋的設計中，可適當參照表3中歐洲鋼結(jié)構規(guī)范中對最大允許使用板厚的相關要求，進一步優(yōu)化、完善低溫嚴寒環(huán)境下的鋼梁防疲勞、脆斷設計。

表3 歐洲鋼結(jié)構規(guī)范最大允許使用板厚(mm)

注：括號內(nèi)為對應的國標鋼牌號

2.3 構造細節(jié)設計

殘余應力與應力集中是鋼結(jié)構疲勞、脆斷破壞的另一主要誘因。公路組合梁橋設計中應力求通過合理的結(jié)構構造，進而有效地降低鋼結(jié)構中殘余應力與應力集中水平，提升鋼結(jié)構的抗疲勞、脆斷性能。

鋼結(jié)構的殘余應力主要是由鋼板焊接所產(chǎn)生，因此在公路鋼混組合鋼板梁橋設計中，為盡量減小殘余應力，應盡量采用大尺寸規(guī)格的鋼板材，以減少拼接焊縫的數(shù)量，并在降低焊縫尺寸的同時，避免焊縫過分集中及多條焊縫交匯。同時，在組合鋼板梁橋現(xiàn)場節(jié)段焊接連接時，應盡量選擇在結(jié)構受力較小的部位，而當不可避免地需在結(jié)構受力較大部位進行連接時，如墩頂位置附近，就應盡量采用高強螺栓來替代焊接連接。

此外在同等加工制造難度下，鋼結(jié)構在板件正交拼接時宜盡可能地設置一定的構造倒角，以減小節(jié)點的應力集中。如在墩頂支承橫梁與主梁翼緣連接處，墩頂橋面板開裂與冬季噴灑除冰鹽的共同作用使得該處連接處于嚴重的腐蝕環(huán)境之下，但由于橋面板的存在，此處連接不但難以檢查，且破壞的后果十分嚴重，因此該處連接應采用熔透焊縫，并盡量設置圓弧倒角，以使應力平順過渡，從而獲得更好的受力性能。

圖2 墩頂附近高強螺栓連接

圖3 主梁與大橫梁上翼緣圓弧倒角過渡

3 混凝土橋面板耐久性設計

橋面板不但直接承受交通荷載，且位于組合鋼板梁橋最頂層，直接暴露在惡劣的工作環(huán)境之下。因此，盡量減小冰雪凍融與除冰鹽對橋面板的侵蝕作用，提高橋面板的耐久性能，一直是北方地區(qū)組合梁橋設計的核心目標。

3.1 橋面板抗裂設計

裂縫是混凝土性能退化、鋼筋銹蝕的主要原因之一，而橋面板縱向拉應力大小及開裂風險又與橋梁跨徑直接相關，所以不同跨徑組合鋼板梁橋所對應的抗裂設計方法也是不同的。

對于數(shù)量眾多、標準化程度較高的中小跨徑橋梁來講，合理、良好的橋面板抗裂設計應在確保結(jié)構耐久性的同時，進一步充分考慮橋梁的工業(yè)化建設要求。因此中小跨徑組合鋼板梁橋應優(yōu)先從結(jié)構設計角度來解決橋面板的抗裂問題，而盡量避免采用支點升降、橋面板分期分段澆注等施工措施。當橋梁跨徑小于20m時，可優(yōu)先采用結(jié)構簡支、橋面連續(xù)的結(jié)構體系，從而有效規(guī)避橋面板的開裂；而當橋梁跨徑處于30～45m范圍時，雖然配置預應力鋼束預防開裂和采用高配筋限制裂縫寬度的技術對策均是可行、有效的，但鑒于橋面板高配筋設計配合預制施工能更好地實現(xiàn)橋梁的標準化、工業(yè)化建設，因此當項目工程規(guī)模較大時建議予以優(yōu)先采用。

對于數(shù)量較少、標準化程度較低的大跨徑組合梁橋，其負彎矩區(qū)橋面板內(nèi)拉應力較大，因此單獨采用一種工程技術措施不但將加大橋面板抗裂設計的難度，也會顯著地影響設計方案的經(jīng)濟性。如僅采用高配筋的抗裂設計方法，經(jīng)常會導致過大的配筋需求，從而通過采用適當?shù)匿摻钪睆脚c數(shù)量來有效控制裂縫寬度。所以大跨徑組合橋梁的橋面板抗裂設計，應對配置預應力、采用高配筋以及調(diào)整支點高度、橋面板分期分段澆注等設計、施工措施進行綜合利用，從而達到受力性能優(yōu)越、綜合造價經(jīng)濟的目標。

3.2 橋面板可更換設計

目前組合梁橋通常采用先架設鋼梁后結(jié)合混凝土橋面板的施工工藝，即在施工期鋼梁就需要獨自承受自身及橋面板自重，由于組合梁橋的這一受力特點，建議可將組合梁橋面板設計為可更換構件，進而保證其全壽命周期內(nèi)的安全性與耐久性。

考慮到運營期橋面板實際破損情況的不可預見性，在進行橋面板更換設計時，應分別給出局部更換與整體更換兩種更換方案。對于橋面板局部更換方案，由于同一截面內(nèi)橋面板全部更換對組合梁截面的削弱較大，因此建議同一截面內(nèi)的橋面板在橫向分期分段進行更換，以盡量降低橋面板更換對組合梁橋局部鋼梁受力的影響。而對于橋面板整體更換方案，則應重點考量橋面板縱向更換順序?qū)τ诮M合梁橋整體結(jié)構安全性的影響，而組合梁在跨中及支點等位置受力最大，維修更換時必然導致鋼梁應力的顯著增加，因此一般來講，建議從梁體受力較小的反彎點附近開始更換，并逐步更換至梁體受力最大的跨中及支點位置。見圖4。

圖4 鋼板組合梁橋面板可更換設計

3.3 橋面板附加耐久性措施

在設計中，應用一些附加措施也可顯著地提高組合梁橋面板的耐久性，如使用多級復合橋面防水體系、采用高性能混凝土以及應用環(huán)氧涂層鋼筋等。而在北方地區(qū)，為避免橋面板結(jié)構直接遭受環(huán)境侵蝕，最普遍采用的附加耐久性措施是在橋面板頂面增設混凝土鋪裝層，但當前設計中僅將混凝土鋪裝層作為結(jié)構耐久性的安全儲備，因此這一附加耐久性措施的設計理念仍有待進一步改進與完善。一方面，由于混凝土鋪裝層的防護，橋面板結(jié)構避免了直接遭受冰雪凍融與除冰鹽等環(huán)境的侵蝕作用，因此在設計中，可適當降低橋面板的環(huán)境腐蝕等級，并相應放寬其結(jié)構的抗裂要求。另一方面，混凝土鋪裝層作為橋梁的附屬結(jié)構，在橋梁設計使用年限內(nèi)是允許進行銑刨、重鋪的，所以在設計中應盡量減小混凝土鋪裝層的厚度，以降低組合鋼板梁橋的荷載作用，從而在保證結(jié)構耐久性的同時，進一步有效地提高組合鋼板梁橋的經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

結(jié)合我國北方地區(qū)的建設條件，從結(jié)構形式選擇、鋼梁防疲勞、脆斷設計及橋面板耐久性設計三個角度出發(fā)，分析、總結(jié)了北方地區(qū)公路組合鋼板梁橋的設計要點及所建議采取的技術對策，以期為橋梁設計人員提供一些有益的借鑒與參考。