鋼板組合梁橋國內(nèi)外設(shè)計探討

張 超，段亞軍，胡祥森

（1.湖州城建投資集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313000；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州310031）

0 引言

鋼材和混凝土是橋梁建造常用的2 種建筑材料，二者在力學(xué)性能及物理性能上各有優(yōu)劣，采用單一的材料進(jìn)行建造往往受到材料本身制約。

混凝土構(gòu)件的優(yōu)點為：整體性好、延性好、耐久性和耐火性較好、可模性好、強(qiáng)度較高、易于就地取材。缺點為：自重大、抗裂性較差、施工復(fù)雜、工期較長。

鋼材優(yōu)點為：質(zhì)輕、塑性和韌性好、材質(zhì)接近于勻質(zhì)和各向同性體、制造簡便、密封性好、耐熱性好。缺點為：防火性能差、鋼材易銹蝕，應(yīng)采取防護(hù)措施。鋼材耐熱但不耐高溫，其強(qiáng)度隨著溫度升高而降低。鋼材在潮濕環(huán)境中，特別是處于有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中易銹蝕，必須刷涂料或鍍鋅，并且在使用期間應(yīng)定期維護(hù)。

鋼板組合梁橋在受拉區(qū)配置鋼主梁，在受壓區(qū)配置混凝土橋面板，二者之間通過抗剪構(gòu)件連接，如圖1 所示。

鋼板組合梁橋的構(gòu)造既避免了混凝土在受拉區(qū)域開裂，也防止了鋼梁受壓側(cè)向失穩(wěn)問題。與混凝土梁比較，鋼板組合梁有自重輕的優(yōu)勢；與鋼梁比較，鋼板組合梁有頂板剛度大的優(yōu)勢。鋼板組合梁橋構(gòu)造示意圖見圖2。

圖1 鋼板組合梁橋

圖2 鋼板組合梁橋構(gòu)造示意圖

1 鋼板組合梁橋國外的發(fā)展趨勢和特點

1.1 鋼板組合梁橋在國外的發(fā)展

鋼板組合橋梁最早從歐洲發(fā)展起來，德國在1937 年進(jìn)行了鋼板組合梁的加載試驗，并于1950年前后召開了幾次關(guān)于鋼板組合梁結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會議，其中許多鋼板組合梁的計算理論及實際工程應(yīng)用被相繼介紹，并且制定了關(guān)于道路橋的鋼板組合梁設(shè)計指南。美國于1954 年開始進(jìn)行鋼板組合梁焊釘連接件的承載能力和疲勞性能試驗研究，試驗研究前后開展將近20 a，相關(guān)的研究成果應(yīng)用到了美國高速公路橋的設(shè)計規(guī)范中。日本于1950 年開始嘗試建造鋼板組合梁橋，并于1959 年制定了關(guān)于公路橋的鋼板組合梁橋設(shè)計施工規(guī)范[1]。

這些早期發(fā)展起來的鋼板組合梁橋具有的共同特點是：雖然設(shè)計計算中考慮與橋面板的組合作用，但是構(gòu)造設(shè)計與非組合梁橋相似，同樣采用多主梁，各主梁之間設(shè)置許多橫梁、水平及豎向橫撐，在腹板上焊接大量縱橫向加勁肋，以保證各個桿件之間的整體性。典型的鋼板組合梁橋構(gòu)造見圖3。

圖3 早期鋼板梁橋的典型設(shè)計圖

這種結(jié)構(gòu)體系的鋼板組合梁橋，構(gòu)件數(shù)量多且復(fù)雜、焊縫數(shù)量大、構(gòu)件的加工成本高、維護(hù)困難、施工復(fù)雜；并且構(gòu)件的受力及傳力不夠明確，不能充分利用各個桿件的性能，此外，局部構(gòu)造的疲勞破壞也是突出問題。這些都限制著鋼板組合梁橋的廣泛應(yīng)用[1]。

1.2 鋼板組合梁橋在國外的實例應(yīng)用

美國新紐約大橋（見圖4），其單幅寬度約25 m，橫橋向采用5 片主梁，主梁中間設(shè)置4 道小縱梁。主梁間距約5.5 m 左右，間距較大，但其橫梁及小縱梁的設(shè)置方式仍屬于多主梁體系。

圖4 美國新紐約大橋

法國從20 世紀(jì)80 年代后期開始集中進(jìn)行鋼板組合梁橋的研究與設(shè)計，對傳統(tǒng)的鋼板梁橋進(jìn)行了最大程度的簡化，采用2 根鋼主梁形式的鋼板梁橋成為中小跨徑橋梁應(yīng)用的主流方案。

法國于1990 年建成的Hopital 橋如圖5 所示，它采用非支撐橫梁設(shè)置的鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)體系，跨度為59.0 m+2×64.0 m +33.0 m，主梁間距12.6 m，梁高3.2 m，高跨比達(dá)到1/20，橋面板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力[1]。

圖5 法國Hopital 橋（單位：mm）

瑞士近年來也逐漸將雙主梁鋼板組合梁橋加以簡化，嘗試只有2 根主梁形式的鋼板梁橋，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化，優(yōu)化了橫梁的數(shù)量和高度、加勁肋的數(shù)量和位置，取消了橫撐；同時通過設(shè)計焊釘群的方法，解決了在給混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力時預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鋼梁中的問題，作為標(biāo)準(zhǔn)橋型之一在瑞士國內(nèi)得到了大范圍采用。

圖6 顯示了鋼板組合梁橋橫截面布置形式在不同年代的變遷過程，可以看出從20 世紀(jì)80 年代開始已經(jīng)基本上不設(shè)置橫撐及腹板縱向加勁肋了。

2 鋼板組合梁橋在國內(nèi)的使用現(xiàn)狀

鋼板組合梁橋在我國的應(yīng)用實踐尚處于起步階段，主要的發(fā)展是在鐵路橋領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)形式類似于早期的多主梁形式的鋼板梁橋，設(shè)置復(fù)雜的橫梁、橫撐及加勁裝置。鋼板組合梁橋在我國公路橋的應(yīng)用不多，在跨線橋、引橋及匝道橋等中小跨度橋梁中有少量應(yīng)用，因此我國建造鋼板組合梁橋缺乏相關(guān)的設(shè)計和建造經(jīng)驗。并且對鋼板組合梁設(shè)計指導(dǎo)體系、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計理論及方法等均掌握欠缺，這些不利因素導(dǎo)致鋼板組合梁橋在我國推廣及應(yīng)用緩慢。

圖6 鋼板組合梁橋橫截面形式的變遷

2.1 應(yīng)用背景

隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，我國已經(jīng)具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)能過剩是推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機(jī)，同時也是落實《國務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》（國發(fā)〔2016〕6 號）要求，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。為推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》（交公路發(fā)〔2016〕115 號）[2]，決定推進(jìn)鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁等公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，提升公路橋梁品質(zhì)，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能優(yōu)勢，助推公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級。該指導(dǎo)意見中明確在新建大跨、特大跨徑橋梁中將以鋼結(jié)構(gòu)為主，新改建其他橋梁時鋼結(jié)構(gòu)比例將明顯提高。

2.2 應(yīng)用條件

結(jié)構(gòu)方面：混凝土結(jié)構(gòu)較鋼結(jié)構(gòu)自重大，抗裂性能差，結(jié)構(gòu)效率低，當(dāng)跨度增加時，抵抗自重所需材料成倍增長，導(dǎo)致上下部結(jié)構(gòu)工程量增加[3]。而鋼結(jié)構(gòu)自重小，材料效率高，可憑借較小的自重抵抗較大的外部荷載。

成本方面：混凝土橋梁的建設(shè)成本較鋼結(jié)構(gòu)橋梁低。測算表明，中小跨徑混凝土橋梁造價較鋼結(jié)構(gòu)橋梁低450 元/m2至650 元/ m2左右，但該價差隨跨徑增大而逐步縮小。從養(yǎng)護(hù)成本看，鋼橋比混凝土橋梁全壽命養(yǎng)護(hù)費用低200 元/ m2左右。故從全壽命周期來測算，鋼橋與混凝土橋梁成本相差無幾[3]。

環(huán)保方面：混凝土結(jié)構(gòu)拆除形成的建筑垃圾會對環(huán)境帶來較大影響，而鋼材無限循環(huán)利用的優(yōu)勢是混凝土結(jié)構(gòu)無法相比的。

材料方面：公路鋼橋以Q355D、Q390D、Q420D等常規(guī)鋼材為主。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)披露，公路橋梁各類鋼材和線材產(chǎn)能充足。

設(shè)計方面：最新修訂的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）、《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）、《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 714—2015）、《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2018）等已經(jīng)頒布實施。

加工方面：目前橋梁鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)產(chǎn)能充足，如杭蕭鋼構(gòu)、東南網(wǎng)架等。

施工方面：目前行業(yè)內(nèi)橋梁施工企業(yè)總體過剩，但除中鐵、中建、中交等大型施工央企外，其他小型施工單位一般都不具備鋼結(jié)構(gòu)的施工資質(zhì)。

綜上所述，鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，能夠充分發(fā)揮鋼材與混凝土2 種材料的優(yōu)點，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢。雖然建設(shè)初期成本比混凝土橋梁略高一些，但全壽命周期成本與混凝土橋梁相差不大，從材料、設(shè)計、加工和施工方面來看，鋼板組合梁橋的應(yīng)用條件也已非常成熟。

2.3 應(yīng)用案例分析

鋼板組合梁橋在浙江、陜西、安徽、湖南等地都已有應(yīng)用。本文收集了部分省份的鋼板組合梁橋公路應(yīng)用方案,并對這些方案的應(yīng)用特點、鋼板梁尺寸構(gòu)造及用鋼量指標(biāo)等進(jìn)行比較，見表1～表3。

表135 m 中小跨徑鋼板組合梁橋方案特點比較

表中4 個方案均為雙主梁鋼板組合梁橋，其中安徽省某1 號高速為支撐式橫梁，其余3 個方案均為非支撐式橫梁。支承橫梁體系的橋面板受力主方向在縱橋向，鋼材用量較大，橋面板板厚較小，但接縫多；非支撐橫梁體系的橋面板主受力方向在橫橋向，需要較厚的橋面板，有連接簡單的優(yōu)勢。

表235 m 中小跨徑鋼板組合梁橋尺寸構(gòu)造比較 mm

表335 m 中小跨徑鋼板組合梁橋用鋼量比較（中跨半幅）

安徽省某2 號高速為6 車道，浙江省某高速為4 車道設(shè)計方案。相比兩者的用鋼量，對于雙工字鋼板組合梁來說，6 車道比4 車道單位面積的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更好。而雙工字鋼板組合梁的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于多工字鋼板組合梁，多工字鋼板組合梁單位面積用鋼量一般達(dá)到200 kg/m2左右，但雙工字鋼板組合梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性略差一些。

陜西省由于地處北方，氣候干燥，為了提高鋼板梁橋的耐久性，陜西省某高速公路方案選擇了耐候鋼材料，而非普通低碳合金鋼。在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，使用耐候鋼能夠節(jié)省初期的涂裝費用，并且在全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性更高。

3 鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑

隨著施工技術(shù)的普及，鋼板組合梁橋的應(yīng)用范圍越來越寬。工字組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑為35～90 m，箱形組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑則為70～120 m。

對于35～100 m 的中小跨徑公路橋梁，鋼板組合梁橋具有結(jié)構(gòu)輕、架設(shè)快、現(xiàn)場施工環(huán)境簡單、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點，是橋梁工業(yè)化發(fā)展的主要方向。

4 結(jié) 語

本文對鋼板組合梁橋國內(nèi)外的設(shè)計情況及發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，對國內(nèi)4 條高速上所設(shè)計的鋼板組合梁橋的設(shè)計特點、尺寸構(gòu)造及用鋼量進(jìn)行了系統(tǒng)對比，對鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑進(jìn)行了總結(jié)。鋼板組合梁橋在35～100 m 跨徑中應(yīng)用廣泛，其經(jīng)濟(jì)性較高；中小跨徑鋼板組合梁橋正逐步從多主梁向少主梁到雙主梁的趨勢過渡，該種橋型結(jié)構(gòu)形式會越來越簡潔，基本上不設(shè)置橫撐和腹板縱向加勁肋，被認(rèn)為是一種極具經(jīng)濟(jì)性的橋梁形式。