齊偉杰

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 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(yáng) 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(kāi)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(duì)策和解決方法，推進(jìn)鋼混組合梁橋在我國(guó)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(lái)我國(guó)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(lèi)型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)。混凝土一直是18世紀(jì)以來(lái)主要的建筑功能材料，而近年來(lái)伴隨著鋼材制造技術(shù)的進(jìn)步，鋼材越來(lái)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(shì)，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(lái)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(shì)，而回避了混凝土抗裂性差、鋼材受壓易屈曲等問(wèn)題，在滿(mǎn)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(guò)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(shì)和需要關(guān)注的問(wèn)題；其后針對(duì)鋼混組合梁橋的若干關(guān)鍵問(wèn)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(guó)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(shì)

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(jiǎn)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(guò)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(guò)大的問(wèn)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(guò)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(xiàn)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(chǎng)可以進(jìn)行專(zhuān)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(shì)規(guī)避混凝土容易開(kāi)裂的問(wèn)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(chē)輛活載的作用，減少了不必要的鋼梁疲勞失效問(wèn)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(shì)外，仍然存在一些問(wèn)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(shì)，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(kāi)裂問(wèn)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(kāi)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(duì)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(wèn)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(yáng)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(shì)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(wèn)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(guò)渡；其次需要防止連接界面的相對(duì)滑移和掀開(kāi)，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(lái)的對(duì)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(wèn)題所帶來(lái)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(guò)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(lái)，則完全消除底板屈曲問(wèn)題。

鋼混組合橋負(fù)彎矩區(qū)還有頂板混凝土開(kāi)裂問(wèn)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(kāi)裂可以采用如下方式：

（1）橋面板滯后鋼梁結(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)。

（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，如圖1所示。

圖1 支座位移法解決負(fù)彎矩開(kāi)裂問(wèn)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(kāi)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(yíng)期間產(chǎn)生的頂板拉應(yīng)力，從而降低頂板開(kāi)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(chē)輛荷載作用，降低傾覆彎矩的大小，可以通過(guò)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(xiàn)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(duì)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(duì)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(kāi)發(fā)支座受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于易受重載車(chē)輛作用而傾覆的彎橋，需要對(duì)敏感位置的支座設(shè)計(jì)必要的監(jiān)測(cè)方法，以明確支座在使用中是否存在脫空問(wèn)題，并根據(jù)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行必要的加固或者改善。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼混組合梁橋近年來(lái)開(kāi)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(shì)，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(duì)其優(yōu)勢(shì)和前景進(jìn)行了分析，并對(duì)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(kāi)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(duì)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(guó),郭帥.曲線(xiàn)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(duì)哈爾濱陽(yáng)明灘大橋倒塌的思考[J].科技視界,2012（30）: 300.

U448.21+6

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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。