彭 森，傅晨曦

(1. 江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210001；2.華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

長期以來，國內(nèi)公路中小跨徑橋梁以混凝土橋梁為主，橋型主要有預(yù)制空心板梁(13～20 m)、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁(20～40 m)、混凝土T梁(20～50 m)、滑?；蛑Ъ墁F(xiàn)澆混凝土箱梁(50～60 m)等，而鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用較少，一般用在大跨徑橋梁和復(fù)雜節(jié)點橋梁中。然而，過去混凝土橋梁的建設(shè)周期較長，并且隨著長期運營，會出現(xiàn)不同部位裂縫等常見病害，導(dǎo)致維修加固成本較高。近幾年，我國鋼鐵產(chǎn)能富足，鋼橋的設(shè)計方法、制造裝備和施工技術(shù)在逐漸進步，國家和行業(yè)政策提倡綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用[1]。按照國外的建設(shè)經(jīng)驗，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在量大面廣中小跨徑橋梁中也具有較強的競爭力。歐美、日本等國家對于25～60 m的中小跨徑橋梁中，大部分都采用鋼與鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁。鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁充分發(fā)揮了混凝土抗壓、鋼材抗拉的特點，可減少鋼材的用量，兼顧了橋梁的經(jīng)濟性要求與材料的性能優(yōu)勢，也回避了鋼橋面鋪裝開裂、鋼橋面板疲勞開裂等關(guān)鍵性問題，同時，適用于工廠化生產(chǎn)和裝配化施工，提高了加工制造精度、縮短了工期[2-8]。因此，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在量大面廣的常規(guī)公路橋梁中具有較大的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)對于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的標準化設(shè)計尚未成熟，缺乏系統(tǒng)研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理和精細化不足。設(shè)計人員在橋梁方案研究階段，通常會因為經(jīng)濟性的因素，推薦采用同等跨徑的混凝土橋梁，從而影響了鋼混組合結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用[9]。

本研究基于江蘇省平原微丘區(qū)公路中小跨徑橋梁的特點，對鋼混組合梁的適用性、經(jīng)濟性、技術(shù)性進行研究，通過與其他橋型的橫向比較分析鋼混組合結(jié)構(gòu)在中小跨徑橋梁中大規(guī)模應(yīng)用所具備的經(jīng)濟、技術(shù)合理性。并從靜力學(xué)角度研究中小跨徑鋼混組合梁橋的空間受力特性，為標準化設(shè)計提供靜力學(xué)依據(jù)，推動鋼結(jié)構(gòu)尤其是鋼混組合結(jié)構(gòu)在中小跨徑橋梁中的應(yīng)用。

1 經(jīng)濟性與適用性分析

1.1 經(jīng)濟性分析

目前，江蘇省內(nèi)中小跨徑橋梁最常用的橋型結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、T梁和空心板，受力和營運條件好、預(yù)制化程度高、施工速度快。對于一些跨節(jié)點橋梁或者曲線橋梁，則會采用現(xiàn)澆箱梁。將這幾種橋型與鋼混組合板梁、鋼混組合箱梁進行比較，分析采用鋼混組合梁的經(jīng)濟性。另外，橋梁跨徑的選擇需要兼顧基礎(chǔ)條件、施工方式以及結(jié)構(gòu)的美觀性。根據(jù)橋梁高度和橋位地質(zhì)情況取用省內(nèi)常用的、較經(jīng)濟的標準跨徑(13，16，20，25，30，35，40，50和60 m)進行比較。其中，根據(jù)各橋型結(jié)構(gòu)受力特點及已建工程設(shè)計經(jīng)驗，常見標準跨徑(13～40 m)橋梁常采用空心板、小箱梁、T梁、鋼混組合板梁(鋼板梁)進行方案比較；較大跨徑(50～60 m)橋梁由于對結(jié)構(gòu)剛度、承載能力要求較高，通常選用鋼混組合箱梁和現(xiàn)澆混凝土箱梁進行方案比較。鋼箱梁由于造價較高，僅少量用于一些特殊節(jié)點橋，不納入本次比較范疇。

在本次經(jīng)濟性比較中，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、小箱梁與T梁均基于省內(nèi)高速公路設(shè)計中常用的通用圖圖紙，鋼混組合板梁、鋼混組合箱梁和現(xiàn)澆箱梁則基于省內(nèi)高速公路設(shè)計常用圖紙進行統(tǒng)計。

經(jīng)濟性分析橋梁典型斷面選擇江蘇省內(nèi)常用的6車道高速公路斷面，路基寬度33.5 m，單幅橋?qū)?6.25 m。下部基礎(chǔ)形式統(tǒng)一采用樁柱式橋墩，假定墩柱高均為10 m，樁底位于良好的持力層。不同橋型的斷面布置如圖1所示(以小箱梁、T梁和鋼混組合板梁為例)。

圖1 不同橋型斷面布置圖(單位：cm)

在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計后提供精準的工程量，對30 m跨徑、四跨一聯(lián)的不同橋型方案分別進行詳細的材料指標分析，并在此基礎(chǔ)上采用相同的費率與定額，進行經(jīng)濟性比較，得到各橋型造價與常用跨徑關(guān)系如圖2所示。

圖2 各橋型造價對比

由圖2可知，在13～60 m的跨徑范圍內(nèi)，鋼混組合結(jié)構(gòu)建設(shè)初期成本均比混凝土結(jié)構(gòu)高，但是隨著跨徑的增大，鋼混組合結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)之間的造價差距占初期建設(shè)成本的比例逐漸縮小。

雖然在小跨徑時，鋼混組合結(jié)構(gòu)梁橋在造價成本上沒有優(yōu)勢，然而混凝土梁橋不具有材料回收利用的特性，養(yǎng)護維修成本也相對于鋼混組合結(jié)構(gòu)較高。考慮到鋼混組合結(jié)構(gòu)材料以鋼材為主，基于鋼材回收利用的價值，從全壽命周期角度[10-11]對比鋼混組合結(jié)構(gòu)梁橋和混凝土梁橋的造價，進一步考慮運營階段養(yǎng)護、維修成本以及材料回收利用，得到常用跨徑各橋型全壽命周期成本的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，進行全壽命周期成本對比時，鋼混組合結(jié)構(gòu)梁橋與混凝土梁橋的造價差距進一步縮小，在13～25 m跨徑范圍內(nèi)，鋼混組合梁造價相較于混凝土梁橋略高；在30～60 m范圍內(nèi)，鋼混組合梁橋的造價與混凝土梁橋基本持平。

圖3 各橋型全壽命周期成本

綜上，混凝土梁的造價低，但考慮橋梁全壽命周期的經(jīng)濟優(yōu)勢并不明顯，甚至當(dāng)跨徑較大時，鋼混組合梁與混凝土梁造價持平；鑒于鋼混組合梁在材料特性、結(jié)構(gòu)受力、施工、養(yǎng)護等多方面都具有更高的適應(yīng)性，且鋼材是環(huán)保材料，可工廠化生產(chǎn)(減少現(xiàn)場施工作業(yè))，減少污染，進一步節(jié)省造價，鋼混組合梁在經(jīng)濟上具有更好的應(yīng)用前景。

1.2 技術(shù)性分析

(1)施工便利性

混凝土T梁和小箱梁均采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的加工制造工藝較為復(fù)雜。從鋼筋綁扎、混凝土立模澆注、預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿、養(yǎng)護、鑿毛，每個工序投入人工和時間較長，預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量較難控制。且預(yù)制梁體吊裝質(zhì)量大(以30 m小箱梁為例，單片梁質(zhì)量在100 t左右)，施工難度高，安裝風(fēng)險也較大。相比之下，鋼混組合梁施工靈活多變，一般采用鋼梁與橋面板分步施工的方式。

鋼梁在工廠加工制作，單元劃分靈活，制作精度和質(zhì)量均有保證。鋼梁運至現(xiàn)場組拼安裝，可采用吊裝或頂推施工。由于鋼梁自重輕，施工速度快，可以顯著降低運輸、吊裝過程中的難度和風(fēng)險，并減少施工時對周圍環(huán)境的影響。待鋼梁架設(shè)完成，形成連續(xù)梁平臺后，再進行橋面板施工[12-13]。

根據(jù)現(xiàn)場施工條件和工期要求，橋面板可采用現(xiàn)澆或者預(yù)制兩種方式。對于常規(guī)公路橋梁，較多采用預(yù)制橋面板進行施工，橋面板在工廠進行分塊預(yù)制，質(zhì)量有保證，存放一段時間后再進行架設(shè)安裝，有利于減小成橋階段收縮徐變的影響。

以30 m跨徑鋼混組合板梁為例，將鋼主梁兩兩成對吊裝，其吊重約25 t，約為小箱梁的25%；預(yù)制橋面板分塊進行吊裝，每塊預(yù)制板吊重不超過30 t。

由此可見，鋼混組合梁橋非常適用于快速化、輕型化、裝配化施工，具有較強的可施工性。

(2)更換便捷性

橋梁構(gòu)件更換效率也是評價橋型的一項重要指標，若所更換橋梁處在重要的樞紐位置，一旦橋梁發(fā)生事故，需要進行快速更換，盡可能減小對既有交通的影響。表1列舉了3座鋼板組合梁橋的快速更換信息[14]。由表可見，采用鋼混組合梁橋進行快速更換，持續(xù)時間可控制在72 h以內(nèi)。相比國內(nèi)混凝土T梁更換實例，流程較多，一般用時超過2個月[15]，可見在橋梁構(gòu)件更換工程中，鋼混組合梁橋的更換速度更快，最大化降低對既有交通的影響。

表1 橋梁更換案例

(3)梁高適應(yīng)性

對于中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)，常采用等高梁進行設(shè)計，更利于標準化設(shè)計和工廠化制造，經(jīng)濟性好，也更方便運輸和架設(shè)安裝。鋼梁梁高隨著跨徑的變化而變化。

以鋼混組合板梁為例，一般來講，對于中小跨徑、主梁間距3～4 m左右的鋼混組合板梁，鋼梁梁高與跨度之比h/L通常在1/20～1/25的范圍，活載越大，要求的梁高越高，跨徑越大，梁高與跨徑之比h/L可以取小一些。結(jié)合經(jīng)濟性及與其他橋型連接的適應(yīng)性角度考慮，在總梁高確定的前提下，鋼主梁高度一般越高經(jīng)濟性越好。

綜上所述，通過對中小跨徑的鋼混組合梁和其他混凝土結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、經(jīng)濟性綜合對比分析，可以得到以下分析結(jié)論：

(1)若不考慮全壽命周期，鋼混組合板梁初期建設(shè)成本比預(yù)制混凝土小箱梁貴10%～15%，比現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁便宜；若考慮整個服役周期，同等跨徑的鋼混組合板梁與相應(yīng)的混凝土橋梁(小箱梁、T梁)相比，全壽命周期建設(shè)成本很接近；而同等跨徑的鋼混組合箱梁的全壽命周期建設(shè)成本與現(xiàn)澆箱梁基本持平。

(2)對于不同工程地質(zhì)條件，由于上部結(jié)構(gòu)自重輕的特點，在地質(zhì)條件較差的情況，采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)會更具優(yōu)勢。隨著跨徑增大，鋼混組合梁的經(jīng)濟指標也在升高。

(3)結(jié)合適應(yīng)性、經(jīng)濟性分析對比，鋼混組合板梁更適用于13～40 m跨徑范圍，鋼混組合箱梁更適用于40～60 m范圍。

2 設(shè)計優(yōu)化比選

由上述分析可知，對于中小跨徑橋梁，采用鋼混組合結(jié)構(gòu)具有其較強的競爭力，可作為此跨徑范圍內(nèi)的推薦方案之一。然而，現(xiàn)階段鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁標準化設(shè)計程度不高，同時也缺乏兼顧經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)受力性能的評價指標。本節(jié)以江蘇省內(nèi)高速公路常用的雙向6車道16 m跨徑橋梁為例，采用鋼混組合板梁為分析對象，通過提出新的評價指標，可對其設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化比選，為中小跨徑組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計提供新的技術(shù)手段。

2.1 定義優(yōu)選指標R

對于鋼混組合板梁橋，鋼梁部分采用鋼材，其橋面板部分采用混凝土，本研究采用活載儲備系數(shù)的概念來對不同橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行比選。對于橋梁結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件，通過不斷增加活載倍數(shù)來考量其承載能力余量(定義橋梁活載儲備系數(shù)為K，各構(gòu)件的活載儲備系數(shù)為ki)，使得各個構(gòu)件的強度、剛度、裂縫、穩(wěn)定性等受力指標達到規(guī)范規(guī)定的容許極值，將此時的極限活載儲備系數(shù)Kc作為結(jié)構(gòu)比選時評定指標。

基于線性權(quán)重法，將鋼混組合板梁橋各類構(gòu)件(橋面板、鋼梁)的造價作為權(quán)重，綜合考慮各類構(gòu)件活載儲備系數(shù)ki，建立橋梁的活載儲備系數(shù)K指標的計算公式：

(1)

式中，mi為第i種構(gòu)件的造價；M為橋梁結(jié)構(gòu)的總體造價；ki為第i種構(gòu)件的活載儲備系數(shù)，ki通過以下方式獲得：設(shè)定(1倍恒載+(ki+1)倍活載)的荷載組合，手動調(diào)節(jié)ki值，使得在(1倍恒載+(ki+1)倍活載)這個荷載組合作用下的構(gòu)件受力指標(如橋面板橫橋向彎矩、負彎矩區(qū)橋面板裂縫、鋼梁應(yīng)力)達到其規(guī)范規(guī)定的設(shè)計強度值(如橋面板橫橋向彎矩抗力、橋面板允許最大裂縫寬度、鋼梁最大容許應(yīng)力)，此時得到的ki便是構(gòu)件的活載儲備系數(shù)。

求得ki指標后，結(jié)合此構(gòu)件造價以及橋梁結(jié)構(gòu)總造價，即可求得橋梁的活載儲備系數(shù)K?；钶d儲備系數(shù)無量綱值，代表橋梁的超載能力。

進一步，定義綜合優(yōu)選指標R，用來判斷橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理性。通常，將結(jié)構(gòu)承載能力越強、造價越低，認為設(shè)計參數(shù)越合理。因此，綜合優(yōu)選指標R采用以下公式計算：

(2)

該公式綜合考慮了橋梁各構(gòu)件的造價及各自的活載儲備系數(shù)，以及橋梁的總體造價。橋梁結(jié)構(gòu)總造價M越低、活載儲備系數(shù)K值越大，則R值越大。因此R值代表橋梁在保證材料經(jīng)濟性前提下的活載承受能力，R越大，則代表結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)越合理。

2.2 設(shè)計參數(shù)選取

本研究選取橋?qū)?6 m、跨徑為4 m×16 m的多主梁鋼混組合板梁橋作為優(yōu)化設(shè)計的計算模型。依據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗選取0.6 m高定制主梁的截面布置形式[16]，基于控制變量法，以橋面板厚度的設(shè)計參數(shù)變量為例，參數(shù)候選取值基于設(shè)計常用經(jīng)驗值，通過R指標計算，得出最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。

以4片主梁為基準斷面，選擇橋面板厚度分別為0.22,0.25和0.28 m這3種作為參數(shù)模型進行分析，如圖4所示。

圖4 橋梁典型斷面

基于該變化參數(shù)分別建立全橋有限元模型，跨徑16 m的鋼混組合板梁橋，鋼梁部分采用Q355鋼材，其設(shè)計強度取260 MPa，其橋面板部分采用C50混凝土，橋面板的設(shè)計強度以各厚度下實際計算值為主，針對不同變化參數(shù)分別計算R指標，并進行評估選出最適宜的設(shè)計參數(shù)。

2.3 R指標計算

以橋面板厚度為研究對象，不同橋面板厚度時橋面板設(shè)計彎矩抗力計算值如表2所示。

表2 橋面板橫橋向彎矩抗力

橋面板厚度對橋面板橫向彎矩抗力的活載儲備系數(shù)k1值計算如表3和圖5所示。

表3 橋面板厚度k1值

圖5 橋面板厚度k1值

可以看出隨著橋面板厚度增加，橋面板橫向彎矩抗力的跨中k1值穩(wěn)定增加，支點k1值逐漸增大，且各種橋面板厚度下，橋面板橫向彎矩抗力都有一定的富余。

針對橋面板厚度取值不同對于鋼板梁應(yīng)力峰值的影響，取Q355鋼材的設(shè)計強度為260 MPa，橋面板厚度對鋼板梁最大應(yīng)力值的k2值計算如表4和圖6所示。

表4 橋面板厚度k2值

圖6 橋面板厚度k2值

可以看出隨著橋面板厚度增加，鋼板梁主梁應(yīng)力的k2值穩(wěn)定上升，且各種橋面板厚度下，鋼板梁的強度都有一定的富余。

針對橋面板厚度取值不同對于橋面板負彎矩區(qū)裂縫的影響，并同時考慮負彎矩區(qū)橋面板混凝土的張力剛化效應(yīng)后[17-18]，橋面板厚度對橋面板負彎矩區(qū)裂縫的k3值計算如表5和圖7所示。

表5 橋面板厚度k3值

圖7 橋面板厚度k3值

可以看出隨著橋面板厚度增加，橋面板負彎矩區(qū)裂縫的k3值穩(wěn)定下降，且各種橋面板厚度下，橋面板負彎矩區(qū)裂縫都有一定的富余。

以主梁跨中數(shù)值作為控制指標，各厚度下的R指標計算結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6計算結(jié)果各厚度下的R指標，0.22 m和0.25 m厚度的橋面板差距不大，R值越大時，代表橋梁承擔(dān)活載的能力越強而所花費的造價越少，再考慮到增加橋面板厚度有利于增強橋面板抗彎承載能力，綜合考慮各因素影響，橋面板厚度取0.25 m時，具有更高的安全性，為最優(yōu)方案。

表6 橋面板厚度R指標計算

3 結(jié)論

本研究基于江蘇省公路中小跨徑橋梁的特點，對鋼混組合梁的適用性、經(jīng)濟性、技術(shù)性進行研究，橫向比較分析了鋼混組合結(jié)構(gòu)在中小跨徑橋梁中大規(guī)模應(yīng)用所具備的經(jīng)濟、技術(shù)性優(yōu)勢，并基于新定義的優(yōu)選指標，對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化比選研究，結(jié)論如下：

(1)同等跨徑的鋼混組合板梁與相應(yīng)的混凝土橋梁(小箱梁、T梁)相比，全壽命周期建設(shè)成本很接近；而同等跨徑的鋼混組合箱梁的全壽命周期建設(shè)成本與現(xiàn)澆箱梁基本持平。

(2)鋼混組合結(jié)構(gòu)自重輕，構(gòu)造簡單，拼裝方便，更適合工廠化生產(chǎn)、裝配化施工，具有很好的可施工性以及構(gòu)件更換的便捷性；由于自重輕的特點，在地質(zhì)條件較差的情況，采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)會更具優(yōu)勢。因此，鋼混組合梁橋是一種適用于中小跨徑橋梁的橋型。

(3)引入活載儲備系數(shù)K和綜合優(yōu)選指標R來進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，可綜合考慮橋梁各部位構(gòu)件的材料用量、造價及各自的承載能力余量的影響，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的量化比選，并通過16 m跨徑鋼混組合板梁橋的橋面板厚度優(yōu)化設(shè)計實例，驗證了這種方法在橋梁設(shè)計優(yōu)化比選時的借鑒意義。