鋼板組合梁橋設計要點分析

段亞軍,謝敏杰，熊必章,王立超

(1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 杭州市 310031; 2.湖州城建投資集團有限公司 湖州市 313000;3.華匯工程設計集團股份有限公司 紹興市 312000)

鋼板組合梁橋設計應構(gòu)造簡單、傳力明確、便于加工，有利于發(fā)揮鋼材的材料特性。應充分考慮鋼結(jié)構(gòu)制造、裝配的要求，通過合理的構(gòu)造措施，歸并構(gòu)件尺寸，減少鋼材切割、整形、焊接等加工工作量，降低制造成本和裝配難度，提高結(jié)構(gòu)可靠性和施工便利性。

1 梁高及板厚

鋼板組合梁橋的設計參數(shù)涉及主梁翼緣板、主梁腹板、加勁肋和橫向連系梁等，主要包括主梁高度、腹板的高厚比、翼緣板的寬厚比、加勁肋的布置等參數(shù)。

主梁高度是鋼板組合梁橋最為重要的設計參數(shù)，對橋梁的強度、剛度等主要性能起決定作用。國內(nèi)外設計指南均基于實踐經(jīng)驗對梁高參數(shù)的取值進行了建議，其中同濟大學劉玉擎教授編著的《組合結(jié)構(gòu)橋梁》及歐洲《Steel-Concrete Composite Bridges Sustainable Design Guide》設計指南的建議高跨比和計算公式見表1。綜合比較中外設計指南對于梁高的取值建議，發(fā)現(xiàn)各有差異，在30～50m的中等跨徑范圍內(nèi)，其高跨比范圍大約在1/27～1/18之間。

對35m跨徑的鋼板梁橋進行試設計，經(jīng)過研究比較發(fā)現(xiàn)，較經(jīng)濟的鋼梁高跨比約為1/20左右，總梁高為跨徑的1/17左右，表2為不同跨徑鋼板組合梁梁高尺寸表建議值。

表1 梁高建議尺寸及計算匯總

表2 不同跨徑梁高尺寸表建議值(m)

腹板及翼緣板厚度也是鋼板組合梁橋重要的設計參數(shù)。在鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)中，主梁的腹板首先要滿足抗剪的強度設計要求，其次需要考慮結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性要求。表3為各規(guī)范和指南對腹板厚度的建議取值。

表3 腹板厚度相關建議

表4為各規(guī)范及設計指南對于翼緣板設計參數(shù)的建議尺寸?？梢园l(fā)現(xiàn)，除滿足強度條件外，從穩(wěn)定性的角度出發(fā)，各規(guī)范對翼緣板的自由肢寬厚比進行了規(guī)定。

表4 翼緣厚度建議尺寸

當鋼板組合梁的腹板存在穩(wěn)定問題時，可以通過設置加勁肋的方式以較小的經(jīng)濟代價予以避免。加勁肋主要分為豎向加勁肋和縱向加勁肋兩種。在縱橫梁體系中，當需要設置縱向加勁肋時，一般采用板式加勁肋，三面圍焊至主梁。當腹板穩(wěn)定控制需要設置縱向加勁肋時，常焊接在腹板上，并在豎向加勁肋處斷開。

加勁肋的厚度對鋼板梁整體的穩(wěn)定性能影響很小。工程上一般從施工及焊接角度考慮其與對應翼緣板及腹板相匹配，其最小厚度一般為12～15mm左右。

豎向加勁肋通常在兩根橫向連系梁中間等間距布置，以增強翼緣板及腹板在施工及使用階段的穩(wěn)定性。豎向加勁肋對于鋼板組合梁橋腹板屈曲穩(wěn)定性能影響隨腹板縱橫比的不同而有所變化。當設置的腹板縱橫比α小于1.5時，豎向加勁肋能顯著提高鋼板組合梁的屈曲穩(wěn)定性能；當腹板縱橫比α超過1.5時，豎向加勁肋對于鋼板組合梁屈曲穩(wěn)定性能的貢獻很小。因此，當需要設置腹板豎向加勁肋時，腹板縱橫比α需要小于1.5，相關設計規(guī)范對于腹板豎向加勁肋的建議也與此結(jié)論相似：《鋼-混凝土組合橋梁設計規(guī)范》中一般要求α≤1.5且b≤2，同濟大學劉玉擎教授編著的《組合結(jié)構(gòu)橋梁》中同樣推薦腹板縱橫比α≤1.5。

2 主梁分段及連接方式

結(jié)構(gòu)連續(xù)的鋼板組合梁橋，主梁縱向一跨范圍內(nèi)板厚在不斷變化。主梁分成節(jié)段數(shù)太多，好處是降低了用鋼量，但帶來的問題是焊接接頭多，質(zhì)量隱患多，也增加了焊縫處破壞、疲勞等發(fā)生的可能性，是否能有效降低工程造價也有待考證。分節(jié)段數(shù)太少，好處是方便了現(xiàn)場施工的工作量，但增加了運輸?shù)睦щy。結(jié)合運輸車的最大載重，一般鋼板組合梁橋縱向分段最大不宜超過17.5m。鋼板組合梁分段在考慮運輸?shù)幕A上應盡量減少現(xiàn)場焊接接頭，確保工程質(zhì)量，應將焊縫長度作為鋼板組合梁設計指標加以考量。

考慮到工廠內(nèi)自動化程度較高，鋼梁構(gòu)件之間可采用焊接連接；但工地現(xiàn)場條件較差，防風防雨措施一般不到位，焊接現(xiàn)場的溫度濕度控制也較難滿足要求，再加上現(xiàn)場焊接均為人工焊接，不可控因素多，焊接質(zhì)量很難得到保證，因此一般建議工地連接均采用栓接，包括主梁縱橋向腹板、下翼緣的對接接頭及主梁和橫梁工地接頭。

3 墩頂混凝土橋面板

對于連續(xù)的鋼板組合梁橋，在支座負彎矩區(qū)，混凝土橋面板受到較大的拉應力，易出現(xiàn)開裂問題，負彎矩區(qū)的混凝土橋面板很快因開裂退出工作。開裂后組合梁的剛度減弱，裂縫較大時有害介質(zhì)會通過裂縫滲入到混凝土中，嚴重腐蝕混凝土，銹蝕鋼筋，大大降低了鋼板組合梁橋的耐久性，增加了維修養(yǎng)護工作的困難。

根據(jù)對負彎矩區(qū)橋面板的性能要求，可以分為不允許拉應力發(fā)生、不允許裂縫產(chǎn)生、限制裂縫寬度等3種設計方法。為了抵抗負彎矩產(chǎn)生的拉應力，常用的技術措施有：調(diào)整施工順序、頂升中支點、配置預應力、采用抗裂混凝土、配筋控制裂縫寬度、中跨壓重等。

結(jié)構(gòu)連續(xù)鋼板組合梁采用縱向預應力混凝土橋面板也是一種常用的方法，但研究發(fā)現(xiàn)，由于混凝土和鋼梁的徐變特性不同，混凝土的徐變受到鋼梁的約束，會使得原本施加在混凝土上的預壓應力逐漸轉(zhuǎn)移到鋼梁上，不能有效防止拉應力的出現(xiàn)。此時負彎矩區(qū)橋面板可按普通鋼筋混凝土或高性能混凝土設計，采用調(diào)整施工順序、控制裂縫寬度的方法來滿足耐久性設計要求。

在橋面板的預制和安裝過程中，通過合適的工藝和施工順序，有效避免施工過程及一期恒載產(chǎn)生的負彎矩，減小橋面板受到的拉應力。具體做法：先吊裝跨中板件，再吊裝支點附近板件；先吊裝邊跨，再吊裝中跨。由于預制鋼梁存在預拱度，跨中部分預拱最高，先吊裝跨中板件，可以使主梁線形平緩。

超高性能混凝土的抗拉強度可達8～10MPa，在支點負彎矩區(qū)使用超高性能混凝土不失為一種可行的辦法。一般有如下方案：

在墩頂兩塊預制板范圍內(nèi)的橋面板均采用高性能混凝土，利用高性能混凝土抗拉強度高的特點，通過調(diào)整橋面板的架設順序，減少墩頂彎矩，控制墩頂范圍內(nèi)的混凝土在最不利組合下不出現(xiàn)裂縫，保證其耐久性。其優(yōu)點是施工簡便，高性能混凝土施工工藝也較為成熟，缺點是造價較高。

4 橋面板濕接縫

與小箱梁、T梁翼緣板濕接縫類似，目前鋼板組合梁橋面板縱橫向濕接縫一般采用常規(guī)標號混凝土，接縫兩側(cè)的預埋鋼筋深入接縫內(nèi)，鋼筋焊接或綁扎對接，預制時錯開一個鋼筋直徑?，F(xiàn)場焊接工作量大，由于施工誤差的存在，兩側(cè)預埋鋼筋的位置精度往往較差，降低了濕接縫的安全儲備，施工的難度也很大。

為改善橋面板濕接縫處施工條件，降低施工難度，提高結(jié)構(gòu)安全性，也可從如下方案加以改進，并采用加載試驗予以驗證。

4.1 方案一

普通混凝土+預埋U形鋼筋。該方案是將橋面板鋼筋在濕接縫處彎成U形，兩端錨入預制橋面板中，U形部分伸入濕接縫中，濕接縫兩側(cè)的U形鋼筋交叉布置，并放置縱向通長鋼筋，再澆注濕接縫混凝土。該方案的好處是鋼筋間不需要焊接，大大地減少了現(xiàn)場鋼筋的加工、焊接的工作量，對鋼筋的位置要求也不高，施工難度低，工藝成熟，造價低。

4.2 方案二

普通混凝土+錨固板鋼筋(見圖9)。建設部在2011年發(fā)布了行業(yè)標準《鋼筋錨固板應用技術規(guī)程(JGJ 256-2011)》，該規(guī)程詳細規(guī)定了鋼筋錨固板的分類、性能要求及設計規(guī)定、現(xiàn)場檢驗及試驗方法。與預埋U形筋類似，該方案將預制橋面板主筋深入濕接縫中，主筋端頭焊接或擰上錨固板，濕接縫兩側(cè)的鋼筋錨固板彼此錯開布置，再澆注濕接縫混凝土。與方案一類似，該方案的好處是鋼筋間不需要焊接，可減少現(xiàn)場鋼筋的加工、焊接的工作量，對鋼筋的位置要求也不高，且鋼筋的加工難度更低，工藝成熟，但造價可能稍高。據(jù)國外的研究，錨固板鋼筋接頭雖比環(huán)形接縫強度低5%～10%，但強度仍然滿足要求，且施工簡單，值得深入研究。

4.3 方案三

高性能混凝土(見圖10)?？v橫向鋼筋在濕接縫內(nèi)交錯放置后澆注高性能混凝土。該方案優(yōu)點是濕接縫處的鋼筋不需要焊接，也不采用環(huán)向鋼筋連接，很大程度上提高了施工便利性，缺點是高性能混凝土造價較高，施工工藝要求高，且高性能混凝土和普通混凝土交界面是薄弱環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語

系統(tǒng)闡述了鋼板組合梁的設計要點，對鋼主梁及橋面板的構(gòu)造及設計理念進行了詳細分析。近年來，組合鋼板梁橋適用跨度范圍不斷雙向拓展，在20～100m跨度范圍內(nèi)都有很強的競爭力。我們應借鑒國際先進經(jīng)驗，以高起點開展理論研究及工程設計與施工實踐，大力提升技術水平與創(chuàng)新能力，形成自主創(chuàng)新技術，提高鋼板組合橋梁耐久性、適用性、環(huán)保性和景觀性。