邢 昕，馮克巖

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300457）

1 新型組合橋梁對橋面板性能的要求

從20世紀(jì)60年代起，組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟性，發(fā)揮材料各自優(yōu)勢的合理性及便于施工的突出優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。進入20世紀(jì)80年代，組合結(jié)構(gòu)有了新的發(fā)展，組合結(jié)構(gòu)從理論研究到設(shè)計施工日趨成熟，法國、德國、日本等國對傳統(tǒng)鋼橋結(jié)構(gòu)體系進行了大幅簡化，開發(fā)了不同形式的組合結(jié)構(gòu)橋梁，其中2根主梁的組合鋼板梁橋已經(jīng)成為中小跨新建橋梁的主流，被認(rèn)為是極其經(jīng)濟的橋梁形式之一。通過大量基礎(chǔ)性理論研究和試驗，各國制定了相應(yīng)規(guī)范，促使結(jié)構(gòu)體系的簡化與統(tǒng)一。改進后的組合結(jié)構(gòu)以構(gòu)造合理化、工廠預(yù)制化及高耐久性為特征，不僅降低加工及施工費用，而且從全壽命費用考慮，在提高耐久性、削減維護管理費用等方面優(yōu)勢明顯[1][2]。

伴隨著主梁根數(shù)減少、間距擴大，要求橋面板具有更高的跨越能力，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋面板已經(jīng)不能滿足要求。歐美等國大多使用高強混凝土及施加橫向預(yù)應(yīng)力的方法，并進一步采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，提高混凝土品質(zhì)，降低收縮徐變的不利影響。但預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板存在重量大、施工質(zhì)量要求高等問題。從20世紀(jì)80年代末期，日本對鋼混組合橋面板進行了開發(fā)，通過車輪行車疲勞試驗、有限元分析等理論研究和試驗，證明組合橋面板不僅具有與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面同等的承載能力和耐久性，并且具有重量輕、施工方便和翻新拓寬費用低等優(yōu)勢。本文重點介紹組合橋面板的發(fā)展歷程、特點和設(shè)計管理要點。

2 組合橋面板的發(fā)展歷程及研究方法[3]

歷史早期沒有組合結(jié)構(gòu)的概念，如日本建于1902年跨越津野川的舊明治橋，橋面板采用折形鋼板作為底模，利用剛度大的混凝土傳遞車輪載荷。鋼板與混凝土組合效應(yīng)的積極利用是源于20世紀(jì)50年代，1959年法國Tancarville懸索橋建造中為了減少橋面板的重量開發(fā)了羅賓遜式組合橋面板。這一時期，由于不設(shè)或少設(shè)加勁肋，組合橋面板跨徑與混凝土橋面板相當(dāng)，并且由于成本高，只限定在特殊條件下采用，如施工空間受限的跨線橋和舊橋面板更替。

20世紀(jì)80年代，日本大阪大學(xué)開始采用車輪動荷載試驗機進行各種橋面板耐久性研究，見圖1。該試驗方法可以使試件產(chǎn)生與實橋相似的縱橫裂縫，對研究橋面板的疲勞損傷具有重要意義。同時，組合橋面板不同類型連接件的開發(fā)也繼續(xù)進行。1997年日本土木工程師學(xué)會鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則B部分公布，包括了組合橋面板最小厚度和橋面板剪力設(shè)計等規(guī)定。隨著1997年日本基礎(chǔ)設(shè)施和運輸部提出了“公共工程的費用縮減行動計劃”，以此為契機推廣合理化組合橋梁，跨徑長高耐久橋面板需求增加，組合橋面板受到重視，其應(yīng)用實例逐年增加，見圖2。

1997年起連續(xù)4年在日本土木研究所實施的“道路橋面板輪載行車試驗疲勞耐久性評價手法的開發(fā)共同研究”，由日本橋梁建設(shè)協(xié)會對各公司開發(fā)的橋面板實施了統(tǒng)一的試驗，對組合橋面板組合梁的裂縫控制性能、膨脹混凝土的長期暴露等進行了測試。并于2001年制定了“橋建協(xié)標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板”，規(guī)范了組合橋面板厚度和橋面板重量等，于2005年為橋建協(xié)會員發(fā)刊了“組合橋面板設(shè)計·施工指導(dǎo)(初版)”，于2006年發(fā)刊“鋼·混凝土組合橋面板計劃資料”。

圖1 板輪載行車試驗機及橋面板裂縫分布

圖2 日本組合橋面板歷年應(yīng)用規(guī)模

開發(fā)一種新的組合橋面板，通常需要進行橋面板正負(fù)彎矩靜載試驗以確認(rèn)其承載能力；與主梁一起進行中支點負(fù)彎矩靜載試驗以確認(rèn)其抗裂能力；進行輪載行車試驗確認(rèn)疲勞耐久性；以及混凝土填充性、加勁肋焊接細(xì)節(jié)疲勞耐久性等一系列工藝試驗。通過總結(jié)試驗結(jié)果，進行有限元分析計算，最終形成整套設(shè)計參數(shù)，編制設(shè)計指南、加工施工方法、費用明細(xì)等資料。

3 組合橋面板的特點及分類

組合橋面板鋼結(jié)構(gòu)通常由底鋼板、加勁肋、連接件及接頭板等組成，只配置上緣鋼筋，見圖3。其中加勁可采用多種型鋼或鋼板，如截成兩半的工字鋼、槽鋼、扁球鋼、U肋等。也有桁架類組合橋面板，采用鋼筋或波形鋼板作為加勁，見圖4（a）。還有使用預(yù)先澆注高性能混凝土作為加勁的組合橋面板，見圖4（c）。鋼混連接方面，型鋼的翼緣等構(gòu)造可以起到連接件的效果，不過通常采用在加勁腹板上開孔形成開孔板，或在底鋼板上設(shè)置焊釘連接件。

圖3 組合橋面板概念示意

圖4 組合橋面板不同的構(gòu)造細(xì)節(jié)

與鋼筋混凝土橋面板相比，組合橋面板有如下優(yōu)點：

（1）跨徑大：組合橋面板的最大跨徑達10 m，可以滿足少主梁體系的要求。

（2）施工安全快速：鋼結(jié)構(gòu)為工廠制造，現(xiàn)場作業(yè)只有架設(shè)、配置鋼筋和混凝土打設(shè)?？梢允÷匀磕０?、腳手架安裝拆除作業(yè)，施工工序大幅度減少。底鋼板的預(yù)制裝配化構(gòu)造形成了安全的施工平臺，不占用主梁以下空間，適合城市跨線橋梁。

（3）恒載降低：底鋼板作為下層鋼筋承擔(dān)拉應(yīng)力，減少板厚，降低橋面板自重。

（4）疲勞耐久性高：通過輪載行車試驗等各種實驗確認(rèn)具有與預(yù)應(yīng)力橋面板等同的高耐久性，并且由于存在底鋼板，不用擔(dān)心混凝土片剝離落下。

（5）使用期間出現(xiàn)問題，鋼面板也可以替換。進行局部交通限制，可以不斷交完成修復(fù)。

組合橋面板的成本與現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板相同，但工期縮短程度可比預(yù)制混凝土板，此外，與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板相比，組合橋面板還有如下優(yōu)點：

（1）輕量的鋼結(jié)構(gòu)板運輸容易，根據(jù)現(xiàn)場搬運條件制約的不同，面板分割自由度較大。

（2）跨線橋和跨道橋施工期間腳手架的設(shè)置、梁下空間的利用上受到制約，可以采用鋼梁鋼面板一起頂推施工方法或整跨吊裝施工方法。例如與槽型鋼箱梁一起使用，不需額外橫撐就提高了施工期間穩(wěn)定性，使得組合橋面板的好處最大限度發(fā)揮。

（3）適用階段性地分割施工容易，例如對進行一期施工完成的橋進行二期施工拓寬。而預(yù)應(yīng)力橋面板拓寬需二次張拉，施工難度較大。

4 組合橋面板的設(shè)計和維護

組合橋面板是一種將帶有加勁的鋼板在鋼梁上架設(shè)后，現(xiàn)場配筋并澆注混凝土使之一體化的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)作為鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計。在一般情況下，組合前的荷載由鋼板承擔(dān)，組合后由鋼混組合斷面承擔(dān)。組合橋面板的設(shè)計，與鋼筋混凝土橋面板和預(yù)應(yīng)力橋面板一樣，假設(shè)為各向同性、滿足平截面法則，適用于邊長比1：2以上。以下為一些設(shè)計參數(shù)選取方法，橋建協(xié)標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板設(shè)計參數(shù)見表1。

（1）橋面板最小板厚：取公式（1）計算結(jié)果和160 mm中的較大值。

hc=25L+110 （1）式中：hc為包括底鋼板的橋面板最小厚度（mm）；L為板跨徑（m）。

（2）主梁間距：最大可達10 m，但一般宜小于8 m，主梁間距與懸臂長度比宜在1:0.4以下。懸臂長度大于2.5～3.0 m時，宜設(shè)置小縱梁和斜撐。

（3）承托高度：出于混凝土填充性考慮，承托高度一般取100 mm。在橫坡大且曲率半徑小的場合，高低端承托高度最好相同。

（4）混凝土：由于受到底鋼板、加勁肋等的約束，考慮補償初始收縮，組合橋面板應(yīng)采用膨脹混凝土?；炷力襝k≥30 MPa、粗骨料直徑不大于20 mm、塌落度不小于8 cm，填充性應(yīng)由施工試驗證實。

（5）配筋：為了控制連續(xù)組合梁中支點負(fù)彎矩區(qū)裂縫寬度，所需配筋率大于1.3%，鋼筋應(yīng)力低于120 MPa。

（6）鋼結(jié)構(gòu)防腐：組合橋面板表面防腐一般有富鋅涂料、熱鍍鋅、鋅鋁、鋅鎂合金熱噴涂和無漆的耐候鋼四種類型。應(yīng)考慮全壽命費用后決定防腐類型，橋面板應(yīng)該采取與主梁相同樣式。如果適用在寒冷地區(qū)等撒播防凍劑和融雪劑的地域應(yīng)采取熱鍍鋅并在澆注混凝土前在底鋼板頂面涂裝厚膜的聚合物水泥材料等[4][5]。

維護管理方面，與鋼筋混凝土板及預(yù)應(yīng)力橋面板一樣，雨水滲透將減少組合橋面板耐久性。因此，適當(dāng)?shù)呐潘到y(tǒng)位置和防水層施工質(zhì)量很重要。另外還應(yīng)重視雨水滲入的早期監(jiān)測，應(yīng)積極在鋼面板上設(shè)置監(jiān)測孔，特別是在容易滲水的連續(xù)梁中支點處，及橋面板混凝土澆注接縫處，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)損壞的防水層。

為確定是否必須修理時，把活載撓度大于組合橋面板跨徑L/1000作為剛度降低的評定標(biāo)準(zhǔn)。組合橋面板可采用各種無損檢測方法進行健康檢測，如混凝土內(nèi)部空隙的檢測方法如錘擊振動檢測、超聲波探傷、紅外線攝像法等；橋面板損傷的撓度檢測方法有FWD方法、行車荷載激光多普勒測振儀變形動態(tài)測試方法。如需修補橋面板，可在單側(cè)交替通行條件下采用射水方法切除混凝土，這種方法已有施工實例。一些公司正在開發(fā)專門吊裝設(shè)備以加快維修速度。

5 結(jié)語

我國組合橋面板的已有初步研究和應(yīng)用，廣東佛山市東平大橋采用了開孔鋼板加勁肋的組合橋面板，并進行了板結(jié)構(gòu)正負(fù)彎矩靜載試驗[6]。西安建筑科技大學(xué)楊勇等學(xué)者采用簡支梁的加載方法對一組不同參數(shù)的組合橋面板進行的動靜載試驗[7]。但對設(shè)計參數(shù)及試驗方法的研究仍在起步階段。

總的來看我國在鋼-混凝土組合橋梁結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用方面相對落后，相關(guān)研究很不深人，特別是基礎(chǔ)理論研究滯后。至今需要開展的工作量大、涉及面廣，目前組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計指南或規(guī)范尚不完善，設(shè)計和推廣這種結(jié)構(gòu)存在很大困難。鑒于以上情況，即使采用組合結(jié)構(gòu)橋梁，往往經(jīng)濟指標(biāo)偏高，不能充分體現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢[8]。

表1 橋建協(xié)標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板設(shè)計參數(shù)(主梁間距6 m，橋?qū)?1.5 m)

中國未來的交通發(fā)展仍然需要修建大量的橋梁，迫切需要提高橋梁耐久性、使用性、環(huán)保性和景觀性，并降低工程造價。組合橋面板與目前采用的混凝土橋面板和預(yù)應(yīng)力橋面板相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、維修更趨合理并且全壽命費用低，應(yīng)該抓住大好時機在未來城市橋梁等的建設(shè)中大力發(fā)展。

[1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.[2]日本橋梁建設(shè)協(xié)會.新鋼橋的誕生II改訂版[M].2004.

[3]日本橋梁建設(shè)協(xié)會技術(shù)委員會橋面板小委員會.組合橋面板的期望-開發(fā)的歷史、現(xiàn)狀和未來[R].2006.

[4]道橋示方書II鋼橋篇[S].2002.

[5]Yoshihiro TACHIBANA,Fumisato TAKAYAMA.The Relationship between the SC Deck's Structural Details and Internal Stresses[J].川田技報,2008,27.

[6]占玉林,趙人達,毛學(xué),等.鋼-混凝土組合橋面板試驗研究與理論分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2006(3).

[7]楊勇,周丕健,聶建國,等.鋼板-混凝土組合橋面板靜力與疲勞性能試驗[J].中國公路學(xué)報,2009(4).

[8]邵長宇.城市高架組合結(jié)構(gòu)橋梁國際發(fā)展概況[J].上海公路,2008(1).