秦 飛

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

組合結(jié)構(gòu)橋梁以其受力的合理性和造價的經(jīng)濟性而在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家的橋梁建設(shè)中占有重要地位。而近年來在交通部“推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)”和“綠色公路”等理念的指導(dǎo)下，組合結(jié)構(gòu)橋梁也在國內(nèi)公路建設(shè)中得到了積極的推廣與應(yīng)用。而北方地區(qū)受低溫嚴(yán)寒、冰雪凍融以及冬季除雪等建設(shè)條件的影響，組合鋼板梁橋的設(shè)計中也存在著諸多問題亟待解決。

1 結(jié)構(gòu)形式選擇

組合鋼板梁橋一般可根據(jù)主梁數(shù)量，劃分為雙主梁和多主梁兩種結(jié)構(gòu)形式。而在橋梁方案設(shè)計階段，應(yīng)充分結(jié)合項目的具體建設(shè)條件，綜合考慮各方面因素，并以結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越、加工架設(shè)便捷、綜合造價經(jīng)濟為基本原則，科學(xué)、合理地選擇組合鋼板梁橋的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)形式

雙主梁方案是組合鋼板梁橋應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)組合鋼板梁橋相比，雙主梁方案在大量理論與試驗研究的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)造進(jìn)行了大幅的簡化，具有構(gòu)造簡潔、制造方便、經(jīng)濟耐久等諸多優(yōu)點。因此在無特殊建設(shè)條件限制的情況下，對于中等跨徑、三車道以下的公路組合鋼板梁橋可優(yōu)先采用雙主梁方案。而受橋面板橫向跨徑的影響，當(dāng)橋?qū)捿^小時(B<12.5m)，建議采用橋面板施工較為便捷的小橫梁結(jié)構(gòu)；而當(dāng)橋?qū)捿^大時(B>12.5m)，為減小橋面板橫向受力，降低橋梁荷載，則建議選擇大橫梁結(jié)構(gòu)。

組合梁的橋面板自重所占的荷載比例較高，且后澆施工又使其僅能部分參與受力，考慮到組合梁橋這一受力特點，在以下建設(shè)條件限制下，建議優(yōu)先選用組合鋼板梁的多主梁方案。

(1)北方地區(qū)冬季低溫嚴(yán)寒的氣候環(huán)境特點顯著增加了鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的風(fēng)險，而雙主梁方案傳力途徑單一、結(jié)構(gòu)體系冗余度偏低且強健性不足的先天缺陷又更加突顯了這一問題的嚴(yán)重性。而多主梁方案可通過荷載的多路徑傳遞，有效地減小鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂所產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。因此對于重載交通比例高的干線公路橋梁，多主梁方案具有更好的結(jié)構(gòu)安全性。

(2)當(dāng)橋梁跨徑較小時(L≤20m)，雙主梁方案往往需要加大鋼梁高度來滿足受力要求，因此結(jié)構(gòu)的建筑高度較大。而多主梁方案可以通過增設(shè)主梁來降低結(jié)構(gòu)的建筑高度，并進(jìn)一步采用熱軋型鋼來替代焊接鋼梁，使結(jié)構(gòu)的構(gòu)造更為簡潔，加工制造更為方便。因此對于小跨徑橋梁，多主梁方案具有更好的適應(yīng)性。

(3)當(dāng)橋面寬度較寬(B>16.5m)，設(shè)計車道數(shù)多于三車道后，雙主梁方案往往需要加厚橋面板來抵抗其橫向彎曲受力，從而大幅增加了組合梁的結(jié)構(gòu)受力與鋼材用量，降低了其經(jīng)濟性。因此對于寬幅橋梁，多主梁方案具有更好的經(jīng)濟性。

2 鋼梁防疲勞、防脆斷設(shè)計

疲勞與脆性斷裂問題是鋼結(jié)構(gòu)的主要缺點之一，而北方地區(qū)低溫嚴(yán)寒的氣候環(huán)境與橋梁的動載效應(yīng)又進(jìn)一步加重了這一問題的影響，因此北方地區(qū)組合鋼板梁橋的設(shè)計中，應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞、脆斷問題予以充分的重視。

2.1 鋼材選用

為防止組合梁橋出現(xiàn)疲勞、脆斷破壞，首先應(yīng)選用有足夠韌性的鋼材。按我國現(xiàn)行規(guī)范要求，公路鋼橋?qū)τ阡摬牡臎_擊韌性要求如表1中所示。

表1 鋼材沖擊韌性要求

而由表2可知，目前我國所生產(chǎn)的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼均能較好地滿足公路鋼橋?qū)τ阡摬牡臎_擊韌性要求。但當(dāng)橋梁處于極端低溫(低于-40℃)的工作環(huán)境下時，建議可優(yōu)先選用具有更好沖擊韌性的橋梁用結(jié)構(gòu)鋼，以進(jìn)一步降低鋼梁的疲勞、脆斷的風(fēng)險。

表2 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性要求

2.2 板厚及拉應(yīng)力控制

除受到工作溫度與荷載性質(zhì)的影響之外，鋼板的厚度以及應(yīng)力狀態(tài)也顯著地影響著鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞、脆斷性能。因此在組合鋼板梁橋設(shè)計中，應(yīng)進(jìn)一步對鋼板厚度及使用拉應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的限制與要求。

我國現(xiàn)行的鐵路鋼橋規(guī)范已在考慮最低設(shè)計溫度的同時，進(jìn)一步結(jié)合焊接方式給出了受拉焊接構(gòu)件的板件最大厚度及相應(yīng)拉應(yīng)力要求。但由于鐵路橋梁的動力效應(yīng)相比于公路橋梁更為突出，因此相應(yīng)的要求也十分嚴(yán)格。如針對常用的Q345D牌號鋼材，在0～-40℃的工作溫度下，當(dāng)結(jié)構(gòu)順應(yīng)力及垂直應(yīng)力方向均有焊縫時，按現(xiàn)行鐵路規(guī)范要求，鋼結(jié)構(gòu)的最大使用板厚僅為35mm，而對應(yīng)的最大允許設(shè)計拉應(yīng)力也僅為135MPa。因此如教條地遵循鐵路規(guī)范，而不考慮公路橋梁的實際情況，在組合鋼板梁橋設(shè)計中將不得不通過加大鋼梁高度、降低設(shè)計拉應(yīng)力來滿足要求，這又將顯著地降低組合鋼板梁橋的適用性與經(jīng)濟性。

隨著近年來國標(biāo)鋼材的國際化的推進(jìn)，建議北方地區(qū)組合鋼板梁橋的設(shè)計中，可適當(dāng)參照表3中歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中對最大允許使用板厚的相關(guān)要求，進(jìn)一步優(yōu)化、完善低溫嚴(yán)寒環(huán)境下的鋼梁防疲勞、脆斷設(shè)計。

表3 歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范最大允許使用板厚(mm)

注：括號內(nèi)為對應(yīng)的國標(biāo)鋼牌號

2.3 構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計

殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中是鋼結(jié)構(gòu)疲勞、脆斷破壞的另一主要誘因。公路組合梁橋設(shè)計中應(yīng)力求通過合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，進(jìn)而有效地降低鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中水平，提升鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞、脆斷性能。

鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力主要是由鋼板焊接所產(chǎn)生，因此在公路鋼混組合鋼板梁橋設(shè)計中，為盡量減小殘余應(yīng)力，應(yīng)盡量采用大尺寸規(guī)格的鋼板材，以減少拼接焊縫的數(shù)量，并在降低焊縫尺寸的同時，避免焊縫過分集中及多條焊縫交匯。同時，在組合鋼板梁橋現(xiàn)場節(jié)段焊接連接時，應(yīng)盡量選擇在結(jié)構(gòu)受力較小的部位，而當(dāng)不可避免地需在結(jié)構(gòu)受力較大部位進(jìn)行連接時，如墩頂位置附近，就應(yīng)盡量采用高強螺栓來替代焊接連接。

此外在同等加工制造難度下，鋼結(jié)構(gòu)在板件正交拼接時宜盡可能地設(shè)置一定的構(gòu)造倒角，以減小節(jié)點的應(yīng)力集中。如在墩頂支承橫梁與主梁翼緣連接處，墩頂橋面板開裂與冬季噴灑除冰鹽的共同作用使得該處連接處于嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境之下，但由于橋面板的存在，此處連接不但難以檢查，且破壞的后果十分嚴(yán)重，因此該處連接應(yīng)采用熔透焊縫，并盡量設(shè)置圓弧倒角，以使應(yīng)力平順過渡，從而獲得更好的受力性能。

圖2 墩頂附近高強螺栓連接

圖3 主梁與大橫梁上翼緣圓弧倒角過渡

3 混凝土橋面板耐久性設(shè)計

橋面板不但直接承受交通荷載，且位于組合鋼板梁橋最頂層，直接暴露在惡劣的工作環(huán)境之下。因此，盡量減小冰雪凍融與除冰鹽對橋面板的侵蝕作用，提高橋面板的耐久性能，一直是北方地區(qū)組合梁橋設(shè)計的核心目標(biāo)。

3.1 橋面板抗裂設(shè)計

裂縫是混凝土性能退化、鋼筋銹蝕的主要原因之一，而橋面板縱向拉應(yīng)力大小及開裂風(fēng)險又與橋梁跨徑直接相關(guān)，所以不同跨徑組合鋼板梁橋所對應(yīng)的抗裂設(shè)計方法也是不同的。

對于數(shù)量眾多、標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的中小跨徑橋梁來講，合理、良好的橋面板抗裂設(shè)計應(yīng)在確保結(jié)構(gòu)耐久性的同時，進(jìn)一步充分考慮橋梁的工業(yè)化建設(shè)要求。因此中小跨徑組合鋼板梁橋應(yīng)優(yōu)先從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來解決橋面板的抗裂問題，而盡量避免采用支點升降、橋面板分期分段澆注等施工措施。當(dāng)橋梁跨徑小于20m時，可優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，從而有效規(guī)避橋面板的開裂；而當(dāng)橋梁跨徑處于30～45m范圍時，雖然配置預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)防開裂和采用高配筋限制裂縫寬度的技術(shù)對策均是可行、有效的，但鑒于橋面板高配筋設(shè)計配合預(yù)制施工能更好地實現(xiàn)橋梁的標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化建設(shè)，因此當(dāng)項目工程規(guī)模較大時建議予以優(yōu)先采用。

對于數(shù)量較少、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低的大跨徑組合梁橋，其負(fù)彎矩區(qū)橋面板內(nèi)拉應(yīng)力較大，因此單獨采用一種工程技術(shù)措施不但將加大橋面板抗裂設(shè)計的難度，也會顯著地影響設(shè)計方案的經(jīng)濟性。如僅采用高配筋的抗裂設(shè)計方法，經(jīng)常會導(dǎo)致過大的配筋需求，從而通過采用適當(dāng)?shù)匿摻钪睆脚c數(shù)量來有效控制裂縫寬度。所以大跨徑組合橋梁的橋面板抗裂設(shè)計，應(yīng)對配置預(yù)應(yīng)力、采用高配筋以及調(diào)整支點高度、橋面板分期分段澆注等設(shè)計、施工措施進(jìn)行綜合利用，從而達(dá)到受力性能優(yōu)越、綜合造價經(jīng)濟的目標(biāo)。

3.2 橋面板可更換設(shè)計

目前組合梁橋通常采用先架設(shè)鋼梁后結(jié)合混凝土橋面板的施工工藝，即在施工期鋼梁就需要獨自承受自身及橋面板自重，由于組合梁橋的這一受力特點，建議可將組合梁橋面板設(shè)計為可更換構(gòu)件，進(jìn)而保證其全壽命周期內(nèi)的安全性與耐久性。

考慮到運營期橋面板實際破損情況的不可預(yù)見性，在進(jìn)行橋面板更換設(shè)計時，應(yīng)分別給出局部更換與整體更換兩種更換方案。對于橋面板局部更換方案，由于同一截面內(nèi)橋面板全部更換對組合梁截面的削弱較大，因此建議同一截面內(nèi)的橋面板在橫向分期分段進(jìn)行更換，以盡量降低橋面板更換對組合梁橋局部鋼梁受力的影響。而對于橋面板整體更換方案，則應(yīng)重點考量橋面板縱向更換順序?qū)τ诮M合梁橋整體結(jié)構(gòu)安全性的影響，而組合梁在跨中及支點等位置受力最大，維修更換時必然導(dǎo)致鋼梁應(yīng)力的顯著增加，因此一般來講，建議從梁體受力較小的反彎點附近開始更換，并逐步更換至梁體受力最大的跨中及支點位置。見圖4。

圖4 鋼板組合梁橋面板可更換設(shè)計

3.3 橋面板附加耐久性措施

在設(shè)計中，應(yīng)用一些附加措施也可顯著地提高組合梁橋面板的耐久性，如使用多級復(fù)合橋面防水體系、采用高性能混凝土以及應(yīng)用環(huán)氧涂層鋼筋等。而在北方地區(qū)，為避免橋面板結(jié)構(gòu)直接遭受環(huán)境侵蝕，最普遍采用的附加耐久性措施是在橋面板頂面增設(shè)混凝土鋪裝層，但當(dāng)前設(shè)計中僅將混凝土鋪裝層作為結(jié)構(gòu)耐久性的安全儲備，因此這一附加耐久性措施的設(shè)計理念仍有待進(jìn)一步改進(jìn)與完善。一方面，由于混凝土鋪裝層的防護，橋面板結(jié)構(gòu)避免了直接遭受冰雪凍融與除冰鹽等環(huán)境的侵蝕作用，因此在設(shè)計中，可適當(dāng)降低橋面板的環(huán)境腐蝕等級，并相應(yīng)放寬其結(jié)構(gòu)的抗裂要求。另一方面，混凝土鋪裝層作為橋梁的附屬結(jié)構(gòu)，在橋梁設(shè)計使用年限內(nèi)是允許進(jìn)行銑刨、重鋪的，所以在設(shè)計中應(yīng)盡量減小混凝土鋪裝層的厚度，以降低組合鋼板梁橋的荷載作用，從而在保證結(jié)構(gòu)耐久性的同時，進(jìn)一步有效地提高組合鋼板梁橋的經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

結(jié)合我國北方地區(qū)的建設(shè)條件，從結(jié)構(gòu)形式選擇、鋼梁防疲勞、脆斷設(shè)計及橋面板耐久性設(shè)計三個角度出發(fā)，分析、總結(jié)了北方地區(qū)公路組合鋼板梁橋的設(shè)計要點及所建議采取的技術(shù)對策，以期為橋梁設(shè)計人員提供一些有益的借鑒與參考。