張 超，段亞軍，胡祥森

（1.湖州城建投資集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313000；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310031）

0 引言

鋼材和混凝土是橋梁建造常用的2 種建筑材料，二者在力學(xué)性能及物理性能上各有優(yōu)劣，采用單一的材料進(jìn)行建造往往受到材料本身制約。

混凝土構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)為：整體性好、延性好、耐久性和耐火性較好、可模性好、強(qiáng)度較高、易于就地取材。缺點(diǎn)為：自重大、抗裂性較差、施工復(fù)雜、工期較長(zhǎng)。

鋼材優(yōu)點(diǎn)為：質(zhì)輕、塑性和韌性好、材質(zhì)接近于勻質(zhì)和各向同性體、制造簡(jiǎn)便、密封性好、耐熱性好。缺點(diǎn)為：防火性能差、鋼材易銹蝕，應(yīng)采取防護(hù)措施。鋼材耐熱但不耐高溫，其強(qiáng)度隨著溫度升高而降低。鋼材在潮濕環(huán)境中，特別是處于有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中易銹蝕，必須刷涂料或鍍鋅，并且在使用期間應(yīng)定期維護(hù)。

鋼板組合梁橋在受拉區(qū)配置鋼主梁，在受壓區(qū)配置混凝土橋面板，二者之間通過(guò)抗剪構(gòu)件連接，如圖1 所示。

鋼板組合梁橋的構(gòu)造既避免了混凝土在受拉區(qū)域開(kāi)裂，也防止了鋼梁受壓側(cè)向失穩(wěn)問(wèn)題。與混凝土梁比較，鋼板組合梁有自重輕的優(yōu)勢(shì)；與鋼梁比較，鋼板組合梁有頂板剛度大的優(yōu)勢(shì)。鋼板組合梁橋構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 鋼板組合梁橋

圖2 鋼板組合梁橋構(gòu)造示意圖

1 鋼板組合梁橋國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)

1.1 鋼板組合梁橋在國(guó)外的發(fā)展

鋼板組合橋梁最早從歐洲發(fā)展起來(lái)，德國(guó)在1937 年進(jìn)行了鋼板組合梁的加載試驗(yàn)，并于1950年前后召開(kāi)了幾次關(guān)于鋼板組合梁結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會(huì)議，其中許多鋼板組合梁的計(jì)算理論及實(shí)際工程應(yīng)用被相繼介紹，并且制定了關(guān)于道路橋的鋼板組合梁設(shè)計(jì)指南。美國(guó)于1954 年開(kāi)始進(jìn)行鋼板組合梁焊釘連接件的承載能力和疲勞性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究前后開(kāi)展將近20 a，相關(guān)的研究成果應(yīng)用到了美國(guó)高速公路橋的設(shè)計(jì)規(guī)范中。日本于1950 年開(kāi)始嘗試建造鋼板組合梁橋，并于1959 年制定了關(guān)于公路橋的鋼板組合梁橋設(shè)計(jì)施工規(guī)范[1]。

這些早期發(fā)展起來(lái)的鋼板組合梁橋具有的共同特點(diǎn)是：雖然設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮與橋面板的組合作用，但是構(gòu)造設(shè)計(jì)與非組合梁橋相似，同樣采用多主梁，各主梁之間設(shè)置許多橫梁、水平及豎向橫撐，在腹板上焊接大量縱橫向加勁肋，以保證各個(gè)桿件之間的整體性。典型的鋼板組合梁橋構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 早期鋼板梁橋的典型設(shè)計(jì)圖

這種結(jié)構(gòu)體系的鋼板組合梁橋，構(gòu)件數(shù)量多且復(fù)雜、焊縫數(shù)量大、構(gòu)件的加工成本高、維護(hù)困難、施工復(fù)雜；并且構(gòu)件的受力及傳力不夠明確，不能充分利用各個(gè)桿件的性能，此外，局部構(gòu)造的疲勞破壞也是突出問(wèn)題。這些都限制著鋼板組合梁橋的廣泛應(yīng)用[1]。

1.2 鋼板組合梁橋在國(guó)外的實(shí)例應(yīng)用

美國(guó)新紐約大橋（見(jiàn)圖4），其單幅寬度約25 m，橫橋向采用5 片主梁，主梁中間設(shè)置4 道小縱梁。主梁間距約5.5 m 左右，間距較大，但其橫梁及小縱梁的設(shè)置方式仍屬于多主梁體系。

圖4 美國(guó)新紐約大橋

法國(guó)從20 世紀(jì)80 年代后期開(kāi)始集中進(jìn)行鋼板組合梁橋的研究與設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)的鋼板梁橋進(jìn)行了最大程度的簡(jiǎn)化，采用2 根鋼主梁形式的鋼板梁橋成為中小跨徑橋梁應(yīng)用的主流方案。

法國(guó)于1990 年建成的Hopital 橋如圖5 所示，它采用非支撐橫梁設(shè)置的鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)體系，跨度為59.0 m+2×64.0 m +33.0 m，主梁間距12.6 m，梁高3.2 m，高跨比達(dá)到1/20，橋面板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力[1]。

圖5 法國(guó)Hopital 橋（單位：mm）

瑞士近年來(lái)也逐漸將雙主梁鋼板組合梁橋加以簡(jiǎn)化，嘗試只有2 根主梁形式的鋼板梁橋，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，優(yōu)化了橫梁的數(shù)量和高度、加勁肋的數(shù)量和位置，取消了橫撐；同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)焊釘群的方法，解決了在給混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力時(shí)預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鋼梁中的問(wèn)題，作為標(biāo)準(zhǔn)橋型之一在瑞士國(guó)內(nèi)得到了大范圍采用。

圖6 顯示了鋼板組合梁橋橫截面布置形式在不同年代的變遷過(guò)程，可以看出從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始已經(jīng)基本上不設(shè)置橫撐及腹板縱向加勁肋了。

2 鋼板組合梁橋在國(guó)內(nèi)的使用現(xiàn)狀

鋼板組合梁橋在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)踐尚處于起步階段，主要的發(fā)展是在鐵路橋領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于早期的多主梁形式的鋼板梁橋，設(shè)置復(fù)雜的橫梁、橫撐及加勁裝置。鋼板組合梁橋在我國(guó)公路橋的應(yīng)用不多，在跨線橋、引橋及匝道橋等中小跨度橋梁中有少量應(yīng)用，因此我國(guó)建造鋼板組合梁橋缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)。并且對(duì)鋼板組合梁設(shè)計(jì)指導(dǎo)體系、設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)理論及方法等均掌握欠缺，這些不利因素導(dǎo)致鋼板組合梁橋在我國(guó)推廣及應(yīng)用緩慢。

圖6 鋼板組合梁橋橫截面形式的變遷

2.1 應(yīng)用背景

隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)已經(jīng)具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩是推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機(jī)，同時(shí)也是落實(shí)《國(guó)務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2016〕6 號(hào)）要求，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措。為推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》（交公路發(fā)〔2016〕115 號(hào)）[2]，決定推進(jìn)鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁等公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，提升公路橋梁品質(zhì)，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能優(yōu)勢(shì)，助推公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。該指導(dǎo)意見(jiàn)中明確在新建大跨、特大跨徑橋梁中將以鋼結(jié)構(gòu)為主，新改建其他橋梁時(shí)鋼結(jié)構(gòu)比例將明顯提高。

2.2 應(yīng)用條件

結(jié)構(gòu)方面：混凝土結(jié)構(gòu)較鋼結(jié)構(gòu)自重大，抗裂性能差，結(jié)構(gòu)效率低，當(dāng)跨度增加時(shí)，抵抗自重所需材料成倍增長(zhǎng)，導(dǎo)致上下部結(jié)構(gòu)工程量增加[3]。而鋼結(jié)構(gòu)自重小，材料效率高，可憑借較小的自重抵抗較大的外部荷載。

成本方面：混凝土橋梁的建設(shè)成本較鋼結(jié)構(gòu)橋梁低。測(cè)算表明，中小跨徑混凝土橋梁造價(jià)較鋼結(jié)構(gòu)橋梁低450 元/m2至650 元/ m2左右，但該價(jià)差隨跨徑增大而逐步縮小。從養(yǎng)護(hù)成本看，鋼橋比混凝土橋梁全壽命養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低200 元/ m2左右。故從全壽命周期來(lái)測(cè)算，鋼橋與混凝土橋梁成本相差無(wú)幾[3]。

環(huán)保方面：混凝土結(jié)構(gòu)拆除形成的建筑垃圾會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)較大影響，而鋼材無(wú)限循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)是混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法相比的。

材料方面：公路鋼橋以Q355D、Q390D、Q420D等常規(guī)鋼材為主。中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)披露，公路橋梁各類(lèi)鋼材和線材產(chǎn)能充足。

設(shè)計(jì)方面：最新修訂的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）、《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）、《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 714—2015）、《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2018）等已經(jīng)頒布實(shí)施。

加工方面：目前橋梁鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)產(chǎn)能充足，如杭蕭鋼構(gòu)、東南網(wǎng)架等。

施工方面：目前行業(yè)內(nèi)橋梁施工企業(yè)總體過(guò)剩，但除中鐵、中建、中交等大型施工央企外，其他小型施工單位一般都不具備鋼結(jié)構(gòu)的施工資質(zhì)。

綜上所述，鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，能夠充分發(fā)揮鋼材與混凝土2 種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。雖然建設(shè)初期成本比混凝土橋梁略高一些，但全壽命周期成本與混凝土橋梁相差不大，從材料、設(shè)計(jì)、加工和施工方面來(lái)看，鋼板組合梁橋的應(yīng)用條件也已非常成熟。

2.3 應(yīng)用案例分析

鋼板組合梁橋在浙江、陜西、安徽、湖南等地都已有應(yīng)用。本文收集了部分省份的鋼板組合梁橋公路應(yīng)用方案,并對(duì)這些方案的應(yīng)用特點(diǎn)、鋼板梁尺寸構(gòu)造及用鋼量指標(biāo)等進(jìn)行比較，見(jiàn)表1～表3。

表135 m 中小跨徑鋼板組合梁橋方案特點(diǎn)比較

表中4 個(gè)方案均為雙主梁鋼板組合梁橋，其中安徽省某1 號(hào)高速為支撐式橫梁，其余3 個(gè)方案均為非支撐式橫梁。支承橫梁體系的橋面板受力主方向在縱橋向，鋼材用量較大，橋面板板厚較小，但接縫多；非支撐橫梁體系的橋面板主受力方向在橫橋向，需要較厚的橋面板，有連接簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

表235 m 中小跨徑鋼板組合梁橋尺寸構(gòu)造比較 mm

表335 m 中小跨徑鋼板組合梁橋用鋼量比較（中跨半幅）

安徽省某2 號(hào)高速為6 車(chē)道，浙江省某高速為4 車(chē)道設(shè)計(jì)方案。相比兩者的用鋼量，對(duì)于雙工字鋼板組合梁來(lái)說(shuō)，6 車(chē)道比4 車(chē)道單位面積的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更好。而雙工字鋼板組合梁的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于多工字鋼板組合梁，多工字鋼板組合梁?jiǎn)挝幻娣e用鋼量一般達(dá)到200 kg/m2左右，但雙工字鋼板組合梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性略差一些。

陜西省由于地處北方，氣候干燥，為了提高鋼板梁橋的耐久性，陜西省某高速公路方案選擇了耐候鋼材料，而非普通低碳合金鋼。在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，使用耐候鋼能夠節(jié)省初期的涂裝費(fèi)用，并且在全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性更高。

3 鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑

隨著施工技術(shù)的普及，鋼板組合梁橋的應(yīng)用范圍越來(lái)越寬。工字組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑為35～90 m，箱形組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑則為70～120 m。

對(duì)于35～100 m 的中小跨徑公路橋梁，鋼板組合梁橋具有結(jié)構(gòu)輕、架設(shè)快、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境簡(jiǎn)單、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是橋梁工業(yè)化發(fā)展的主要方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)鋼板組合梁橋國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)情況及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，對(duì)國(guó)內(nèi)4 條高速上所設(shè)計(jì)的鋼板組合梁橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、尺寸構(gòu)造及用鋼量進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比，對(duì)鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑進(jìn)行了總結(jié)。鋼板組合梁橋在35～100 m 跨徑中應(yīng)用廣泛，其經(jīng)濟(jì)性較高；中小跨徑鋼板組合梁橋正逐步從多主梁向少主梁到雙主梁的趨勢(shì)過(guò)渡，該種橋型結(jié)構(gòu)形式會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)潔，基本上不設(shè)置橫撐和腹板縱向加勁肋，被認(rèn)為是一種極具經(jīng)濟(jì)性的橋梁形式。