段亞軍,謝敏杰，熊必章,王立超

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

鋼板組合梁橋設(shè)計(jì)應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力明確、便于加工，有利于發(fā)揮鋼材的材料特性。應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)制造、裝配的要求，通過(guò)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)橋梁的強(qiáng)度、剛度等主要性能起決定作用。國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)指南均基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)梁高參數(shù)的取值進(jìn)行了建議，其中同濟(jì)大學(xué)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(shè)計(jì)指南的建議高跨比和計(jì)算公式見(jiàn)表1。綜合比較中外設(shè)計(jì)指南對(duì)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(duì)35m跨徑的鋼板梁橋進(jìn)行試設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)研究比較發(fā)現(xiàn)，較經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(duì)腹板厚度的建議取值。

表3 腹板厚度相關(guān)建議

表4為各規(guī)范及設(shè)計(jì)指南對(duì)于翼緣板設(shè)計(jì)參數(shù)的建議尺寸。可以發(fā)現(xiàn)，除滿足強(qiáng)度條件外，從穩(wěn)定性的角度出發(fā)，各規(guī)范對(duì)翼緣板的自由肢寬厚比進(jìn)行了規(guī)定。

表4 翼緣厚度建議尺寸

當(dāng)鋼板組合梁的腹板存在穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置加勁肋的方式以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)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(dāng)需要設(shè)置縱向加勁肋時(shí)，一般采用板式加勁肋，三面圍焊至主梁。當(dāng)腹板穩(wěn)定控制需要設(shè)置縱向加勁肋時(shí)，常焊接在腹板上，并在豎向加勁肋處斷開(kāi)。

加勁肋的厚度對(duì)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(duì)應(yīng)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(qiáng)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(duì)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(dāng)設(shè)置的腹板縱橫比α小于1.5時(shí)，豎向加勁肋能顯著提高鋼板組合梁的屈曲穩(wěn)定性能；當(dāng)腹板縱橫比α超過(guò)1.5時(shí)，豎向加勁肋對(duì)于鋼板組合梁屈曲穩(wěn)定性能的貢獻(xiàn)很小。因此，當(dāng)需要設(shè)置腹板豎向加勁肋時(shí)，腹板縱橫比α需要小于1.5，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)范》中一般要求α≤1.5且b≤2，同濟(jì)大學(xué)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(lái)的問(wèn)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(jià)也有待考證。分節(jié)段數(shù)太少，好處是方便了現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量，但增加了運(yùn)輸?shù)睦щy。結(jié)合運(yùn)輸車(chē)的最大載重，一般鋼板組合梁橋縱向分段最大不宜超過(guò)17.5m。鋼板組合梁分段在考慮運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)上應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭，確保工程質(zhì)量，應(yīng)將焊縫長(zhǎng)度作為鋼板組合梁設(shè)計(jì)指標(biāo)加以考量。

考慮到工廠內(nèi)自動(dòng)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(chǎng)條件較差，防風(fēng)防雨措施一般不到位，焊接現(xiàn)場(chǎng)的溫度濕度控制也較難滿足要求，再加上現(xiàn)場(chǎng)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(duì)接接頭及主梁和橫梁工地接頭。

3 墩頂混凝土橋面板

對(duì)于連續(xù)的鋼板組合梁橋，在支座負(fù)彎矩區(qū)，混凝土橋面板受到較大的拉應(yīng)力，易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板很快因開(kāi)裂退出工作。開(kāi)裂后組合梁的剛度減弱，裂縫較大時(shí)有害介質(zhì)會(huì)通過(guò)裂縫滲入到混凝土中，嚴(yán)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(hù)工作的困難。

根據(jù)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板的性能要求，可以分為不允許拉應(yīng)力發(fā)生、不允許裂縫產(chǎn)生、限制裂縫寬度等3種設(shè)計(jì)方法。為了抵抗負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，常用的技術(shù)措施有：調(diào)整施工順序、頂升中支點(diǎn)、配置預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(huì)使得原本施加在混凝土上的預(yù)壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移到鋼梁上，不能有效防止拉應(yīng)力的出現(xiàn)。此時(shí)負(fù)彎矩區(qū)橋面板可按普通鋼筋混凝土或高性能混凝土設(shè)計(jì)，采用調(diào)整施工順序、控制裂縫寬度的方法來(lái)滿足耐久性設(shè)計(jì)要求。

在橋面板的預(yù)制和安裝過(guò)程中，通過(guò)合適的工藝和施工順序，有效避免施工過(guò)程及一期恒載產(chǎn)生的負(fù)彎矩，減小橋面板受到的拉應(yīng)力。具體做法：先吊裝跨中板件，再吊裝支點(diǎn)附近板件；先吊裝邊跨，再吊裝中跨。由于預(yù)制鋼梁存在預(yù)拱度，跨中部分預(yù)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(qiáng)度可達(dá)8～10MPa，在支點(diǎn)負(fù)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(yù)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(qiáng)度高的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整橋面板的架設(shè)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(diǎn)是施工簡(jiǎn)便，高性能混凝土施工工藝也較為成熟，缺點(diǎn)是造價(jià)較高。

4 橋面板濕接縫

與小箱梁、T梁翼緣板濕接縫類(lèi)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(biāo)號(hào)混凝土，接縫兩側(cè)的預(yù)埋鋼筋深入接縫內(nèi)，鋼筋焊接或綁扎對(duì)接，預(yù)制時(shí)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)鋼筋直徑?，F(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，由于施工誤差的存在，兩側(cè)預(yù)埋鋼筋的位置精度往往較差，降低了濕接縫的安全儲(chǔ)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(jìn)，并采用加載試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

4.1 方案一

普通混凝土+預(yù)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(yù)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(zhǎng)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(chǎng)鋼筋的加工、焊接的工作量，對(duì)鋼筋的位置要求也不高，施工難度低，工藝成熟，造價(jià)低。

4.2 方案二

普通混凝土+錨固板鋼筋(見(jiàn)圖9)。建設(shè)部在2011年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋錨固板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ 256-2011)》，該規(guī)程詳細(xì)規(guī)定了鋼筋錨固板的分類(lèi)、性能要求及設(shè)計(jì)規(guī)定、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及試驗(yàn)方法。與預(yù)埋U形筋類(lèi)似，該方案將預(yù)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(cuò)開(kāi)布置，再澆注濕接縫混凝土。與方案一類(lèi)似，該方案的好處是鋼筋間不需要焊接，可減少現(xiàn)場(chǎng)鋼筋的加工、焊接的工作量，對(duì)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(jià)可能稍高。據(jù)國(guó)外的研究，錨固板鋼筋接頭雖比環(huán)形接縫強(qiáng)度低5%～10%，但強(qiáng)度仍然滿足要求，且施工簡(jiǎn)單，值得深入研究。

4.3 方案三

高性能混凝土(見(jiàn)圖10)?？v橫向鋼筋在濕接縫內(nèi)交錯(cuò)放置后澆注高性能混凝土。該方案優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是高性能混凝土造價(jià)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(yǔ)

系統(tǒng)闡述了鋼板組合梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)鋼主梁及橋面板的構(gòu)造及設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了詳細(xì)分析。近年來(lái)，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(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。我們應(yīng)借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，以高起點(diǎn)開(kāi)展理論研究及工程設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐，大力提升技術(shù)水平與創(chuàng)新能力，形成自主創(chuàng)新技術(shù)，提高鋼板組合橋梁耐久性、適用性、環(huán)保性和景觀性。