高勇

（佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528315）

鋼-混凝土組合梁可充分發(fā)揮混凝土受壓能力，鋼梁受拉彎能力。在公路、城市橋梁建設中，其具有廣泛應用前景，結構優(yōu)越性顯著，經濟性良好。鋼-混凝土組合梁有輕型大跨、承載能力高等優(yōu)勢，可采用預制裝配快速化施工，在橋梁建設領域具有廣闊的應用前景。從環(huán)保節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā)，組合梁鋼結構部分在工廠預制，注意施工現(xiàn)場清潔安全，鋼材可回收再利用。

簡支鋼-混凝土組合梁橋構造簡單，施工便捷，在公路、城市橋梁中應用廣泛。多跨橋從降低造價和合理受力出發(fā)，通常采用連續(xù)梁式。從構造角度看，連續(xù)組合梁橋減少了支座和伸縮縫的數(shù)量。從受力性能角度看，連續(xù)組合梁有更大承載能力，但連續(xù)組合梁制作和安裝復雜[1]。

目前常見的中小跨徑鋼混組合結構橋梁多采用經濟性好的工字鋼斷面[1]，而多數(shù)情況下，跨徑大于50 m 的大跨度鋼混組合梁多采用單箱開口箱梁，缺乏對大跨徑多箱多室斷面鋼混組合梁的研究及應用。本研究以弘德北路工程跨佛山大堤橋為例，分析了大跨度簡支多箱鋼-混凝土組合梁橋的結構設計與驗算，豐富了大跨度組合梁橋截面形式，拓展了鋼混組合梁橋在不同建設條件下的應用，對同類型項目建設具有參考意義。

1 工程概況

1.1 橋型方案選擇

佛山市弘德北路工程跨越潭州水道，主橋為獨塔斜拉橋，考慮到禪城岸引橋需要接連跨越佛山大堤及污水處理廠，有必要對比選擇橋梁方案。擬定方案一，采用73 m簡支梁+（38+67+38）m懸澆混凝土箱梁，分別跨越佛山大堤及污水處理廠；方案二，采用（73+110+63）m 懸澆混凝土箱梁，利用邊跨與中跨1 次跨越佛山大堤及污水處理廠，如圖1所示。從施工難度、施工工期、工程造價及橋下道路凈空等方面對2 種方案進行深入對比分析，方案一工程造價節(jié)約20%～30%，整體梁高較小，橋下凈空大，因此，成為最終推薦方案。

圖1 橋型方案比較（單位：cm）Fig.1 Comparison of bridge schemes（unit:cm）

對于推薦方案的一孔73 m 簡支結構而言，可選的結構類型主要有鋼箱梁、鋼-混凝土組合梁、預應力混凝土箱梁等?？紤]預應力混凝土箱梁自重及梁高均較大，需在堤上搭設較多施工支架，影響大堤防洪搶險通道交通，所以不考慮。對于鋼箱梁和鋼混組合梁，研究發(fā)現(xiàn)后者可減少用鋼量25%～35%，造價節(jié)省20%～50%，鋼混組合梁經濟性更好。此外，從后期養(yǎng)護和結構耐久性方面考慮，鋼-混凝土組合梁橋面鋪裝與普通混凝土結構差異小，大量研究表明鋼箱梁橋面板疲勞問題較為突出，鋪裝在車輪作用下耐久性差，為提高頂板抗疲勞及鋪裝耐久性，近年來發(fā)現(xiàn)了UHPC組合鋪裝結構，但其施工難度大、造價高。綜合比較，組合梁更能充分利用材料，有更好的經濟效益。因此，推薦73 m簡支鋼-混凝土組合梁橋方案。

1.2 主梁斷面布置

吳沖等人[2]對簡支組合梁橋截面構造進行分析研究，指出橋梁跨徑超過60 m 時，鋼梁需要的翼緣面積比較大，采用工字鋼梁會導致翼板厚度超過50 mm。為了避免厚板焊接減小厚板效應，對于跨度大于60 m 的鋼-混凝土組合梁選擇箱形截面更合理。

根據(jù)文獻[3]研究表明，對于Ⅰ型鋼混組合，主梁間距3.0～3.5 m 較合適，即混凝土橋面板跨度3.0～3.5 m 時受力和經濟性較優(yōu)。目前學者對鋼-混凝土組合梁鋼主梁片數(shù)和間距研究較多，根據(jù)鋼主梁數(shù)量組合梁可分成少梁式（1、2 片）和多梁式（不小于3 片）。鋼主梁間距和數(shù)量直接影響橋梁的經濟性和受力性。主梁間距小、數(shù)量多，則經濟性變差；主梁間距過大、數(shù)量少，則橋面板跨徑變大，需采取增加混凝土板厚度，加密橫隔板等措施，改善橋面板橫向受力，但將導致主梁重量及鋼材使用增加。由于汽車輪載直接作用于橋面板上，混凝土板的橫向跨徑直接影響其受力，并對鋼主梁橫向布置影響顯著。綜合分析，確定本研究跨佛山大堤鋼-混凝土組合梁采用多梁式箱型截面，截面鋼箱的腹板間距約3.0 m，截面形式如圖2所示。

圖2 主梁橫向布置（單位：cm）Fig.2 Transversal arrangement of the main girder（unit:cm）

1.3 剪力釘布置

鋼-混凝土組合梁橋鋼與混凝土之間，依靠剪力釘形成組合截面。目前常用剪力釘均布式布置，雖受力比較均勻，但會導致橋面板分塊較零散，縱橫向現(xiàn)澆混凝土接縫繁多，施工復雜，影響工期。如今，剪力釘集束式布置開始逐步應用，其特點是可進行橋面板分塊預制及拼裝，優(yōu)點是快速施工，便捷安裝，主梁整體性能好。根據(jù)文獻[4]，研究了剪力釘均布式與集束式布置時鋼-混凝土組合梁橋受力特性，比較發(fā)現(xiàn)2種剪力釘布置方式對其受力情況影響較小。

為適應裝配化設計理念，橋面板與鋼梁采用剪力釘集束式，極大減小了現(xiàn)場濕接縫澆筑作業(yè)量，便于快速化施工及質量控制。

1.4 結構設計

73 m 簡支鋼-混凝土組合梁采用開口小鋼箱結構，鋼梁分為翼緣板、底板、腹板、箱內橫隔板及箱間橫梁等部分。組合梁梁高3.3 m，翼緣板寬0.6 m，底板寬1.8 m，斜腹板傾角約為102.6°，鋼主梁由3 個節(jié)段組成，節(jié)段長度為23.75、25.50、23.75 m，吊裝重量不超過179.8 t，連接節(jié)段間使用螺栓連接。箱間橫梁為栓接工字鋼梁，箱內橫隔板采用實腹式。

鋼梁上翼緣板厚22 mm，寬600 mm，全橋通長不變；腹板厚度由跨中（16 mm）變化到端部（18 mm）。兩道縱向加勁肋布置于腹板上部，為板式加勁肋構造，寬180 mm，厚18 mm，腹板豎向每3 m 設置1 道T 形加勁肋，板厚16 mm；底板寬1 800 mm，底板厚分為24、32、40 mm 3種，由跨中（40 mm）逐漸變化到端部（24 mm），底板縱向加勁肋采用板式構造，橫向間距400 mm，加勁肋寬300 mm，厚度分為20、24、28 mm 3 種，由跨中（28 mm）逐漸變化到端部（20 mm）。

鋼主梁實腹式橫隔板每3 m 一道，支點橫隔厚度為20 mm，支點橫隔翼緣板縱梁上翼緣連接且布置剪力釘，其余位置橫隔板厚均為12 mm，橫隔板上設高1 500 mm×寬800 mm 的人孔。全橋設置13道橫梁。普通箱間橫梁頂板和底板寬300 mm，厚度14 mm；腹板寬2 946 mm，厚12 mm；橫向加勁和豎向加勁肋厚度為12 mm。支點橫梁頂板和底板寬450 mm，厚22 mm；腹板寬2 938 mm，厚16 mm；橫向加勁和豎向加勁板厚度12 mm。

圖3 鋼梁一般構造圖（單位：cm）Fig.3 General construction drawing of the steel girder（unit:cm）

現(xiàn)澆混凝土對應的鋼主梁部位均布置剪力釘。剪力釘使用圓頭焊釘，高200 mm，直徑22 mm，集束式布置在上翼緣板，剪力釘群的一般間距為1 200 mm，端橫梁附近的剪力釘按間距130 mm 均勻布置。

橋面板采用C55混凝土，為減少收縮、徐變的影響，混凝土預制橋面板存放期應大于6個月。預制橋面板分塊設置了6 種類型，縱橋向寬度均為4.8 m，橫橋向寬5.1 m，全橋共計78塊。橋面板橫向濕接縫尺寸1 650 cm×60 cm，兩端現(xiàn)澆段1 650 cm×162 cm，縱向濕接縫6 960 cm×60 cm。預制橋面板與鋼主梁接觸部分在鋼主梁頂板邊緣粘貼寬50 cm、厚2 cm的遇水膨脹止水條。

主橋鋼梁設計中，大量采用高強螺栓連接對現(xiàn)場節(jié)段接縫，減少現(xiàn)場焊接作業(yè)量，便于施工質量控制。

1.5 施工方案

組合梁分為活載、恒載組合梁2種形式?；钶d組合梁施工期間，可不設置臨時支架或支墩，結構自重等一期恒載全部由鋼主梁承擔，不能按組合結構共同工作考慮，橋面板安裝及澆筑達到強度后才形成組合結構，并承擔二期恒載及活載作用。恒載組合梁施工時，設置臨時支架或支墩，一期恒載、施工臨時荷載等由臨時支架或支墩承擔，鋼主梁為無應力或低應力狀態(tài)，形成組合截面后撤去臨時支架或支墩，此時所有設計荷載均由組合截面共同承受[4]。

中小跨徑鋼-混凝土組合梁施工通常無中間支架，一期恒載全部靠鋼主梁承受，形成鋼混組合截面后2種材料共同承受二期恒載、活載等，但對于大跨徑簡支組合梁，為實現(xiàn)預期的結構受力和經濟效益，往往采用恒載組合梁，因此，選擇合理的組合梁施工工序十分重要。施工方法不同，會導致橋梁結構加載順序的差異，對應力和變形發(fā)展有重大影響，尤其是對于簡支組合梁橋，中間支架或臨時墩的設置方式對組合梁設計有很大影響，施工期間的靜力設計，比成橋階段的設計更重要，更費時費力。

本研究結合實際工程對大跨度簡支鋼-混凝土組合梁的施工方案進行深入分析，根據(jù)橋下道路交通，堤身安全影響最小原則設置臨時支架，無支架施工對比，設置2、4、6、8、16個臨時支墩，考慮了施工階段影響的簡支鋼-混凝土組合梁結構設計，考慮了相同梁高情況下，以鋼主梁跨中頂、底緣應力狀態(tài)接近為目標，分析該情況全橋的用鋼量指標，比較情況如圖4所示。

圖4 施工支架布置對用鋼量影響Fig.4 Ⅰnfluence of construction bracket layout on amount of steel

縱梁、橫梁、橫隔板、各類型加勁肋、栓接拼接板等用鋼量如圖4 所示。從圖4 中可以看出，若施工過程中整跨不設臨時支墩，橋梁單位面積用鋼量非常大，因為這種施工方式的鋼梁需要單獨承受所有一期恒載，所以該施工方式明顯不合理。設臨時支墩后，主梁用鋼量明顯降低，但支墩數(shù)量大于2個后的用鋼量基本接近。表明：施工時設置2個以上臨時支墩后，用鋼量變化不大，在此基礎上根據(jù)橋下情況盡量少設臨時支墩，減少施工臨時措施費，以便取得最優(yōu)的經濟效益。

綜合分析，對于73 m 簡支組合梁上部結構，可利用支架分段架設拼裝。具體施工步驟為：①工廠預制槽型鋼梁節(jié)段預拼后，運至橋位，吊裝鋼梁至現(xiàn)場設置的2個臨時支墩上就位，并進行節(jié)段間螺栓連接。②混凝土橋面板分塊預制，存板期不少于6 個月，鋼梁架設完后鋪裝架設橋面板，澆筑剪力釘預留槽、縱橫向接縫及后澆段混凝土。③拆除支架，澆筑橋面鋪裝，施工人行道、欄桿等附屬設施。

圖5 組合梁少支點施工支架（單位：cm）Fig.5 Construction support for composite girder with few support（unit:cm）

2 結構受力分析

2.1 模型簡介

采用Midas Civil 建立全橋模型，縱向計算時考慮橋面板之間的橫向連接，模擬鋼縱梁與混凝土板的實際安裝及受力過程，模型為考慮施工過程的累加模型。全橋上部結構采用梁格法建模，橫橋向建立橫梁單元模擬橫梁重量及橫向剛度，結合施工步驟對結構進行離散化，支撐為只受壓彈簧約束，分析模型如圖6所示。

圖6 組合梁梁格模型Fig.6 Beam lattice model of composite girder

2.2 設計荷載

施工階段荷載有恒載、收縮、徐變等，混凝土容重26 kN/m3，鋼材容重78.5 N/m3，加勁肋、橫隔板及橫梁按集中荷載形式施加于設置位置，二期恒載有橋面鋪裝、防撞護欄、人行道板和底座、外側欄桿等，以均布荷載計入。運營階段荷載主要包括汽車荷載和溫度荷載，汽車荷載等級為公路Ⅰ級，按單向4 車道加載，考慮沖擊系數(shù)和制動力，全橋整體溫度升16℃，整體溫度降24℃，同時考慮組合梁溫度梯度作用。

主梁驗算采用以下基本組合進行結構驗算：

1）基本組合1

恒載+支座沉降+汽車+制動力+溫度（升、降溫包絡）。

2）基本組合2

恒載+支座沉降+溫度（升、降溫包絡）。

2.3 主要計算結果

2.3.1 鋼混組合梁抗彎承載力計算

鋼混組合梁抗彎承載力按照線彈性方法驗算，檢查是否達到材料強度設計值的截面部位，由此判斷主梁抗彎承載能力是否滿足要求，并應考慮所有可能同時出現(xiàn)的荷載作用。依據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64-2015）第11.2.1 條，組合梁抗彎承載力采用線彈性方法計算應符合規(guī)定：

式中，Md,i為不同計算階段鋼梁或組合截面的彎矩設計值；Weff,i為不同計算階段鋼梁或組合截面的抗彎模量；f為材料強度設計值；σ為基本組合正應力；γ0為結構重要性系數(shù)。

圖7 基本組合鋼梁上緣應力包絡Fig.7 Stress envelope diagram of upper edge of basic combination steel girder

圖8 基本組合鋼梁下緣應力包絡Fig.8 Stress envelope diagram of lower edge of basic combination steel girder

圖9 基本組合混凝土橋面板上緣應力包絡Fig.9 Stress diagram of concrete deck at upper edge under basic combination

圖10 基本組合混凝土橋面板下緣應力包絡Fig.10 Stress diagram of concrete deck at lower edge under basic combination

從圖8中可以看出，基本組合下鋼梁最大拉應力位于跨中截面下緣，為263.9 MPa，小于Q390D鋼材抗拉設計強度295 MPa。從圖9 中可以看出，基本組合下混凝土橋面板最不利壓應力為－23.9 MPa，位于跨中截面上緣，小于橋面板抗壓強度設計值24.4 MPa；最大拉應力位于支點后澆區(qū)橋面板截面上緣，為3.2 MPa，拉力完全由橋面板的縱向通長鋼筋承擔，此時計算的板內鋼筋最大拉應力138.6 MPa。

2.3.2 鋼混組合梁抗剪承載力能力驗算

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）中公式 7.2.2-1 及 7.2.2-2 計算。豎向剪力設計值可取鋼梁及混凝土單元各自剪力的最大值絕對值之和或最小值絕對值之和的大值。組合梁截面剪力均由鋼梁腹板承擔。組合梁豎向抗剪，經計算在支點位置剪力最大，在變截面處，腹板厚度發(fā)生變化，需驗算支點和腹板厚度變化處的截面豎向抗剪承載力。

支點截面處的腹板板厚18 mm，基本組合下鋼梁和橋面板最大剪力之和為5 601.8 kN。對其進行驗算有：

式中：Vvd為剪力設計值；Vvu為抗剪承載力。

式中：fvd為鋼材抗剪強度設計值；Aw為抗剪腹板截面面積。

組合梁受彎矩和剪力共同作用時，應考慮他們的耦合，經計算支點截面最大豎向剪應力為53 MPa，鋼梁腹板同一點上最大彎曲正應力為31.6 MPa。根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015），驗算公式為：

式中：fd為鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設計值；τ為剪應力設計值。

在腹板厚度變化處，腹板厚度變?yōu)?6 mm，基本組合下，鋼梁和橋面板最大剪力之和為4 247.6 kN，采用該方法對其進行驗算。

經計算，支點截面、腹板厚度變化處組合應力分別為97.1、177.6 MPa，滿足規(guī)范要求。

2.3.3 混凝土板縱向剪力連接件驗算

本橋采用集束式剪力釘布置，單個翼板上每1.2 m 長1 個剪力釘簇的焊釘個數(shù)為20 個。按照規(guī)范計算，單個焊釘剪力為1 291.6/20=64.6 kN＜85.1 kN，焊釘滑移量為0.20 mm，滿足規(guī)范要求。

2.3.4 主梁剛度驗算

不考慮沖擊力的汽車荷載位移如圖11～12所示。

圖11 汽車荷載引起的主梁下?lián)螰ig.11 Girder downwarp caused by vehicle load

圖12 汽車荷載引起的主梁上撓Fig.12 Girder upwarp caused by vehicle load

經計算，組合梁在滑移效應影響下的剛度折減系數(shù)ζ＜0，取ζ=0，從圖11～12中可以看出，主橋汽車荷載作用最大正負撓度之和：58.1+7.6=65.7 mm＜L/500=146 mm，滿足規(guī)范要求。

3 應用及技術展望

隨著中國道路網(wǎng)絡建設不斷發(fā)展，為打通區(qū)域路網(wǎng)瓶頸，改善道路路況，優(yōu)化行車條件，完善道路交通網(wǎng)絡，增強道路交通網(wǎng)絡承載能力，完善區(qū)域公路網(wǎng)絡，均衡區(qū)域路網(wǎng)交通流量，越來越多的新建高等級公路需要跨越河流、水道、河堤、既有道路等，形成立體交叉。通常采用大跨度立交橋跨越，在城市和公路建設中，為解決大跨度立交橋的施工難題，鋼-混凝土組合梁橋應用愈加廣泛。

目前，常見的簡支鋼-混凝土組合梁橋跨徑一般在30～60 m 范圍內，跨徑大于60 m 后，往往采用連續(xù)組合梁的形式。對于跨線高架橋而言，一般僅需單跨跨越障礙物，采用帶邊跨配跨的連續(xù)結構，增加了不必要的工程造價。以跨堤橋為例，一、二級大堤堤頂?shù)缆穼?～10 m，大堤向兩側放坡寬10～20 m，通常水利部門還會要求橋墩承臺邊緣至堤腳預留大于10～15 m 的安全距離。因此，跨堤橋跨徑通常在45～80 m 之間，大跨度簡支鋼-混凝土組合梁橋以其輕盈結構、裝配式快速施工、跨越能力強、經濟性耐久性好等特點，很好地適用于這跨徑范圍，具有推廣應用價值。

與此同時，隨著橋梁跨徑和使用需求的不斷變化，組合梁橋設計也將面臨新的問題和挑戰(zhàn)，為解決傳統(tǒng)組合梁橋面板開裂問題，進一步減輕主梁結構自重，文獻[5-6]通過實驗研究了鋼-UHPC輕型組合橋梁、組合橋面板，并已少量應用到實際工程中，有待進一步加強應用推廣，結合實際工程開展應用技術研究，推動我國組合結構橋梁建設。組合梁橋設計建造前景可期，并將向高性能材料、高效率施工等方向不斷發(fā)展。

4 結論

1）本研究分析了不同施工支撐條件對大跨度簡支鋼-混凝土組合梁橋用鋼量指標的影響，給出了該類型橋梁較優(yōu)的臨時支架方案，發(fā)現(xiàn)該類型橋梁不適宜采用活載組合梁形式。

2）施工過程中臨時支墩設置方式及數(shù)量對結構受力情況、用鋼量指標有直接影響。當臨時支墩大于2個后，其數(shù)量對結構設計影響很小，建議簡支組合梁施工應根據(jù)橋下情況設置少量臨時支墩，減少施工臨時措施費，并降低對橋下既有道路、河堤等構筑物的影響。

3）組合梁設計和施工中引入裝配化理念，根據(jù)實際情況控制單片梁節(jié)段吊裝重量，便于工廠化預制及快速化運輸和安裝，鋼梁節(jié)段間采用高強螺栓連接，橋面板與鋼梁采用集束式剪力釘，極大減小了現(xiàn)場焊接、濕接縫澆筑作業(yè)量，便于施工質量控制。