鄭大偉， 劉 宇

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

鋼材和混凝土是當(dāng)前建造橋梁的兩種最基本的建筑材料?；炷两Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是造價低、高強(qiáng)耐久、可塑性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)，缺點是自重大、易開裂、受拉性能差，施工受天氣和季節(jié)約束。鋼材優(yōu)點則是強(qiáng)度高、韌性好、自重輕、材質(zhì)均勻、制作簡單，缺點是耐腐蝕性差、耐熱不耐火、造價高。

1 背景分析

傳統(tǒng)混凝土施工屬于手工粗放型作業(yè)，效率低、質(zhì)量差、受周邊環(huán)境影響大。由于混凝土結(jié)構(gòu)的諸多缺點及材料局限性，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展成為必然的趨勢。然而由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁造價較高，養(yǎng)護(hù)維修費用大，我國鋼結(jié)構(gòu)多用于大橋及特大橋，例如上海楊浦大橋、江陰長江大橋等大型橋梁，而中小跨徑橋梁仍采用混凝土結(jié)構(gòu)。

綜合考慮混凝土材料和鋼材的優(yōu)缺點，一種新的結(jié)構(gòu)形式得到廣泛的推廣，即鋼筋-混凝土組合梁(簡稱鋼-混組合梁)。鋼-混組合梁通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件(栓釘、槽鋼、彎筋等)，使之成為一個整體而共同工作。該梁型同鋼筋混凝土梁相比，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用，減小截面尺寸，增加有效使用空間，節(jié)省支模工序和模板，縮短施工周期，增加梁的延性等。同鋼梁相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩(wěn)定性和整體性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗火性和耐久性等。

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，發(fā)展于20世紀(jì)40～50年代；20世紀(jì)60～70年代，鋼-混組合結(jié)構(gòu)處于全面研究以及應(yīng)用階段；20世紀(jì)80年代至今，隨著研究逐漸深入，規(guī)范的完善以及技術(shù)成熟，該結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。尤其在日本，各式各樣鋼-混組合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在工程建設(shè)中。

2 經(jīng)濟(jì)性比較

中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)中，鋼-混組合梁每平方米造價是組合箱梁和預(yù)制T形梁每方平米造價的1.6～1.7倍，是預(yù)制大箱梁和現(xiàn)澆箱梁每平方米造價的1.3～1.4倍，是大鋼混疊合梁和小鋼混疊合梁每平方米造價的0.9倍左右。由于鋼材有回收利用價值，從工程全壽命周期成本考慮，鋼-混組合梁與現(xiàn)澆箱梁相差不大，甚至更為便宜。鋼-混組合梁跨徑-造價圖如圖1所示。

圖1 鋼-混組合梁跨徑-造價圖

3 設(shè)計要點

鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：鋼主梁、橋面板和剪力傳遞器。鋼-混組合梁示意圖如圖2所示。

圖2 鋼-混組合梁示意圖

3.1 鋼主梁

鋼主梁采用“工”字形截面，腹板可設(shè)置縱向以及豎向加勁肋，增強(qiáng)腹板局部穩(wěn)定。主梁之間采用橫梁連接，以保證主梁的整體穩(wěn)定。多主梁斷面的情況下，一般采用2片主梁組成1榀，進(jìn)行吊裝施工，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無須增加臨時構(gòu)件。鋼主梁尺寸受斷面主梁片數(shù)以及跨徑控制。鋼主梁梁高一般為跨徑的1/22～1/18。采用少主梁斷面時，梁高根據(jù)計算進(jìn)行增大。鋼主梁示意圖如圖3所示。

圖3 鋼主梁示意圖

3.2 橋面板

主梁間距是橋面板設(shè)計的控制性因素。間距2.5～4.5 m時，采用混凝土橋面板；間距大于6 m時，采用預(yù)應(yīng)力橋面板。橋面板板厚一般在200～350 mm取值?？筛鶕?jù)設(shè)計需要，在支點處設(shè)置承托。橋面板可根據(jù)施工工期要求，采用預(yù)制或者現(xiàn)澆形式。橋面板斷面示意圖如圖4所示。

圖4 橋面板斷面示意圖

3.3 剪力傳遞器

為了保證鋼梁與橋面板共同受力，需設(shè)置可靠的剪力傳遞器傳遞梁在彎曲變形中的錯動剪力。工程中一般采用剪力釘?shù)男问?，此種形式施工方便、快捷。剪力鍵示意圖如圖5所示。

圖5 剪力鍵示意圖

4 設(shè)計重、難點

4.1 連續(xù)結(jié)構(gòu)中支點開裂

連續(xù)鋼-混組合結(jié)構(gòu)由于超靜定的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及鋼梁阻礙混凝土收縮，導(dǎo)致中支點處橋面板極容易產(chǎn)生裂縫。目前中支點抗裂采用的方式有施加預(yù)應(yīng)力法和高配筋法。

4.1.1 施加預(yù)應(yīng)力法

(1) 支座頂升法：架設(shè)鋼梁時，對支座進(jìn)行預(yù)抬升，待墩頂橋面板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，沉降墩頂支座，完成墩頂位置預(yù)應(yīng)力的施加。

(2) 預(yù)加靜載法：施工橋面混凝土前，對鋼梁進(jìn)行預(yù)加靜載，使鋼梁達(dá)到一定程度的受力狀態(tài)，然后澆筑混凝土。該種方法可以減小墩頂混凝土使用時的拉應(yīng)力，從而減輕墩頂混凝土開裂等病害。

(3) 負(fù)彎矩區(qū)域施加鋼絞線法：

①先錨固后張拉，使鋼梁和混凝土共同承受預(yù)應(yīng)力。此種操作的特點：一是需要預(yù)應(yīng)力材料較多；二是預(yù)應(yīng)力很大程度由鋼結(jié)構(gòu)承受，加重了薄鋼板的整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性問題；三是如為曲線梁，該方式增加了鋼梁受力的復(fù)雜性，預(yù)應(yīng)力的次內(nèi)力效應(yīng)加重中支點下緣的穩(wěn)定要求，同時容易將邊支座脫空。

②先張拉后錨固，只有混凝土承受預(yù)應(yīng)力。此種操作的特點：一是鋼梁不會因預(yù)應(yīng)力的施加而產(chǎn)生附加應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力完全由混凝土承擔(dān)，可減少預(yù)應(yīng)力筋用量；二是現(xiàn)澆及預(yù)制均可采用。

4.1.2 高配筋現(xiàn)澆法

負(fù)彎矩處不施加預(yù)應(yīng)力，而是采用高配筋的方式進(jìn)行抗裂。

4.2 連續(xù)結(jié)構(gòu)施工時拼接位置的選擇

設(shè)計時應(yīng)考慮好鋼梁施工、混凝土的施工方式，不同的施工方式對鋼梁和混凝土橋面板施工階段的受力及安全有著較大的影響。中小跨徑連續(xù)鋼-混組合梁施工時，較為常見的施工方式是采用場內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場吊裝、拼接。拼接位置的選擇是設(shè)計時需要考慮的重點問題。

考慮到墩頂位置結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力(底緣)和拉應(yīng)力(頂緣)均較大，拼接位置的選擇應(yīng)避開墩頂位置，可設(shè)置在墩頂兩側(cè)彎矩較小處。

5 結(jié)束語

由于混凝土結(jié)構(gòu)的諸多缺點及材料局限性，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展成為必然的趨勢。鋼-混組合梁相對于混凝土結(jié)構(gòu)，有效減小構(gòu)件截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，降低基礎(chǔ)造價，方便施工安裝，縮短建設(shè)周期，增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性。該橋梁結(jié)構(gòu)類型應(yīng)在橋梁工程中得到更廣泛的應(yīng)用。