鋼混組合梁在城市橋梁設(shè)計中的問題與分析

周倩茹

（深圳市綜合交通設(shè)計研究院，廣東 深圳 518003）

1 概述

從20世紀30年代開始，發(fā)達國家關(guān)于焊接技術(shù)的發(fā)明為組合梁的應(yīng)用提供了先決條件，人們開始研究如何充分發(fā)揮兩種材料的特性，達到經(jīng)濟合理的效果。鋼混組合梁橋經(jīng)歷了發(fā)展史上的萌芽期、研究探索期和蓬勃發(fā)展期。組合梁最早從歐洲發(fā)展起來，德國于1937年開始進行組合梁加載試驗；日本于1950年就開始建設(shè)公路與鐵路組合梁橋，并于1959年制定了關(guān)于公路橋的組合梁設(shè)計施工規(guī)范；緊隨其后的是美國于1954年開始在伊利諾伊州進行了焊釘連接件的承載力和疲勞強度試驗。但是在這個過程中組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展也遇到了很多問題與挑戰(zhàn)，早期的鋼混組合梁橋因為混凝土板產(chǎn)生嚴重裂紋和剪力鍵的疲勞破壞，大大降低了其承載能力和耐久性，因此在20世紀60年代末至80年代初，組合結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)受到很多爭議，以法國為例，當時建設(shè)組合結(jié)構(gòu)橋梁僅占2.5%。進入20世紀七八十年代后，法國、德國、日本等國家對組合結(jié)構(gòu)的特性進行了更深入的研究：在設(shè)計方面，有允許橋面板開裂、限制混凝土裂縫寬度設(shè)計法，跨中和支點附近截面采用完全組合截面和不完全組合截面或斷續(xù)組合截面的平衡設(shè)計法；在施工技術(shù)方面，發(fā)展完善了分段現(xiàn)澆混凝土法、預(yù)制混凝土板縱向滑移法以及組合橋面板法等。

進入20世紀八九十年代后，組合梁橋進入了蓬勃發(fā)展的時代，應(yīng)用范圍也得到了拓展，從簡支梁橋延伸到連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋和懸索橋等。

由于我國在20世紀一直處于鋼材產(chǎn)量低、薄卷板材緊缺，且壓型鋼板成型技術(shù)與配套技術(shù)未得到開發(fā)的狀態(tài)，因而起步較晚。鋼混組合梁真正應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)是由北京市政設(shè)計院于1993年設(shè)計的北京國貿(mào)橋，該項目的成功標志著鋼混組合梁能夠滿足城市大跨徑橋梁建設(shè)，預(yù)制裝配的施工工藝縮短了施工工期，而且橋梁施工過程中免去了滿堂支架，可以實現(xiàn)不中斷交通，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。此后，鋼混組合梁廣泛用于城市橋梁建設(shè)，并不斷發(fā)展至今。

2 力學特性分析

在城市橋梁設(shè)計中，鋼混組合梁的設(shè)計依據(jù)為換算截面法。計算過程中應(yīng)保證承載能力驗算合格，即控制截面在各施工階段的最大應(yīng)力滿足規(guī)范要求，且在正常使用條件下，考慮滑移效應(yīng)的撓跨比也滿足規(guī)范要求。

橋面板一般均按全預(yù)應(yīng)力混凝土或部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計，采用未開裂分析方法，因此通常根據(jù)國內(nèi)最新關(guān)于組合梁規(guī)范《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）中第7.2.1條計算組合梁抗彎承載力時應(yīng)采用線彈性方法進行分析，這種情況滿足以下假設(shè)：

（1）結(jié)構(gòu)變形符合平截面假定。

（2）鋼材混凝土均作為理想彈性體。

（3）鋼梁與混凝土之間連接可靠，相對滑移小。

（4）混凝土橋面板按實體面積計算，不扣除開裂部分，不考慮混凝土翼緣板中的鋼筋。

（5）負彎矩區(qū)混凝土橋面板不開裂，仍參與整體結(jié)構(gòu)的作用。

計算組合截面各點應(yīng)力時應(yīng)采用換算截面，如圖1所示。

圖1 換算截面示意圖

首先計算換算截面特性中間值：

最終得到換算截面特性：

式中：n0為短期荷載作用下鋼與混凝土的彈性模量比為鋼材彈性模量；EC為混凝土彈性模量。

此外，當考慮組合梁的溫度效應(yīng)，混凝土收縮徐變計算可采用調(diào)整鋼材與混凝土彈性模量比的方法考慮混凝土徐變的影響。超靜定結(jié)構(gòu)中混凝土收縮徐變引起的效應(yīng)宜采用有限元方法計算：

式中：nL為長期彈性模量比；（t，t0）為加載齡期為t0，計算齡期為t時的混凝土徐變系數(shù)；ψL為根據(jù)作用（或荷載）類型確定的徐變因子。

上述力學分析方法多用于計算承載能力極限狀態(tài)驗算，而考慮組合梁的正常使用極限狀態(tài)的變形計算時，通常應(yīng)采用考慮滑移效應(yīng)的折減剛度。

我國規(guī)范包括《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）等要求組合梁在驗算抗彎承載力時應(yīng)考慮不同的應(yīng)力計算階段，即必須考慮每個施工階段，包括未形成組合梁時鋼梁單獨受力階段和形成組合梁后聯(lián)合截面的受力階段等，按照具體工程施工過程劃分。

3 城市組合梁橋的分類與特點

目前，在我國城市組合梁橋的發(fā)展與建設(shè)中，應(yīng)用較多的通常有以下幾種類型：組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合桁架橋、組合剛構(gòu)橋、混合梁橋、組合拱橋、組合斜拉橋等（見表1）。

通過表1的對比分析，各種橋型之間均存在優(yōu)缺點，對于跨徑較小的城市組合梁橋，組合鋼板梁及組合鋼箱梁橋應(yīng)用較為廣泛。歸納總結(jié)，根據(jù)不同的橫截面形式可以分為：工字形鋼梁（組合鋼板梁），一般適用于跨徑不大于40 m的城市橋梁中；槽形鋼梁（組合鋼箱梁），適用于跨徑40～80 m的較大跨徑的城市橋梁，目前國內(nèi)最大跨徑做到了110 m。簡支組合梁橋的經(jīng)濟跨徑一般在40 m以下，而連續(xù)梁橋彎矩比相同跨徑的簡支梁橋小，邊中跨比的合理比例在0.6～0.8。

圖2為橫斷面為目前城市橋梁中最常用的箱梁截面形式，即閉口截面鋼箱梁+混凝土橋面板的形式。這種截面形式有個缺點，即沒有充分利用頂板鋼板的性能，經(jīng)濟性較差。在設(shè)計中可以另辟蹊徑，改成槽形斷面，槽形斷面在施工階段，即還未形成聯(lián)合截面前，截面受壓應(yīng)力處于最不利狀態(tài)，為了能夠滿足自身自重和混凝土板自重的承載力要求，通過施工階段臨時墩的設(shè)置或者預(yù)制橋面板的形式，這樣能夠充分利用截面的性能，不浪費材料。如圖3所示，將頂板鋼板改成6 mm厚鋼模板，有效降低了用鋼量指標，提高了橋梁的經(jīng)濟性。需要注意的是，改進后該斷面應(yīng)進行施工各階段驗算，滿足規(guī)范要求。

表1 組合結(jié)構(gòu)橋梁的分類及特點

圖2 深圳市某立交橋梁橫斷面（閉口鋼箱梁）（單位：cm）

圖3 深圳市某立交橋梁橫斷面（改進槽形鋼箱梁）（單位：cm）

4 設(shè)計存在的問題及策略分析

4.1 剪力連接件的有效性

目前所有的鋼混組合梁的計算理論都是基于剪力連接件有效的基礎(chǔ)上，規(guī)范關(guān)于考慮滑移效應(yīng)一般是采用折減剛度的概念。采用上文提到的換算截面計算出來的組合梁變形跟實際情況相比偏小，因此在城市橋梁的設(shè)計中應(yīng)根據(jù)國內(nèi)外各學者的研究。受到認可的連接件形式主要有焊釘連接件、開孔板連接件及型鋼連接件這三種。而實際工程中應(yīng)用最為廣泛的為焊釘連接件，在設(shè)計中如何將焊釘連接件的作用發(fā)揮到最大，如何減小滑移效應(yīng)、防止橋面板掀起等，應(yīng)結(jié)合研究結(jié)果并考慮施工的便利性做出合理的設(shè)計。如采用集束式焊釘連接形式，可以縮短施工工期，與均布式相比，可以更好地發(fā)揮整體受力性能。又如，美國AASHTO規(guī)范中關(guān)于單個焊釘?shù)钠诳辜舫休d力計算公式中，明確表示了單個焊釘能夠承受的最大剪力幅與焊釘直徑成正比，因此在合理的范圍內(nèi)適當加大焊釘直徑也是一種抗疲勞設(shè)計的有效途徑。

4.2 組合梁的橫向分布系數(shù)

計算橋梁橫向分布系數(shù)的主要方法有杠桿原理法、鉸接板法、剛性橫梁法、修正剛性橫梁法等。在相關(guān)研究文獻中，可以借鑒的是，在分析組合梁的單片梁受力特性時，利用修正后的偏心壓力法低估了荷載在組合梁橫向的傳遞能力，實際設(shè)計中是偏安全的。因此在具體設(shè)計中，利用橫向分布系數(shù)驗算單片梁的受力特性時，可以分邊梁與中梁分別進行考慮，此時可以對邊、中梁的截面特性進行修正。實踐表明，這種計算方法與用有限元軟件MIDAS計算整體模型時的結(jié)果相近，是一種可取的工程簡化計算方法，可用于驗證結(jié)果的合理性。

4.3 材料的自身局限性問題

傳統(tǒng)意義上的組合梁，無非就是混凝土材料與鋼材，材料力學特性尚有突破的空間，若研發(fā)出新型材料能夠取代混凝土或者鋼材，比如碳纖維的研究等，可以增大跨徑，又有較好的抗疲勞性能，同時又能在具體工程施工中實現(xiàn)，那么這對組合梁橋的進一步發(fā)展將帶來革命性的影響。

4.4 新型截面形式的引入

應(yīng)用較為廣泛的組合梁截面形式大多是，混凝土作為截面上部，鋼材作為截面下部，這種截面形式在連續(xù)梁負彎矩區(qū)應(yīng)用中具有很大的局限性，實際設(shè)計中都是靠預(yù)應(yīng)力鋼束的作用來抵消負彎矩。因此改進截面形式是一個值得研究的課題。根據(jù)相關(guān)文獻記載，冷彎U形鋼混組合梁和新型鋼-閉口壓型鋼板混凝土組合梁是現(xiàn)階段研究較多的截面類型，具有較高的工程應(yīng)用價值，代表了未來組合梁的發(fā)展方向。

4.5 組合梁設(shè)計與城市景觀相契合

近年來，越來越多的城市重視對橋梁的景觀設(shè)計，組合梁作為一種“性價比”較高的形式被廣為推崇，然而組合梁的設(shè)計亦應(yīng)結(jié)合城市整體景觀定位。一般來說，組合橋的梁高相較于傳統(tǒng)混凝土梁有較大的優(yōu)化，得到了一定程度的降低，輕盈的梁體也賦予了結(jié)構(gòu)靈動的特性；此外，梁體設(shè)計應(yīng)結(jié)合防撞護欄、花槽、排水設(shè)施、燈座等進行專題設(shè)計，如設(shè)計具有較強通透感的鋼結(jié)構(gòu)梁柱式防撞護欄，混凝土翼緣端部設(shè)計花槽橫斷面，搭配爬藤類及花期較長的綠植，整體景觀協(xié)調(diào)一致。排水管及泄水管采用從鋼箱內(nèi)部布管的隱蔽設(shè)計，并埋入橋墩內(nèi)部，并在橋墩底部或墩頂部設(shè)置疏通導(dǎo)管，滿足結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要求。

5 結(jié)語

隨著我國“十三五”規(guī)劃的進一步推進，組合梁的建設(shè)在城市橋梁中的地位將進一步得到提高，同時對工程設(shè)計從業(yè)人員的要求也越來越高，如何在現(xiàn)有的項目經(jīng)驗和成果上總結(jié)并不斷更新設(shè)計理念是每個橋梁設(shè)計者需要思考的問題。組合梁的設(shè)計不能采用千篇一律的設(shè)計方法，也不能完全不考慮以往的設(shè)計施工經(jīng)驗?？偠灾?，應(yīng)該在充分考慮橋梁本身定位的基礎(chǔ)上盡可能選擇適合的截面和連接形式，與時俱進地加入景觀的一體化設(shè)計理念，才能設(shè)計出精品工程。