鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計方法和新結(jié)構(gòu)形式

趙路洋， 鄭凱鋒

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

鋼-混組合梁是通過剪力連接件將鋼梁和混凝土板連接成整體并共同受力的構(gòu)件。相比鋼筋混凝土梁，采用鋼-混組合梁可使橋梁截面尺寸和自重更小，受地震影響更小，延性更好，施工周期更短；相比鋼梁，采用鋼-混組合梁可使橋梁用鋼量更省，剛度和穩(wěn)定性更大，抗火性和耐久性更強，可避免鋼橋面的疲勞開裂和鋪裝病害[1]。此外，鋼-混組合梁橋承載力高、工廠化程度高、施工速度快、經(jīng)濟(jì)性好，符合環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有很強的競爭力，也因此成為快速施工橋梁的重要結(jié)構(gòu)之一。

目前，我國以混凝土橋為主，多為裝配式和變預(yù)應(yīng)力混凝土橋。組合梁橋應(yīng)用較少，數(shù)量占比僅0.5%，缺少組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)圖集。隨著我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的快速發(fā)展、鋼鐵質(zhì)量的提高和價格的降低，以及工廠制造技術(shù)和現(xiàn)場施工工藝的進(jìn)步，兼顧鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點的組合梁橋?qū)⒌靡猿霾?。如何結(jié)合我國實際將其完善和推廣，發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)和社會效益，是我國橋梁發(fā)展的重要課題。

1 鋼-混組合梁橋的優(yōu)勢

1.1 鋼-混組合梁橋的力學(xué)性能優(yōu)勢

結(jié)構(gòu)充分利用鋼材受拉和混凝土受壓的力學(xué)特性，有效避免混凝土梁的開裂問題和鋼主梁直接接觸汽車荷載所導(dǎo)致的疲勞問題。結(jié)構(gòu)自重小、強度和剛度大，擁有較強的跨越能力和較低的梁高，抗震性能好。相比鋼橋，組合梁橋鋼主梁用鋼量省、焊縫數(shù)量少，混凝土橋面板施工設(shè)計成熟，可避免正交異性鋼橋面鋪裝層的病害問題，耐久性好，后期維護(hù)成本低。其中，箱型組合梁的結(jié)構(gòu)形式整體穩(wěn)定性好，更適用于城市道路和高速公路上交通量較大的橋梁。

1.2 鋼-混組合梁橋的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢

文獻(xiàn)[2]研究了混凝土橋、鋼橋和組合梁橋的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果表明：從全生命周期來看，組合梁橋的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更低、有著更好的經(jīng)濟(jì)性。其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：易于實現(xiàn)裝配化施工，工廠分段預(yù)制、不受外界環(huán)境影響，工業(yè)化程度高，構(gòu)件質(zhì)量可控。現(xiàn)場拼裝，對吊裝設(shè)備要求不高，鋼主梁架設(shè)后作為平臺便于混凝土橋面板的安裝，流程簡單快速。且橋梁發(fā)生事故后可快速更換受損構(gòu)件，對交通影響小。

2 鋼-混組合梁橋設(shè)計要點

2.1 鋼梁和混凝土橋面板構(gòu)造

鋼梁在正彎矩區(qū)基本處于受拉狀態(tài)，但在負(fù)彎矩區(qū)受壓，需要考慮調(diào)整構(gòu)造和施工工藝來避免板件受壓屈曲?；炷翗蛎姘逯苯映惺芷嚭奢d和外界環(huán)境影響，設(shè)計時需要保證其耐久性。此外，鋼主梁和混凝土橋面板的結(jié)合面也是設(shè)計要點之一，文獻(xiàn)[3]研究了港珠澳大橋鋼箱組合梁的結(jié)合面，為解決橋面板和鋼梁上翼緣橫坡誤差，采用翼緣板兩側(cè)粘貼壓縮膠條中間澆注環(huán)氧砂漿的方法，利用橋面板自重作用來實現(xiàn)結(jié)合面的充分接觸和密封。

2.2 連接構(gòu)造

剪力連接件是連接鋼主梁和混凝土橋面板的關(guān)鍵構(gòu)件，為減小層間滑移效應(yīng)的影響，采用合理形式的連接件十分重要，常用形式有栓釘、型鋼和PBL剪力鍵等。文獻(xiàn)[4]研究表明，層間滑移效應(yīng)會降低組合梁剛度，引起支點處負(fù)彎矩的增加，對混凝土橋面板產(chǎn)生不利影響。可通過增大剪力連接件剛度來降低層間滑移效應(yīng)。連接件的布置和剛度大小也會對組合梁受力性能產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[3]介紹了港珠澳大橋組合梁采用的集束式剪力釘布置形式，其利用率高于均布式，能改善橋面局部受力，此時橋面板橫向無需分塊、整體性好。文獻(xiàn)[5]研究結(jié)果表明柔性栓釘會引起層間滑移，減小組合梁剛度和自振頻率，也會減弱其動力響應(yīng)。

2.3 負(fù)彎矩區(qū)抗裂

連續(xù)組合梁在中支點處承受負(fù)彎矩作用，鋼主梁受壓、混凝土橋面板受拉。負(fù)彎矩區(qū)鋼主梁可通過底板填充混凝土或設(shè)置加勁肋等構(gòu)造方式滿足設(shè)計要求，但混凝土橋面板容易開裂，會導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕，影響下部鋼主梁的耐久和組合梁的受力性能。其處理方法通常為預(yù)防開裂和限制開裂寬度2種，包括：橋面板配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，使其預(yù)壓來抵消拉應(yīng)力；抬升中支座高度，待負(fù)彎矩區(qū)混凝土硬化后降低支座高度；先澆注正彎矩區(qū)混凝土后澆注負(fù)彎矩區(qū)混凝土；使用高性能混凝土，提高其強度和耐久性。文獻(xiàn)[6]研究表明，利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固負(fù)彎矩區(qū)橋面板，可限制其開裂和控制裂紋寬度，提高其抗彎極限承載力19.4%。

2.4 組合梁疲勞

文獻(xiàn)[7]總結(jié)了鋼-混組合梁疲勞破壞形態(tài)，主要為鋼主梁翼緣受拉破壞和剪力釘剪切破壞。研究表明：鋼主梁受拉翼緣裂紋向上部擴(kuò)展，中性軸上移導(dǎo)致橋面板開裂和組合梁承載能力下降，直至發(fā)生整體疲勞破壞。剪力釘少數(shù)被剪斷后，截面抗剪強度下降導(dǎo)致層間滑移增大，直至產(chǎn)生大撓度不滿足正常使用要求。設(shè)計時應(yīng)使栓釘疲勞壽命短于鋼主梁受拉翼緣的疲勞壽命，保證從開裂到破壞有相當(dāng)長的時間，使其能被及時發(fā)現(xiàn)和維修加固。

2.5 組合梁防腐

鋼主梁防腐技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，文獻(xiàn)[2]對主要防腐方法進(jìn)行了總結(jié)，主要有重防腐涂裝技術(shù)和電弧噴涂技術(shù)。前者防腐年限有10～15年，采用該方法的橋梁有虎門大橋、美國金門大橋等。電弧噴涂技術(shù)的防腐年限可達(dá)20～25年，該技術(shù)在重慶菜園壩大橋、日本關(guān)門大橋等橋梁上被采用[8]。組合梁免涂裝防腐的重要方法之一是鋼主梁使用耐候鋼，且從全生命周期來看具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

3 鋼-混組合梁橋設(shè)計方法

3.1 負(fù)彎矩區(qū)橋面板設(shè)計方法

針對負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板開裂問題，對比了中國和歐洲規(guī)范在混凝土橋面板開裂區(qū)受拉鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度的設(shè)計方法。

(1)JTGD64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[9]和JTG/TD64-01-2015《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》[10]認(rèn)為負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的力學(xué)行為接近于混凝土軸心受拉的情況，所開裂截面受拉鋼筋應(yīng)力計算方法如式(1)：

(1)

式中：Ms為組合作用形成后，開裂截面的負(fù)彎矩，Icr為鋼主梁和縱向鋼筋形成的截面慣性矩，ys為鋼筋截面形心至鋼主梁和鋼筋形成的組合截面中性軸的距離。

開裂截面裂縫寬度按照J(rèn)TG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[11]中軸心受拉構(gòu)件裂縫寬度公式見式(2)：

(2)

式中：C1為鋼筋表明系數(shù)，C2為作用長期效應(yīng)影響系數(shù)，C3在不同受力形式下取不同系數(shù)，σss為鋼筋應(yīng)力，d為縱向鋼筋直徑，ρ為配筋率，bf為受拉翼緣寬度，hf為受拉翼緣厚度。

(2)BSEN1994-2:2005《歐洲規(guī)范4—鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計》中較精確的計算方法是不考慮受拉混凝土的貢獻(xiàn)作用，并認(rèn)為混凝土的拉伸剛化效應(yīng)會引起鋼筋應(yīng)力增大。其裂縫寬度計算公式如式(3)：

Wk=Sr, max(εsm-εcm)

Sr,max=k3c+k1k2k4φ/ρp,eff

(3)

鋼筋應(yīng)力會因混凝土的拉伸剛化效應(yīng)而增大，其應(yīng)力如式(4)：

(4)

以上各式中：Sr,max為裂縫最大間距，εsm為鋼筋平均應(yīng)力，εcm為混凝土平均應(yīng)變，k1為考慮鋼筋黏結(jié)特性的系數(shù)，k2為考慮應(yīng)變分布的系數(shù)，k3、k4為分別為3.4和0.425，c為鋼筋保護(hù)層厚度，φ為鋼筋直徑，ρp,eff為受拉鋼筋有效配筋率，σs,o為開裂區(qū)鋼筋應(yīng)力，Δσs為混凝土拉伸剛化后產(chǎn)生的附加應(yīng)力，fctm為混凝土的平均抗拉強度，A、I分別為僅考慮鋼筋的截面面積和慣性矩，Aa、Ia分別為鋼主梁截面的面積和慣性矩。文獻(xiàn)[12]以某四跨連續(xù)鋼板組合梁為算例，對比分析中國和歐洲規(guī)范的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相同鋼筋應(yīng)力下，歐洲規(guī)范裂縫計算結(jié)果大于中國公路規(guī)范。中國公路規(guī)范納入歐洲規(guī)范中考慮混凝土拉伸效應(yīng)的計算方法后，裂縫計算值大幅增長并接近I類環(huán)境限值0.2mm，但仍小于歐洲規(guī)范的計算值?；炷晾靹偦?yīng)的影響在裂縫寬度計算中占比很大，建議設(shè)計時將其納入考慮范圍。

3.2 組合梁疲勞設(shè)計方法

對比各國規(guī)范，鋼-混組合梁的疲勞問題主要體現(xiàn)在栓釘?shù)钠趬勖u估上，認(rèn)為剪應(yīng)力幅和疲勞壽命的對數(shù)值呈線性關(guān)系。介紹在國內(nèi)外應(yīng)用較廣的幾個規(guī)范以供參考。

BSEN1994-2:2005《歐洲規(guī)范4》、美國AASHTO《公路和橋梁設(shè)計規(guī)范》和日本《鋼-混凝土組合橋梁規(guī)范》中計算栓釘疲勞壽命采用如式(5)：

lgN+mlgr=C

(5)

式中：N為栓釘疲勞壽命，r為栓釘?shù)募魬?yīng)力幅。

m和C在各規(guī)范中取值分別為：《Eurocode4》取8和21.395、美國《公路和橋梁設(shè)計規(guī)范》取10和26.15、日本《鋼-混組合橋梁規(guī)范》取8.55和23.42。

此外，英國《橋梁規(guī)范》(BS5400)在評估栓釘疲勞壽命時考慮剪力幅和靜力承載力的比值，其公式如式(6)：

lgN+8lg(ΔP/Pu)=1.29

(6)

式中：ΔP為栓釘?shù)募袅Ψ?，Pu為栓釘?shù)撵o力承載力。

中國JTGD64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[9]在5.5.8中給出剪應(yīng)力幅疲勞強度曲線，并在表C.0.5中給出用于組合梁的焊接剪力釘?shù)募?xì)節(jié)類別為90，m=8。由此得出計算栓釘疲勞壽命的公式如式(7)：

lgN+8lgr=21.93

(7)

式中：N為栓釘疲勞壽命，r為栓釘?shù)募魬?yīng)力幅。

TB10091-2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[13]在說明表3.2.7中給出公式如式(8)：

lgN+8lgΔσi=20.54

(8)

式中：N為栓釘疲勞壽命，Δσi為栓釘?shù)募魬?yīng)力幅。

文獻(xiàn)[7]認(rèn)為栓釘?shù)钠趬勖钪饕挠绊懸蛩厥撬ㄡ數(shù)募魬?yīng)力幅，此外也受到栓釘母材強度、混凝土強度和彈性模量的影響。以上規(guī)范中考慮應(yīng)力幅的方法適用于評估高周疲勞荷載下的栓釘疲勞壽命，并不適用于低周疲勞荷載下的壽命評估。雖然各國規(guī)范的保證率較高，但難以計算出精確的壽命，在實際工程中需要嚴(yán)格控制栓釘?shù)募魬?yīng)力幅。

4 鋼-混組合梁橋的新結(jié)構(gòu)形式

U形組合梁由美國小跨徑鋼橋聯(lián)盟提出，鋼主梁采用鋼板冷彎成型，不設(shè)或少設(shè)加勁肋，焊縫數(shù)量大大減少。其截面形式包括鋼主梁內(nèi)卷邊U型鋼倒置和外卷邊U型鋼正置2種，如圖1所示。自重輕、構(gòu)造簡單、工業(yè)化程度高、后期維護(hù)方便，在小跨徑橋中具有較強的競爭力。

圖1 U形組合梁[14]

鋼-UHPC組合梁橋中將橋面板上的UHPC和正鋼面板通過栓釘連接，如圖2所示，可發(fā)揮兩者力學(xué)優(yōu)勢，是避免鋼橋面疲勞問題的研究熱點之一[15]。

圖2 鋼-UHPC組合梁橋面板部分[15]

鋼-UHPC組合梁發(fā)揮UHPC和正交異性鋼板的優(yōu)勢，但負(fù)彎矩區(qū)橋面板易開裂。文獻(xiàn)[16]提出UHPC橋面薄板代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土橋面板的輕型組合“π”梁，如圖3所示，研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)形式在滿足設(shè)計要求的情況下，可大大減小橋面板厚度和現(xiàn)場接縫澆筑量，降低自重30%～40%。

圖3 鋼-UHPC輕型組合“π”梁[16]

文獻(xiàn)[17]提出將UHPC華夫板做組合梁頂板，如圖4所示，研究表明，該形式橋面板強度高，有效降低自重，負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力滿足設(shè)計要求，可進(jìn)一步推廣。

圖4 鋼-UHPC華夫板組合梁[17](單位:mm)

利用壓型鋼板做混凝土橋面板底模，如圖5所示，其上現(xiàn)澆混凝土使得橋面板接縫數(shù)量大大減小，防止底板出現(xiàn)裂縫并獲得很好的整體性、底板美觀潔凈。

圖5 壓型鋼板做橋面板底模的組合梁橋

波形鋼腹板-混凝土組合梁橋，用波形鋼板代替混凝土板作為腹板，如圖6所示，可有效減輕自重，提高抗剪能力和預(yù)應(yīng)力的效率，增強其跨越能力。

圖6 波形鋼腹板-混凝土組合梁截面[18]

鋼管混凝土桁架做底板的波形鋼腹板組合梁橋，如圖7所示，是波形鋼腹板組合梁橋的增強結(jié)構(gòu)形式。文獻(xiàn)[20]提出一種新型鋼底板-波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋，研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)混凝土底板，整體受力更加合理，避免混凝土收縮徐變帶來的下?lián)蠁栴}，梁高更低，美觀輕盈。

圖7 鋼管混凝土桁架底板波形鋼腹板組合梁[19]

5 展望

(1)高性能材料的開發(fā)和應(yīng)用?；炷翗蛎姘迨褂肬HPC、RPC等高性能混凝土和纖維增強混凝土等材料，以改善橋面板受力并提高其耐久性。鋼主梁可采用高性能鋼材，此外免涂裝耐候鋼因其耐腐蝕性和全生命周期較好的經(jīng)濟(jì)性成為其重要的發(fā)展方向之一。

(2)新型組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。采用新的組合結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步發(fā)揮材料性能和提高結(jié)構(gòu)受力的合理性和經(jīng)濟(jì)性。新型組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和傳力機理將是研究熱點。

(3)智能化的建設(shè)方法。鋼-混組合梁因其合理的受力和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，在橋梁綠色化、裝配化和智能化的轉(zhuǎn)型升級中將大有可為，一套完整的智能化建設(shè)體系尤為重要。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)一體化和信息化是實現(xiàn)該智能化建設(shè)的重要手段。利用BIM建立云數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)圖集，實現(xiàn)設(shè)計階段資源共享；工廠預(yù)制時粘貼二維碼，便于后續(xù)運輸和安裝掃碼獲取信息；通過云數(shù)據(jù)庫的大量統(tǒng)計，在常規(guī)檢查外，重點檢查和養(yǎng)護(hù)易損和易腐蝕部位。3個階段緊密銜接，保證整個體系的高效和經(jīng)濟(jì)。

(4)快速施工橋梁技術(shù)的重要組成部分。隨著中國橋梁建設(shè)綠色化轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，尚處于起步和研發(fā)階段的快速施工橋梁技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。鋼-混組合梁橋作為其重要的結(jié)構(gòu)之一，相關(guān)設(shè)計理論會是今后的研究熱點。