鋼混組合橋面板的發展概況及設計維護要點

邢 昕，馮克巖

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300457）

1 新型組合橋梁對橋面板性能的要求

從20世紀60年代起，組合結構以其整體受力的經濟性，發揮材料各自優勢的合理性及便于施工的突出優點得到廣泛應用。進入20世紀80年代，組合結構有了新的發展，組合結構從理論研究到設計施工日趨成熟，法國、德國、日本等國對傳統鋼橋結構體系進行了大幅簡化，開發了不同形式的組合結構橋梁，其中2根主梁的組合鋼板梁橋已經成為中小跨新建橋梁的主流，被認為是極其經濟的橋梁形式之一。通過大量基礎性理論研究和試驗，各國制定了相應規范，促使結構體系的簡化與統一。改進后的組合結構以構造合理化、工廠預制化及高耐久性為特征，不僅降低加工及施工費用，而且從全壽命費用考慮，在提高耐久性、削減維護管理費用等方面優勢明顯[1][2]。

伴隨著主梁根數減少、間距擴大，要求橋面板具有更高的跨越能力，傳統的鋼筋混凝土橋面板已經不能滿足要求。歐美等國大多使用高強混凝土及施加橫向預應力的方法，并進一步采用預制預應力混凝土橋面板，提高混凝土品質，降低收縮徐變的不利影響。但預應力混凝土橋面板存在重量大、施工質量要求高等問題。從20世紀80年代末期，日本對鋼混組合橋面板進行了開發，通過車輪行車疲勞試驗、有限元分析等理論研究和試驗，證明組合橋面板不僅具有與預應力混凝土橋面同等的承載能力和耐久性，并且具有重量輕、施工方便和翻新拓寬費用低等優勢。本文重點介紹組合橋面板的發展歷程、特點和設計管理要點。

2 組合橋面板的發展歷程及研究方法[3]

歷史早期沒有組合結構的概念，如日本建于1902年跨越津野川的舊明治橋，橋面板采用折形鋼板作為底模，利用剛度大的混凝土傳遞車輪載荷。鋼板與混凝土組合效應的積極利用是源于20世紀50年代，1959年法國Tancarville懸索橋建造中為了減少橋面板的重量開發了羅賓遜式組合橋面板。這一時期，由于不設或少設加勁肋，組合橋面板跨徑與混凝土橋面板相當，并且由于成本高，只限定在特殊條件下采用，如施工空間受限的跨線橋和舊橋面板更替。

20世紀80年代，日本大阪大學開始采用車輪動荷載試驗機進行各種橋面板耐久性研究，見圖1。該試驗方法可以使試件產生與實橋相似的縱橫裂縫，對研究橋面板的疲勞損傷具有重要意義。同時，組合橋面板不同類型連接件的開發也繼續進行。1997年日本土木工程師學會鋼結構設計準則B部分公布，包括了組合橋面板最小厚度和橋面板剪力設計等規定。隨著1997年日本基礎設施和運輸部提出了“公共工程的費用縮減行動計劃”，以此為契機推廣合理化組合橋梁，跨徑長高耐久橋面板需求增加，組合橋面板受到重視，其應用實例逐年增加，見圖2。

1997年起連續4年在日本土木研究所實施的“道路橋面板輪載行車試驗疲勞耐久性評價手法的開發共同研究”，由日本橋梁建設協會對各公司開發的橋面板實施了統一的試驗，對組合橋面板組合梁的裂縫控制性能、膨脹混凝土的長期暴露等進行了測試。并于2001年制定了“橋建協標準組合橋面板”，規范了組合橋面板厚度和橋面板重量等，于2005年為橋建協會員發刊了“組合橋面板設計·施工指導(初版)”，于2006年發刊“鋼·混凝土組合橋面板計劃資料”。

圖1 板輪載行車試驗機及橋面板裂縫分布

圖2 日本組合橋面板歷年應用規模

開發一種新的組合橋面板，通常需要進行橋面板正負彎矩靜載試驗以確認其承載能力；與主梁一起進行中支點負彎矩靜載試驗以確認其抗裂能力；進行輪載行車試驗確認疲勞耐久性；以及混凝土填充性、加勁肋焊接細節疲勞耐久性等一系列工藝試驗。通過總結試驗結果，進行有限元分析計算，最終形成整套設計參數，編制設計指南、加工施工方法、費用明細等資料。

3 組合橋面板的特點及分類

組合橋面板鋼結構通常由底鋼板、加勁肋、連接件及接頭板等組成，只配置上緣鋼筋，見圖3。其中加勁可采用多種型鋼或鋼板，如截成兩半的工字鋼、槽鋼、扁球鋼、U肋等。也有桁架類組合橋面板，采用鋼筋或波形鋼板作為加勁，見圖4（a）。還有使用預先澆注高性能混凝土作為加勁的組合橋面板，見圖4（c）。鋼混連接方面，型鋼的翼緣等構造可以起到連接件的效果，不過通常采用在加勁腹板上開孔形成開孔板，或在底鋼板上設置焊釘連接件。

圖3 組合橋面板概念示意

圖4 組合橋面板不同的構造細節

與鋼筋混凝土橋面板相比，組合橋面板有如下優點：

（1）跨徑大：組合橋面板的最大跨徑達10 m，可以滿足少主梁體系的要求。

（2）施工安全快速：鋼結構為工廠制造，現場作業只有架設、配置鋼筋和混凝土打設。可以省略全部模板、腳手架安裝拆除作業，施工工序大幅度減少。底鋼板的預制裝配化構造形成了安全的施工平臺，不占用主梁以下空間，適合城市跨線橋梁。

（3）恒載降低：底鋼板作為下層鋼筋承擔拉應力，減少板厚，降低橋面板自重。

（4）疲勞耐久性高：通過輪載行車試驗等各種實驗確認具有與預應力橋面板等同的高耐久性，并且由于存在底鋼板，不用擔心混凝土片剝離落下。

（5）使用期間出現問題，鋼面板也可以替換。進行局部交通限制，可以不斷交完成修復。

組合橋面板的成本與現澆預應力混凝土橋面板相同，但工期縮短程度可比預制混凝土板，此外，與預應力混凝土橋面板相比，組合橋面板還有如下優點：

（1）輕量的鋼結構板運輸容易，根據現場搬運條件制約的不同，面板分割自由度較大。

（2）跨線橋和跨道橋施工期間腳手架的設置、梁下空間的利用上受到制約，可以采用鋼梁鋼面板一起頂推施工方法或整跨吊裝施工方法。例如與槽型鋼箱梁一起使用，不需額外橫撐就提高了施工期間穩定性，使得組合橋面板的好處最大限度發揮。

（3）適用階段性地分割施工容易，例如對進行一期施工完成的橋進行二期施工拓寬。而預應力橋面板拓寬需二次張拉，施工難度較大。

4 組合橋面板的設計和維護

組合橋面板是一種將帶有加勁的鋼板在鋼梁上架設后，現場配筋并澆注混凝土使之一體化的結構。該結構作為鋼和混凝土組合結構設計。在一般情況下，組合前的荷載由鋼板承擔，組合后由鋼混組合斷面承擔。組合橋面板的設計，與鋼筋混凝土橋面板和預應力橋面板一樣，假設為各向同性、滿足平截面法則，適用于邊長比1：2以上。以下為一些設計參數選取方法，橋建協標準組合橋面板設計參數見表1。

（1）橋面板最小板厚：取公式（1）計算結果和160 mm中的較大值。

hc=25L+110 （1）式中：hc為包括底鋼板的橋面板最小厚度（mm）；L為板跨徑（m）。

（2）主梁間距：最大可達10 m，但一般宜小于8 m，主梁間距與懸臂長度比宜在1:0.4以下。懸臂長度大于2.5～3.0 m時，宜設置小縱梁和斜撐。

（3）承托高度：出于混凝土填充性考慮，承托高度一般取100 mm。在橫坡大且曲率半徑小的場合，高低端承托高度最好相同。

（4）混凝土：由于受到底鋼板、加勁肋等的約束，考慮補償初始收縮，組合橋面板應采用膨脹混凝土。混凝土σck≥30 MPa、粗骨料直徑不大于20 mm、塌落度不小于8 cm，填充性應由施工試驗證實。

（5）配筋：為了控制連續組合梁中支點負彎矩區裂縫寬度，所需配筋率大于1.3%，鋼筋應力低于120 MPa。

（6）鋼結構防腐：組合橋面板表面防腐一般有富鋅涂料、熱鍍鋅、鋅鋁、鋅鎂合金熱噴涂和無漆的耐候鋼四種類型。應考慮全壽命費用后決定防腐類型，橋面板應該采取與主梁相同樣式。如果適用在寒冷地區等撒播防凍劑和融雪劑的地域應采取熱鍍鋅并在澆注混凝土前在底鋼板頂面涂裝厚膜的聚合物水泥材料等[4][5]。

維護管理方面，與鋼筋混凝土板及預應力橋面板一樣，雨水滲透將減少組合橋面板耐久性。因此，適當的排水系統位置和防水層施工質量很重要。另外還應重視雨水滲入的早期監測，應積極在鋼面板上設置監測孔，特別是在容易滲水的連續梁中支點處，及橋面板混凝土澆注接縫處，及時發現并修復損壞的防水層。

為確定是否必須修理時，把活載撓度大于組合橋面板跨徑L/1000作為剛度降低的評定標準。組合橋面板可采用各種無損檢測方法進行健康檢測，如混凝土內部空隙的檢測方法如錘擊振動檢測、超聲波探傷、紅外線攝像法等；橋面板損傷的撓度檢測方法有FWD方法、行車荷載激光多普勒測振儀變形動態測試方法。如需修補橋面板，可在單側交替通行條件下采用射水方法切除混凝土，這種方法已有施工實例。一些公司正在開發專門吊裝設備以加快維修速度。

5 結語

我國組合橋面板的已有初步研究和應用，廣東佛山市東平大橋采用了開孔鋼板加勁肋的組合橋面板，并進行了板結構正負彎矩靜載試驗[6]。西安建筑科技大學楊勇等學者采用簡支梁的加載方法對一組不同參數的組合橋面板進行的動靜載試驗[7]。但對設計參數及試驗方法的研究仍在起步階段。

總的來看我國在鋼-混凝土組合橋梁結構研究及應用方面相對落后，相關研究很不深人，特別是基礎理論研究滯后。至今需要開展的工作量大、涉及面廣，目前組合結構橋梁設計指南或規范尚不完善，設計和推廣這種結構存在很大困難。鑒于以上情況，即使采用組合結構橋梁，往往經濟指標偏高，不能充分體現組合結構的技術經濟優勢[8]。

表1 橋建協標準組合橋面板設計參數(主梁間距6 m，橋寬11.5 m)

中國未來的交通發展仍然需要修建大量的橋梁，迫切需要提高橋梁耐久性、使用性、環保性和景觀性，并降低工程造價。組合橋面板與目前采用的混凝土橋面板和預應力橋面板相比，結構設計、施工、維修更趨合理并且全壽命費用低，應該抓住大好時機在未來城市橋梁等的建設中大力發展。

[1]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.[2]日本橋梁建設協會.新鋼橋的誕生II改訂版[M].2004.

[3]日本橋梁建設協會技術委員會橋面板小委員會.組合橋面板的期望-開發的歷史、現狀和未來[R].2006.

[4]道橋示方書II鋼橋篇[S].2002.

[5]Yoshihiro TACHIBANA,Fumisato TAKAYAMA.The Relationship between the SC Deck's Structural Details and Internal Stresses[J].川田技報,2008,27.

[6]占玉林,趙人達,毛學,等.鋼-混凝土組合橋面板試驗研究與理論分析[J].西南交通大學學報,2006(3).

[7]楊勇,周丕健,聶建國,等.鋼板-混凝土組合橋面板靜力與疲勞性能試驗[J].中國公路學報,2009(4).

[8]邵長宇.城市高架組合結構橋梁國際發展概況[J].上海公路,2008(1).