新型鋼板組合梁結構橋梁的應用分析

吳平平

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥210088）

新型鋼板組合梁結構橋梁的應用分析

吳平平

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥210088）

濟祁高速合肥段淮河特大橋引橋在國內首次采用了新型鋼板組合梁結構，通過材料使用性能、經濟性指標、施工成本、橋梁景觀、環境保護和結構耐久性等因素對該結構進行了全面的分析，證明是其是一種經濟合理的橋梁結構形式，是現階段橋梁結構發展的趨勢所在。

鋼板組合梁；使用性能；結構安全性；造價；景觀；環境保護

1　概述

濟祁高速合肥段淮河特大橋11 km長度引橋工程中，橋梁上部結構采用新型鋼板組合梁橋形式，標準跨分別為30 m和35 m，采用三跨或四跨一聯的方式，橋面全寬26.5 m，基于雙向四車道的標準設計，并采用分幅方式。35 m鋼板組合梁橋的立面布置見圖1，包含了鋼梁、鋼梁加勁板、橫梁、混凝土橋面板等構件。

鋼板梁橋主梁斷面采用直腹式雙工字鋼板組合梁，梁橋最長跨為35 m，雙主梁間距7.225 m，中心線處的梁高均為1.75 m，混凝土橋面板和鋼主梁通過栓釘連接，雙主梁之間采用中橫梁加強橫向聯系，中橫梁的標準間距5 m，橋梁的跨中標準斷面和橫梁處斷面見圖2。

組合鋼板梁橋橋面板由預制板和縱橫向濕接縫構成，鋼板梁橋采用滿堂支架吊裝到位后，吊裝預制橋面板并澆筑濕接縫混凝土完成共同受力，考慮到鋼板組合連續梁橋的受力特點，正彎矩區域采用C40混凝土，負彎矩區域采用PVA纖維混凝土橋面板。

2　鋼板梁組合結構的應用［1-5］

組合結構橋梁由于多項新技術的應用，得到了良好的機能和耐久性，快速施工縮短了投資回報期，多樣化結構適應了不同橋位不同跨度橋梁建設的需求和景觀要求，簡化的結構減少了橋梁施工和維修管理工作量，所以組合結構橋梁在近二十年來得到了飛速的發展。根據法國1990～1993年建設的橋梁上部結構統計，公路組合梁橋在跨長30～110 m范圍內最有競爭力，在60～80 m跨長范圍內有明顯優勢，公路組合梁橋占有率達85%。在法國TGV高速鐵路線上，20世紀90年代建成的TGV北線，組合梁橋占有率為45%，2001年6月建成TGV地中海線，組合梁橋占有率上升至80%，其余20%為PC梁。在橋梁建設造價上，在跨長40～80 m范圍內，組合梁比PC梁更經濟一些，英國、德國、北美、日本的組合梁橋的應用與法國大體相近，見圖3、圖4。

3　新型鋼板梁結構及與傳統結構對比

3.1材料受力和使用性能對比

目前，社會發展強烈呼吁降低橋梁等交通設施的建設造價，提高其安全性、耐久性、使用性、景觀性和環保性。對于傳統的預應力混凝土小箱梁橋，其自重大，施工期長，大量就地開采砂石材料，雖然材料費較低，但對周邊自然環境造成破壞和大氣粉塵污染，同時混凝土材料因鹽害、中性化、堿骨料反應和凍融等引起的劣化是不可回避的問題。對于鋼橋，壓屈、疲勞、腐蝕、振動、噪音、對溫度變化的敏感性等，也是難以回避的問題。

組合結構橋梁由鋼結構抗拉、混凝土抗壓，充分發揮兩種材料的使用性能，可使結構設計、施工、維修更趨合理并具全壽命經濟性。混凝土結構作為橋面板可以克服鋼構件的疲勞和防腐問題，鋼構件作為主受力構件可以有效提高橋梁的使用壽命，與混凝土梁橋相比，自重輕，可以大幅降低恒載比例，減小對下部構造和基礎的要求，節約造價。

3.2造價對比分析

根據目前我國經濟形勢的發展現狀，受國家能源及環境政策的影響，目前市場上的砂、石等材料相比于2013年初增幅較大，甚至已經達到100%的水平。而鋼材價格有較大幅度的下降，鋼價從高峰值到今年年底降幅已超過1 000元/t。從長期趨勢看，由于社會對環境的要求越來越高，砂石材料的成本也會越來越高，而鋼材的原材料多來自于進口的鐵礦石，且產能極為過剩，鋼材價格處于長期穩定，甚至小幅下跌狀態。因此從材料利用角度，采用鋼結構是有利的。

圖2　鋼板組合梁橋的橫斷面布置圖（單位：mm）

圖3　法國組合梁橋在不同跨長上的分布率（1993年）

圖4　法國不同跨長PC梁橋與組合梁橋的造價比較（1995年）

濟祁高速合肥段淮河特大橋在引橋設計過程中對不同方案的橋型進行了造價對比，其結果見表1。

表1　橋型方案經濟比較

從表1可以看出，根據直接建設成本計算結果，35 m鋼板梁結構比小箱梁結構造價低約10%。

3.3施工性對比分析

新型組合梁采用雙主梁體系，采用整聯頂推或者龍門吊吊裝，重量輕，速度快。鋼梁為工廠標準化生產，質量可控。橋面板采用工廠化預制，構造簡單，不需內模，質量容易控制。上部結構不設預應力，施工簡單，同時避免了預應力管道的通病。

而傳統小箱梁每跨需要分四次吊裝，施工工期提高一倍以上。小箱梁構件尺寸單薄，預制質量較難控制，出現病害的幾率高，耐久性較差。

3.4景觀性對比分析

鋼板組合梁結構經歷了早期的多主梁、冗約束體系之后，隨著計算理論和設計方法的完善，以及材料指標和施工工藝的進步，對鋼板梁組合結構進行了大幅優化，取消了原設計中繁雜的空間冗余約束構件，代之以結構簡潔、受力明確的少主梁或雙主梁體系，雙主梁方案可以充分發揮材料的承載性能，減輕了結構自重，空間通透，易于維護，外觀簡潔、美觀。而傳統小箱梁采用多主梁布置，空間顯得零亂壓抑，不通透，景觀效果較差，見圖5、圖6。

圖6　新型鋼板組合梁結構簡潔、美觀

4　新型鋼板梁結構的技術先進性［6-7］

鋼板組合梁橋的設計和應用涉及到預制橋面板和鋼梁的設計方法、新型剪力鍵應用、結構耐久性技術、新型施工工法、運營養護技術、PHC管樁等新技術的應用，正是由于多項新技術的綜合應用，使組合結構可以發揮良好的機能和耐久性，快速施工縮短了投資回報期，多樣化結構適應了不同橋位不同跨度橋梁建設的要求，簡化的結構減少了橋梁施工和維修管理工作量，所以組合結構橋梁相比于傳統的混凝土小箱梁橋，在技術上具有明顯創新型和先進性，也正因為其結構的合理設計和對材料的充分利用所體現的經濟效益，使得鋼板組合梁在近二十年來得到了飛速的發展，在國內隨著勞動力成本增加和砂石資源的逐步萎縮，組合結構正引起越來越多的研究和應用。

同時，鋼板組合梁橋在高速公路上的規模化應用在國內屬于首次，這種工廠化預制、標準化施工的新型結構的采用不僅有利于節約資源、保護環境、降低造價，而且對于提升整個高速公路的標準化建設水平和科技創新具有重要意義。

此外混凝土材料為一次性利用，不再有回收利用價值，砂石等材料的開采利用對環境的破壞性很大，資源利用率低，生產能耗高。而組合結構只要養護措施完善，在設計壽命之后鋼材的回收利用率可達30%，可有效降低造價，節約資源，在當前倡導建設資源節約型、環境友好型社會的大背景下具有深刻的意義。

5　結語

濟祁高速合肥段淮河特大橋引橋規模較大，引橋造價占到整個大橋總造價的80%，通過材料使用性能、經濟性指標、施工成本、橋梁景觀、環境保護和結構耐久性等因素的考慮，引橋采用鋼板組合梁橋是先進合理的。目前本項目施工進展順利，總結本新型結構的特點主要體現以下幾個方面：

（1）新型標準鋼板組合梁結構是一種經濟合理的橋梁結構形式，是現階段橋梁結構發展的趨勢所在。

（2）材料指標的控制、設計方案的精細性和施工方法的合理性是本結構能以加以推廣的關鍵。

（3）新型標準鋼板組合梁結構可以真正讓裝配化、模塊化、工廠化、標準化的設計思想和理念充分實現。

［1］ 劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］ K Ⅰ.Recent composite bridge in Germany［J］.Japanese Bridge and Foundation Engineering，1993.

［3］ K N.Hybrid structure for bridges［J］.Gihodo Shuppan，1994.

［4］ F S.Guide of conception of Steel-Concrete composite two-girder bridges［J］.Japanese Bridge and Foundation Engineering，1995.

［5］ 吳沖，強士中.現代鋼橋［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［6］ 樊健生，聶建國.鋼-混凝土組合橋梁研究及應用新進展［J］.建筑鋼結構進展，2006（5）：35-39.

［7］ 邵長宇.組合結構橋梁—國際發展與國內展望［Z］.2008.

U448.21+6

B

1009-7716（2015）05-0071-03

2015-02-02

吳平平（1979-），男，安徽桐城人，高級工程師，從事橋梁設計及研究工作。