鋼混組合梁橋的設計要點和方法

孫濤

（中咨華科交通建設技術有限公司，北京市 100195）

鋼混組合梁橋的設計要點和方法

孫濤

（中咨華科交通建設技術有限公司，北京市 100195）

推導了鋼混組合梁橋基于彈性和基于彈塑性的承載能力設計計算方法，從而明確鋼和混凝土在組合梁橋中的作用特性。總結了鋼混組合梁橋相對于混凝土橋和鋼橋的優勢和難點，其中難點主要體現在負彎矩區開裂和整體傾覆穩定方面，并針對這兩個難點，提出了設計解決方法和要點。

鋼混結構；組合梁橋；設計要點；負彎矩抗裂；整體穩定

0 引言

混凝土和鋼材是現代工程建設的主要材料，隨著現代土木工程向可持續化和經濟化的方向發展，合理利用建筑材料力學性能，充分發揮各自的優勢，降低工程的建設成本成為結構工程建設的關鍵。組合結構以其整體受力的經濟性，在保證不同材料良好連接的基礎上充分發揮了各自己的結構性能[1]，在橋梁工程領域的應用越來越得到重視。

廣義的組合結構是在構件的截面層次使用兩種以上不同材料，目前的組合結構主要是在截面層次采用鋼材和混凝土兩種建造材料，并由這種構件組成體系的結構。組合結構橋梁是伴隨著鋼構件在混凝土橋梁結構體系橋梁的應用而產生的，從結構層面上，鋼構件應用于混凝土構件中可以優化受力，改善混凝土材料抗拉性能不足的缺點，同時發揮鋼材抗拉和抗壓性能好的優點，另外混凝土的存在又會降低鋼材的屈曲和疲勞等典型問題；從結構實用及經濟層面，在滿足結構性能要求的前提下能獲取最優的資源配置，同時使得橋梁結構輕型、多變、美觀且可施工性強[2,3]。基于上述優勢，鋼混組合結構在橋梁工程應用領域在不斷的擴大，其中應用最為廣泛的還是梁橋體系。

本文分析組合梁橋的受力原理和計算方法，分析組合梁橋相對于鋼橋和混凝土橋梁的優勢所在和主要缺點。并提出開展組合梁橋設計的要點和方法，設計的主要難題以及解決方法。進一步推廣鋼混組合橋梁在我國的應用實踐。

1 鋼混組合梁橋的設計計算理論

開展鋼混組合梁橋設計的關鍵是，確定鋼混截面在極端荷載作用下的極限承載力，滿足承載力安全是進行任何截面設計的關鍵。目前鋼混組合梁橋承載力計算主要以彈性理論和彈塑性理論為兩個分支，其計算的前提均假定鋼混截面的受力變形滿足平截面假定。

1.1 彈性設計理論

彈性理論認為在承載能力極限狀態下，鋼混組合梁是完全協同工作的，結構的破壞是以邊緣應力水平超過材料的允許應力為標準計算的，因此彈性理論計算承載能力時，有如下假定：

（1）截面的變形完全遵循平截面假定；

（2）鋼材和混凝土為理想的彈性體，直到梁體的破壞；

（3）鋼與混凝土之間連接是安全可靠的，可能有微小的滑移，但是可忽略；

（4）不考慮混凝土開裂對結構承載能力的影響。

根據鋼混組合結構的計算理論，如果鋼混構件的連接在承載能力狀態下不發生滑移，截面內構件連接完好，則可以按照剛度分配原理計算鋼梁承受的彎矩、軸力和混凝土橋面板承受的彎矩和軸力，結構內力的分配原理見圖1。

根據圖 1可知，在截面彎矩作用下，根據彈性理論分配的鋼和混凝土的彎矩和軸力分別為：混凝土鋼其中n0=Es/Ec。

圖1 彈性理論下鋼混組合截面內力分配

根據上述內力分配情況便可以計算鋼混組合梁在外力組合作用下結構的承載能力。

1.2 彈塑性設計理論

彈性理論分析適用于混凝土應力和鋼梁應力均不超過屈服應力情況，事實上，承載能力作用下，混凝土和鋼材都會達到塑性狀態，采用彈塑性理論計算才能完全挖掘結構的承載能力。考慮到鋼和混凝土的應力應變曲線較為復雜，結構計算中一般采用簡化算法，認為鋼材和混凝土都滿足理想的彈塑性關系，因而可以采用簡化的彈塑性理論計算結構的承載能力。計算采用的基本假定有：

（1）截面變形滿足平截面假定；

（2）混凝土和鋼材具有較為可靠的連接，允許產生不影響截面承載的滑移；

（3）不考慮處于塑性中和軸受拉區的混凝土作用；

（4）在混凝土的受壓區為均勻受壓，并達到抗壓設計強度；

（5）在鋼梁受拉區可以達到鋼梁的塑性受拉強度fp=0.9 f（鋼材強度）。

簡化彈塑性理論需要根據塑性中和軸的位置計算截面的承載能力。結合本橋的特點，分別選取近邊跨三分點位置和邊支座位置截面，計算結構的承載能力，見圖2。

圖2 彈塑性理論下鋼梁與混凝土應力分布圖示

2 鋼混組合梁橋特性分析

根據鋼混組合梁橋的上述設計原理，再加上梁橋主要以受彎為主，因此相比于鋼梁橋和混凝土梁橋，鋼混組合梁橋具有以下特性：

（1）結構輕巧、強度高、施工簡便。鋼混組合梁橋整體容重顯著小于混凝土橋梁，可以實現更大跨徑。由于結構輕巧，可以通過先架設鋼梁，以鋼梁作為支撐模板，施工橋面混凝土結構部分。另外，組合梁橋還可以解決了梁段起重架設過大的問題，可以將鋼梁分段制作和吊裝。

（2）鋼混組合梁易于實現工業化和產品化。通過將鋼梁和橋面板進行分段預制，可以在工廠進行流水線式操作，同時減少野外作業時間，并提高施工建設質量。鋼梁段和混凝土段在現場可以進行專業的組裝連接，快速且精度高，且施工不受季節限制。

（3）鋼混組合梁在受力方面具有顯著優勢，充分利用鋼材抗拉強度優勢規避混凝土容易開裂問題。另外，混凝土作為支撐鋼梁的上部結構，可以增加其臨界失穩系數，同時避免了鋼梁直接與車輛活載的作用，減少了不必要的鋼梁疲勞失效問題。

鋼混組合梁橋同時設計難點，需要重點考慮，才能保障其使用安全和長期性能：

第一，設計為連續梁橋結構型式的組合梁橋，面臨負彎矩區開裂問題。連續梁橋或者連續剛構橋，在中支點區域承受負彎矩作用，由于混凝土的抗裂性差，必須采取相關措施，降低負彎矩的開裂風險，保證組合梁橋梁的使用性能[4]。

第二，組合梁橋的整體穩定性問題，組合梁橋的結構自重較輕，橫向寬度大的連續梁橋，特別是采用中間點鉸支撐設計的，其橫向穩定性能很差，例如2012年8月24日 哈爾濱陽明灘大橋的垮塌事故，該橋梁就是采用組合梁橋型式，同時中支座為點鉸支撐。

3 鋼混組合梁橋設計要點及方法

根據鋼混組合梁橋的設計難點和問題，可以采取如下設計要點及方法進行針對性的解決。

3.1 組合梁橋橫向穩定設計

梁橋的傾覆機理就是在外界荷載作用下，整個橋梁結構繞著一個軸發生翻轉，一旦達到翻轉的臨界狀態，梁橋結構就變成機動體系，從而導致整體式的傾覆破壞。因而其破壞機理如下：

式中：K是傾覆系數，臨界狀態下是K=1，K＞1被認為是不會發生傾覆，但是考慮到計算模式不確定、材料估計不確定等，因而一般需要賦予一個較高的安全儲備，例如認為K≥2時橋梁傾覆穩定是安全的。M1是抵抗彎矩，主要是恒載下各個支座反力對傾覆軸的力矩和。M2是傾覆彎矩，主要是活載對傾覆軸的力矩和。

根據上述傾覆機理，組合梁橋的設計中，一方面需要保證傾覆軸的傾覆側具有盡可能小的車輛荷載作用，降低傾覆彎矩的大小；另一方面，設計具有較高抵抗彎矩的橋梁，例如采用中間墩雙點支撐，設置抗拔預應力鋼筋以及進行橫向傾覆預警等。

3.2 負彎矩區設計

改善組合梁橋負彎矩的抗裂性能，可以通過如下手段進行解決：

（1）橋面板滯后結合。通過先澆筑結合跨中區域的橋面板，使得鋼梁預先進行變形，同時消除跨中區域混凝土橋面板與鋼梁結合的收縮徐變效應，最后結合負彎矩區域的橋面板，降低其開裂的風險。這種方法需要調整橋面板的現澆工序，可以較為方便地應用于預制拼裝橋面板，對于完全現澆的橋面板，則施工工序調整較為繁瑣，降低施工效率。這種方法也大量應用于城市高架及跨海大橋建設中，該方法可以降低開裂可能性，但是不能完全消除。

（2）支座位移法。通過在施工中調整中支座的位移，使得負彎矩區混凝土形成預壓效果，主要實施方法是在架設完成鋼梁后頂升中支座，等橋面板澆筑完成后將中支座放到原來位置，形成預壓效果。該方法施工過程很簡單，實施效果也很明顯，但是需要對中支點鋼梁進行加固以方便頂升，還需要具有足夠的空間安放頂升裝置。該實施方法可以消除開裂風險，但需要進行精確的計算分析。

（3）跨中壓重。同樣是在施工過程中，在鋼梁架設完成后，通過對中跨進行預壓配重，并在混凝土橋面板澆筑完成后，釋放跨中壓重，使得負彎矩區形成預壓效果。跨中壓重方法僅限于中小跨徑橋梁，對于大跨橋梁增加壓重可能對鋼梁造成損傷或者形成破壞。

（4）施加中支點頂板預應力。在負彎矩區容易開裂的地方，施加預應力，使得儲備一定的頂板壓應力，這些壓應力用于抵抗運營期間產生的頂板拉應力，從而降低頂板開裂的風險。預應力鋼束方法需要增加預應力錨固和轉向的構造，同時增加預應力工序，最為重要的是預應力的后期損失較大，需要進行精確的計算，考慮預應力的張拉時機和張拉噸位，才能保障運營期間不產生頂板拉應力或者拉應力在一定限值范圍內。施加預應力的方法，一般用于大跨徑的組合梁橋。

4 結論

鋼混組合梁橋具有諸多優點，既能夠充分利用混凝土的抗壓性和鋼材的抗拉性能，有能規避混凝土抗裂性差及鋼材屈曲和疲勞問題突出的缺點。鋼混組合梁橋能夠進行工業化和工廠化的生產，具有突出的應用優勢。論文分析了鋼混組合梁橋的設計計算理論，分別從彈性和彈塑性理論兩個方面推導了其極限承載力的計算方法，也充分掌握了鋼材和混凝土在組合梁橋的發揮效應。通過總結鋼混組合梁橋的結構特性，提出了整體穩定和負彎矩抗裂是其關鍵難題，并提出了針對這兩個關鍵難題的設計要點和方法。推進鋼混組合梁橋結構在我國的進一步應用。

[1]邵長宇.組合結構橋梁的發展與應用前景[J].城市道橋與防洪, 2016(9):11-15.

[2]魏光華.鋼—混凝土組合梁橋設計與施工探討[J].山西建筑, 2007,33(24):338-339.

[3]馮建剛,秦志軍,趙秀文.鋼混組合箱梁橋設計與施工[J].公路交通科技 (技術版),2010,6(6):6-8.

[4]鄭和暉,巫興發,黃躍,等.鋼—混組合連續梁負彎矩區橋面板抗裂措施[J].中外公路,2014,34(5):152-155.

U448.21+6

A

1009-7716（2017）04-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.020

2017-02-06

孫濤（1983-），男，新疆阿勒泰人，工程師，從事路橋設計工作。