鋼混組合箱梁橋結構特性及關鍵設計難題研究

陶高飛

（廣州市恒津路橋設計咨詢有限公司，廣東 廣州 511495）

0 引言

組合結構充分利用了鋼材和混凝土各自優異的力學性能，使得組合后的結構性能不僅發揮了各自材料特點，還有效地回避了兩種材料的劣勢，在近年來得到了廣泛的應用。常見的組合結構型式有鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋、鋼桁組合梁橋等，其中鋼箱組合梁橋延續了箱型梁抗彎及抗扭性能好、可施工性強、受力性能優異等特點，具有廣闊的應用前景，特別是在高速公路的跨線橋設計中[1,2]。

本文首先分析了鋼混組合箱梁橋的技術特點，總結了其技術優勢；其后，對鋼混組合箱梁橋的關鍵設計難題進行了詳細剖析。通過本文相關研究及總結，可以為鋼混組合箱梁橋的設計與施工提供參考。

1 鋼混組合箱梁橋結構特性

鋼混組合箱梁橋的典型結構型式見圖1：通過底板和腹板采用鋼結構型式，顯著地降低了自重，增加其跨越能力；在橋面板設置混凝土板，提高了橋面板耐久性及局部輪載承載力。

圖1 鋼箱組合梁橋的結構布置圖

綜合而言，鋼箱組合橋梁非常顯著的技術優勢，主要體現在：（1）自重小跨越能力強，鋼箱梁在滿足截面抗彎和抗扭性能要求下，具有很小的結構自重，因此其跨越能力顯著增強，減小了下部結構的工程用量。同時也因為鋼結構自重較輕，有效地減少了中墩支點的負彎矩，結構的梁高較一般連續梁低，可以減少橋下凈空的占據面積，優化了橋梁的外形及美觀性能。（2）結構剛度好，橋面使用性能好。相對于鋼箱梁橋，組合鋼箱梁的結構剛度顯著大，具有很好的整體穩定性和安全性。同時由于混凝土板比鋼正交異性板更適應重載交通，造價低，在使用一定年限后有更新的可能。（3）可施工性強，鋼箱組合梁橋可以通過鋼梁架設及橋面板預制分塊實現連接，該施工方法可以形成標準化的工藝，利于大面積地推廣應用，采用現場拼裝的施工工藝具有靈活、便捷、快速等優勢，對地面交通影響小。此外，鋼結構通過檢查、維護和加強，壽命可達100 a以上。（4）抗震性能及經濟性好，由于比混凝土橋結構自重輕，地震響應小，特別適合無支架施工，可以降低成本。

鋼混組合箱梁除了上述技術優勢之外，還有很多關鍵問題需要解決，主要包括鋼混及其連接構造、負彎矩區處理、結構整體穩定及局部屈服等問題[3,4]。

2 鋼混組合箱梁橋的設計難題

2.1 鋼混及其連接構造

鋼混組合箱梁橋的構造涵蓋鋼梁、混凝土橋面板、鋼混連接等細節，對這些細節的構造處理是建立在結構受力特性的充分認識上。

（1）鋼梁的構造。包括鋼截面構造及加勁結構設計，組合截面的中性軸一般接近上翼緣混凝土板，這使得正彎矩區基本處于受拉狀態，為取消腹板加勁提供了條件。此外，針對負彎矩區底板受壓問題，可以附加混凝土板以減小截面受壓區高度與壓應力水平，降低該區域內的板件屈曲可能性。

（2）混凝土橋面板構造。混凝土橋面板直接暴露于外部環境中，受到環境侵蝕、氣溫變化及汽車荷載等作用，因此其耐久性能備受關注。中預制和現澆是目前橋面板主要應用型式，這兩種施工方法下橋面板的收縮徐變性能差別很大，需要根據具體的建設條件進行選擇。組合橋面板近年來受到重視，不僅可以發揮混凝土橋面板的受力性能，還能實現橋面板與鋼梁更好的連接，需要在積累現有研究經驗的基礎上進行深入的實踐與分析。

（3）鋼混連接構造。隨著組合結構的應用與發展，對于鋼混連接問題及其工作性能的認識也更加全面，同時對其連接構造要求也越來越高。鋼混連接區域不僅要承擔剪力作用，還需要承擔拉拔力；不僅要求滿足承載能力使用要求，保證結構安全，還需要滿足組合結構的整體工作性能，在正常使用情形下具有很好的工作性。連續組合箱梁橋中，從支點到跨中斷面的受力狀況變化很大，特別是在負彎矩區受力問題更加復雜，需要考慮適宜的連接件型式、布置范圍、設置間距等參數，完全基于承載能力的理念設計連接件是不合適的。

2.2 負彎矩區處理

結合連續梁在正彎矩的作用下，截面受拉區是抗拉強度較高的鋼板、受壓區是抗壓強度較高且更加便宜的混凝土橋面板，鋼材與混凝土各盡其用，組合結構的性能發揮到了極致。但是在橋墩處的負彎矩區，截面受力確實本末倒置，不僅兩種材料的性能未能充分的發揮，而且橋面板的受力也處于最不利的位置。為了降低負彎矩區開裂問題，可以采用配置預應力鋼筋、調整支座高度、加載配重、部分組合梁等方法實現。

（1）配置預應力鋼筋。利用預應力鋼筋直接給橋面板施加預應力來抵抗截面因負彎矩而產生的壓應力。預應力可以在橋面板與鋼梁形成組合截面之前或之后施加。但是，在形成組合截面之后施加的預應力一部分將被鋼梁分擔，施加的壓力比較大。采用該方法的優點是減小鋼梁截面，有效的抵抗負彎矩；缺點是在現場施加預應力并不容易，施工周期也比較的長，日后對橋面板的翻新也會有一定的困難。

（2）調整支座高度。將中間的支座預先的抬升一個高度，然后澆筑混凝土橋面板，待其硬化后使鋼梁回到設計位置。抬升支座是鋼梁預先的產生正彎矩，間接的給橋面板施加預應力。這個方法的優點是在梁的全長均施加了預應力。通常情況下，在使用本方法時還要在承受負彎矩的混凝土處張拉預應力粗鋼筋來提升提抗負彎矩的效果。而且，移動端支點同樣可以達到中間支點抬升效果，如何選擇，要根據具體的施工情況。

（3）加載配重。將中間的支座預先的抬升一個高度，然后澆筑混凝土橋面板，待其硬化后使鋼梁回到設計位置。抬升支座是鋼梁預先的產生正彎矩，間接的給橋面板施加預應力。這個方法的優點是在梁的全長均施加了預應力。通常情況下，在使用本方法時還要在承受負彎矩的混凝土處張拉預應力粗鋼筋來提升提抗負彎矩的效果。而且，移動端支點同樣可以達到中間支點抬升的效果，如何選擇，要根據具體的施工情況。

（4）部分組合梁。連接件（柔性除外）延梁全長布置，混凝土橋面板在負彎矩區就會受到很大的拉應力。要減少這個拉應力除了以上的幾種方法之外，還可以將負彎矩區段設計稱為非結合或柔性結合結構，即在負彎矩區段布設連接件或者僅設置柔性連接件，這種方法稱為部分組合梁法。采用部分組合梁，在均布荷載的作用下，橋面板負彎矩區的拉應力能夠顯著的降低，但是在是否設置連接件的分界處會造成很大的應力集中，必須采取相應的構造措施加以避免，如使橋面板中的縱向鋼筋連續通過，并且適當的加強；后者在鋼梁上適當的焊接錨固鋼筋，起到彈性剪力連接件的作用，達到一個過渡的效果。

2.3 結構整體穩定與局部屈服

組合箱梁橋的鋼結構局部屈服是關鍵設計難題，在施工過程、正常使用及承載能力極限狀態都有發生的可能性，通常表現為腹板在彎剪作用下發生局部屈服或者受壓翼緣的豎向及扭轉屈服。組合結構的整體穩定則表現在與混凝土橋面板結合前的施工狀態，特別是對于大跨度連續組合箱梁橋，以及曲線梁橋結構型式，此外哈爾濱陽明灘引橋發生的橫向傾覆問題也使得學者對于鋼混組合箱梁橋在獨柱墩支撐體系下的橫向穩定備受關注。

對于組合箱梁橋的局部屈曲問題，一般可以通過限制板厚比的方式進行設計，并且配合采用縱橫向加勁肋有效防止。對于整體穩定問題，在施工階段需要在槽形鋼梁截面的開口上緣設置縱橫向斜撐加強穩定，并提高抗扭和抗彎剛度，在實際工程中為了滿足施工需要也可以采用閉口箱梁。對于運營過程的橫向穩定問題，應該盡量避免直線或者接近直線的曲線組合箱梁橋采用獨柱支撐結構體系。

早先的組合梁橋設計主要關注截面的抗彎特性，沒有考慮因為橋面板存在使得截面中性軸上移，腹板已經大部分處于受拉狀態，此時仍然設置較多的縱橫向加勁肋并沒有起到很好的新效果，因此需要采用更加科學和精細化的方法，計算結構受力特點，合理優化加勁肋的布置，可以減少次要構建的數量，降低養護成本，并減少加工制作費用。

3 結論

組合梁橋在我國近年來應用越來越多，隨著鋼價格的降低，結構性能要求的提高，組合結構型式的橋梁也會越來越受設計者的關注。鋼混組合箱梁橋延續了箱梁結構抗彎及抗扭性能好的優勢，被廣泛采用。需要注意的是，雖然組合箱梁橋具有諸多的技術優勢，無論是相對于鋼梁橋還是混凝土梁橋，其技術優勢很多都非常明顯，但尚應該注意到鋼混組合梁橋設計的關鍵難題，本文詳細剖析了鋼混及其連接構造、負彎矩區處理、結構整體穩定及局部屈服等設計難題，提出了相關解決方案，提高鋼混組合箱梁橋的技術與經濟競爭力。

[1]邵長宇.大跨度連續組合箱梁橋的發展與技術特點[A].第十七屆全國橋梁學術會議論文集 (上冊)[C].2006.

[2]孫濤.鋼混組合梁橋的設計要點和方法 [J].城市道橋與防洪,2017(4)：67-69.

[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)：6-8.

[4]范洪貴.大跨度連續組合箱梁橋連接件設計方法研究[J].交通世界,2017(12)：150-151.