新型大跨徑連續鋼桁組合梁橋設計關鍵技術

李 仙，張德利，徐婷婷

（1.天津濱海新區高速公路投資發展有限公司，天津市 300457；2.天津城建設計院有限公司，天津市 300122）

1 連續鋼桁組合橋

組合鋼桁橋充分利用了鋼和混凝土材料的特性，與純鋼桁梁橋相比具有以下優點：

（1）提高結構整體穩定性。頂部混凝土板同時發揮著橋面板、主桁平縱聯等多種作用，進一步加強了由上下弦以及腹桿組成的空間鋼桁架的整體穩定性。同時，有研究表明[1]，由于結構整體性提高，與純鋼桁橋相比，板件及其桿件的數量大幅減少，焊接總長度縮短，削減了構件加工費用，并減少了后期的維護費用。

（2）顯著提高結構剛度，優化結構動力性能。通過鋼桁架與混凝土橋面板的組合作用，橋梁橫橋向剛度顯著提高，動力性能更為優越[2]，有利于減少桁架高度，節省鋼材，改善路面行車條件和降低工程造價。

（3）具有良好的抗扭性能?；炷涟鍏⑴c結構整體抗扭，橋梁的抗扭剛度提高，進而提升橋梁的抗扭承載力，使組合橋梁更適合應用于較大跨徑的跨線橋梁和曲線橋梁[3]。

雖然鋼桁組合橋在實際工程上已被廣泛應用，但主要應用于簡支梁橋，在連續梁橋中，由于負彎矩區的不利作用，其應用也僅局限于較小跨徑的橋梁結構中，在大跨徑連續梁橋中應用的實際工程還較為少見。

2 大跨徑連續鋼桁組合梁橋設計

某依托工程為三跨變截面連續鋼- 混凝土組合桁架橋，跨徑布置為95 m+140 m+95 m=330 m，橋寬43 m，設計構造見圖1、圖2。橋面系的組成包括混凝土橋面板、鋼桁架梁以及桁架間橫向聯系。橋面板和鋼桁架之間通過剪力釘連接，并在負彎矩區的混凝土橋面板內布置了預應力鋼絞線。

圖1 主橋立面（單位：m）

圖2 主橋橫斷面（單位：mm）

在大跨連續鋼桁組合梁橋負彎矩區容易出現混凝土板開裂，為解決該問題，往往需要在負彎矩區的橋面板內布置大量的預應力束，對下弦桿內力突變（見圖3）和穩定問題，需要增加下弦桿鋼板厚度，這種設計施工工藝復雜、預應力效率低、增加用鋼量、對于負彎矩截面的剛度提高十分有限。

圖3 下弦桿內力突變現象

3 設計關鍵技術

3.1 減少橋面板混凝土拉應力的施工措施

鋼- 混凝土連續組合橋可以考慮采用以下幾種施工上的措施來減少混凝土拉應力[4]。

（1）先澆筑跨中位置橋面板混凝土，后澆筑中間支座位置的混凝土。如圖4 所示的傳統澆筑方法會導致混凝土硬化后，中間支座位置的混凝土產生較大的拉應力。而如圖5 所示的交替澆筑方法則可以有效地減小這種影響。

圖4 傳統的混凝土橋面板澆筑順序

圖5 通過交替澆筑降低混凝土的拉應力

（2）通過設置臨時支撐，使主梁產生與自重方向相反的向上撓度，此時主梁上緣受拉、下緣受壓；拆除臨時支撐后在自重作用下，主梁上緣的拉應力和下緣的壓應力均會減小，其原理見圖6，拉應力為正，壓應力為負。

圖6 不同安裝方法的截面應力分布對比

（3）在連接件上設置套管，在混凝土澆筑完成后再使其與連接件連接，延遲連接件發揮作用。這種做法可以控制混凝土橋面板只在成橋荷載影響下產生拉應力。

（4）在圖7 所示位置施加縱向預應力，用于抵消車輛荷載下產生的拉應力。

圖7 在混凝土橋面板內施加縱向預應力

3.2 雙重組合作用

針對負彎矩區組合桁架的受力特點，通過改變依托工程上部結構中鋼與混凝土的連接方式優化了負彎矩區的受力性能。方法如下：

（1）負彎矩區混凝土板和鋼桁架之間只設置稀疏的構造栓釘，使混凝土板和鋼梁能自由變形，從而有效釋放因收縮徐變、溫度效應以及汽車荷載作用在混凝土板中引起的拉應力，并增加混凝土板縱向預應力的導入效率，提高混凝土板的抗裂性能。

（2）在負彎矩區附近鋼桁架下弦桿內澆注混凝土，形成鋼管混凝土截面，充分地發揮混凝土的抗壓性能，抵抗下弦桿軸力突變現象，顯著改善下弦桿受壓穩定性。此時，在連續桁梁橋的中支座位置形成了一個與其他部位倒置的組合截面，這兩個互為倒置的組合截面構成了雙重組合作用[6]，見圖8。

圖8 雙重組合作用連續桁梁橋

雙重組合作用橋除了具有較高的承載能力和穩定性外，還能夠根據結構受力特點改變主梁縱向的強度和剛度特性，易于優化結構布置形式。雙重組合作用橋的施工與常規鋼桁組合梁橋相似，不需要特殊的設備及工藝。

4 依托工程的應用情況

綜合以上研究，確定了依托工程的合理施工工序，有效控制了橋面板開裂。橋梁施工工序見圖9：首先設置臨時支撐并架設鋼梁；其次澆注負彎矩區下弦桿混凝土和正彎矩區混凝土橋面板，通過栓釘連接，使混凝土和對應位置的鋼結構完全組合，分別形成正彎矩組合截面和負彎矩組合截面；然后拆除臨時支撐，在梁自重作用下跨中部位混凝土截面上緣產生壓應力，作為預存壓應力；澆注中支座位置混凝土板，混凝土板和鋼桁架之間不進行完全組合，因此收縮徐變、溫度作用等都不會導致混凝土板內產生拉應力；安裝橋面鋪裝并張拉負彎矩區混凝土橋面板預應力，其預存的壓應力僅用于抵抗活載引起的拉應力即可；最后完成預留槽混凝土澆筑和鋪裝層施工，成橋[7]。

圖9 雙重組合作用連續組合桁梁橋的施工工序

采用Midas Civil 2006（V7.4.1）軟件對主橋上部結構進行計算。應力計算結果如下：

作用短期效應組合下，主梁下緣不出現拉應力，上緣最大拉應力為1.2 MPa，滿足抗裂要求。標準組合下主梁上緣最大正應力為16.2 MPa，主梁下緣最大正應力為12.5 MPa，主梁正截面抗壓滿足要求。

5 結語

本文依托某實際工程，對大跨徑連續鋼桁組合梁橋應用了雙重組合技術，釋放負彎矩區鋼梁對混凝土的縱向約束，配合合理的施工工序完成橋梁不同階段的體系轉換，改善了負彎矩區混凝土橋面板的開裂問題，為負彎矩區下弦桿內力突增和穩定問題提供了經濟可行的措施，實現了大跨徑連續鋼桁組合梁橋負彎矩區受力性能的最佳優化效果，也為類似工程提供了經驗。