大跨徑連續鋼混組合梁的設計及關鍵技術研究

段銀龍，余海輝，徐東進

（1 廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507；2. 中交第二公路勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 510507）

0 引言

鋼混組合結構最早出現在上世紀三四十年代[1]，歐美等發達國家在深入研究的基礎上，建立了一些新的設計方法和施工方法，并在上世紀八十年代在西方國家得到了高度的發展。出于某種原因，在國內一直沒有得到大規模的應用。近幾年來，隨著國家政策導向，國內掀起一股推廣鋼結構橋梁的熱潮，多個省市都在大規模的開始使用鋼混組合梁橋。其中已建成的或在建的大跨徑鋼混組合梁有：上海長江大橋非主通航孔橋采用的是85 m+5×105 m+90 m 連續組鋼混合梁[2]、杭州九堡大橋主梁采用的是3×85 m 的連續鋼混組合梁[1]、港珠澳淺水區域采用6×85 m 的連續鋼混組合梁[3]、牛田洋快速通道工程水中引橋采用的為5×70m 連續鋼混組合梁等。相對于其它結構類型，鋼混組合梁橋具有：強度高、韌性好；結構輕、延性好、抗震性能好[4]；工廠化生產程度高，質量易控制；鋼結構工廠制作與現場施工可同步進行，工期短，效率高；可無支架施工，方便交通組織；可重復利用，實現可持續發展。雖具有較多優點，但其耐腐蝕性差，對養護要求高。

在建的國道G206 跨線橋位于汕頭市，是汕頭市牛田洋快速通道工程中的一個跨路橋梁，橋下為現狀道路，要求施工過程中保持橋下交通不中斷。項目位于海邊，具有海運條件，鋼結構部分施工可考慮通過水運至于附近碼頭，通過施工便道轉運至橋位處。

1 工程概況

國道G206 跨線橋橋寬32.3 m，上部結構采用分幅式設置，單幅寬度16.14 m，跨徑布置為45.5 m+75 m+45.5 m。主梁采用雙槽形斜腹板鋼梁斷面，中支點梁高3.5 m，邊支點及跨中梁高為2.5 m，梁高采用二次拋物線變化。單幅橋設2 道槽形梁，主梁間距為4.2 m。橋面板厚0.28 m，梗腋處加厚至0.38 m。該橋的標準橫斷面及總體布置分別見圖1、圖2。

圖1 標準橫斷面（單位：mm）

圖2 總體布置（單位：mm）

2 結構設計

2.1 設計標準

（1）荷載等級: 公路-Ⅰ級。

（2）設計車速: 100 km/h。

（3）地震動峰值加速度: 0.2g。

（4）設計基準期：100 a。

（5）橋梁設計安全等級為一級。

（6）耐久性設計環境類別：Ⅰ類。

2.2 結構構造設計

2.2.1 鋼梁的設計

槽形鋼主梁采用Q345qD 材質，梁高中支點處3.12 m，邊支點及跨中處為2.12 m。頂板寬度0.6～1.2 m，板厚24 mm、32 mm、48 mm。腹板厚度為16 mm、18 mm、24 mm，底板厚度為20 mm、32 mm、36 mm、48 mm。腹板與頂底板的夾角保持不變，腹板間距頂寬4.2 m，跨中及邊支點處底寬3.02 mm，中支點處底寬2.46 m。腹板及底板設縱向加勁肋，橫向設置橫肋和K 形隔板，邊中跨K 形隔板間距分別為5.55 m和6.25 m，每道隔板內設置兩道橫肋。箱間設置隔板，每隔一道箱內隔板設置一道箱間隔板，即邊中跨隔板間距分別為11.3 m 和12.5 m。邊支點處設置端橫梁，中支點處設置箱型暗蓋梁。

2.2.2 橋面板及剪力釘的設計

橋面板采用C50 混凝土，單幅寬度16.14 m，橫向支撐間距3×4.2 m，懸臂1.77 m。板厚0.28 m，梗腋處及中支點暗蓋梁范圍加厚至0.38 m 加厚至0.38 m，倒角為600 mm×100 mm。在梁端處，考慮伸縮縫的安裝，端部局部加厚至0.5m。橋面在中支點墩頂負彎矩范圍（中支點23.6 m），預留0.5 m×0.7 m剪力槽，采用集束式剪力釘設置，并設置齒塊用于頂板預應力錨固；在接近負彎矩范圍處設置1 m 的后澆帶，其余范圍內剪力釘均勻布置。橋面板構造見圖3。

圖3 橋面板構造圖（單位：mm）

橋面橫向主筋采用C20＠100 mm，縱橋向在正彎矩區域采用C16＠100 mm，墩頂負彎矩范圍采用C22。剪力釘采用?22×150 和?22×200 兩種型號，靠近外側設置較長剪力釘以提供抗拔。

2.3 有限元模型的建立

2.3.1 設計荷載取值

結構一期恒載鋼梁自重和混凝土面板由程序自行考慮，二期恒載：10 cm 鋪裝取38.74 kN/m，內側護欄取10 kN/m，外側護欄及花池取值20.6 kN/m；整體升溫按25℃，降溫按-25℃；梯度升溫按10 cm瀝青鋪裝考慮；不均勻沉降按2.5 cm 考慮，車道荷載按規范取值。

2.3.2 有限元模型的建立

利用Midas Civil 軟件建立梁格模型（見圖4），全橋共1 078 個節點，1 241 個單元。結構荷載按組合梁分階段受力模式考慮，即鋼梁承擔一期恒載，組合后承擔二期恒載與活載。鋼梁與混凝土板間用剛臂連接，張拉預應力時混凝土未與鋼結構共同受力。模型施工階段與實際施工步驟一一對應。

圖4 Mida s Civil 全橋有限元模型

3 結構計算結果

組合梁的計算主要包括鋼梁、剪力釘及橋面板三部分內容。下文將分別對其進行驗算。

3.1 鋼主梁的計算

3.1.1 結構強度計算

根據圖5～圖7，基本組合作用下，鋼梁上翼緣最大拉應力201.6 MPa，最大壓應力233.5 MPa；下翼緣最大拉應力226.6 MPa，最大壓應力208.0 MPa；腹板最大剪應力102.7 MPa。鋼主梁應力均滿足要求。

圖5 基本組合鋼梁上翼緣正應力圖（單位：MP a）

圖6 基本組合鋼梁下翼緣正應力圖（單位：MP a）

圖7 基本組合鋼梁剪應力圖（單位：MP a）

3.1.2 結構位移及預拱度

最大活載豎向撓度39.4 mm＜L/500=150 mm，剛度滿足要求。組合梁應設置預拱度，預拱度大小宜為結構自重標準值加1/2 車道荷載頻遇值產生的撓度值，經計算跨中處預拱度值為219 mm，由此來設置預拱度。

3.1.3 穩定驗算

穩定驗算主要包括整體穩定及局部加勁驗算。對于箱形截面，成橋后整體穩定不控制設計。底板加勁驗算按剛性加勁檢算，均滿足要求；腹板按規范兩道縱向加勁梁進行驗算，橫肋間距及橫肋慣性矩均滿足規范要求。支點加勁驗算，按局部承壓及加勁板角焊縫分別驗算均滿足要求。

3.1.4 疲勞強度

疲勞驗算采用疲勞荷載模型Ⅰ，考慮多車道的影響，并考慮折減。底板縱肋與底板采用自動雙面角焊縫，細節類別為110；箱梁腹板與頂底板采用手工焊，細節類別為100。對應力幅較大的截面進行驗算。選擇邊跨跨中、中支點和中跨跨中三個位置的截面進行疲勞驗算，三個截面均為拉- 壓循環截面，經驗算均滿足要求。

3.1.5 支反力及傾覆

標準組合作用下，邊支座最小反力為489 kN，最大為3 923 kN；中支座小反力為6 575 kN，最大為21 874 kN。在正常使用過程中，支座不脫空，經計算傾覆系數為28＞2.5 滿足要求。

3.2 剪力釘的計算

根據計算結果，剪力釘設計不控制設計，設計采用橫橋向每排4 個剪力釘的形式進行布置，縱向間距分別取100 mm、200 mm、300 mm 三個等級。

3.3 橋面板的計算

橋面板計算主要包括橫橋向面板計算及縱橋向計算。橫向計算取一個節段（5.55 m），采用Midas Civil 進行計算，模型見圖8。模型中橋面板及K 形撐為梁單元，鋼梁頂底板及腹板采用板單元模擬。根據計算內力進行配筋，橫向主筋采用C20＠100 mm 時，腹板根部及跨中部分裂縫寬度均小于0.12 mm。

圖8 橋面板橫向計算模型

負彎矩區混凝的橋面板內配置24 束?15.2-5的預應力鋼束，采用先張拉橋面板預應力后與鋼梁疊合的施工方法。負彎矩區鋼梁上翼緣布置群釘，澆筑混凝土時預留剪力釘槽口，張拉預應力后再澆筑剪力釘槽口，使混凝土板與鋼梁共同受力。因墩頂區域出現拉應力，應對混凝土截面進行抗裂驗算。經驗算，考慮鋼筋及預應力效應后，混凝土裂縫小于0.1 mm，抗裂驗算滿足要求。

4 關鍵技術的研究

大跨徑連續鋼混組合梁的設計關鍵在于施工方法、施工工序的選擇及墩頂負彎矩區的抗裂的控制措施。下文將對此關鍵技術進行探討研究。

4.1 施工方法及施工工序

鋼混組合梁施工方案的選擇，直接決定其受力，設計時應充分考慮。大跨徑的連續鋼混組合梁，一般受制于地面交通或者通航限制，通常選取先架設鋼梁，再施工面板的方案，面板也可采用預制或現澆。本橋的施工方案為：架設鋼梁（拆除支架）→正彎矩區混凝土澆筑→負彎矩區混凝土澆筑→負彎矩區預應力張拉（疊合前）→澆筑負彎矩剪力釘槽口→施工后澆帶→鋪裝與欄桿→成橋運營。

為研究施工工序、施工方法對成橋內力的影響，本文通過下列四個方案研究：（1）支架的拆除時機；（2）正彎矩區壓重；（3）預應力的張拉與否及張拉時機。其中方案一為實際工程設計，方案二調整支架在完成混凝土澆筑參與受力后拆除，方案三為正彎矩區域壓重（荷載按1 m 高水箱考慮），方案四為負彎矩區橋面板與鋼梁疊合后張拉預應力。方案五為橋面板不施加預應力。各方案的具體計算結果見表1。

表1 各方案鋼梁及橋面板的內力和應力結果

根據表2 計算結果：對比方案一和方案二可知，支架拆除時機對鋼梁內力影響非常大，對鋼梁下緣應力影響8%～15%，后拆除支架對鋼梁內力改善較多，但對施工支架及面板較為不利，設計時應著重考慮支架拆除時機；對比方案一和方案三可知，正彎矩區域壓重是在正彎矩區疊合后，對正彎矩區域頂板應力基本無影響，對正彎矩底板及負彎矩區域頂底板應力較大，本方案可用犧牲鋼梁受力來改善混凝土的受力，以達到調整鋼梁與混凝土面板的內力分配比例；對比方案一和方案時四可知，疊合后張拉預應力，鋼梁要參與受力，預應力部分效應轉移到鋼梁上，會改善鋼梁的受力，但對面板受力較為不利，對比方案一和方案時五可知，先張拉橋面板預應力后與鋼梁疊合的施工方法，預應力的張拉對鋼梁幾乎無影響，全部效應由混凝土承擔，受力較好。

4.2 墩頂負彎矩區抗裂控制措施

大跨連續鋼混組合梁墩頂負彎矩區域橋面板易出現裂縫，負彎矩區抗裂問題是設計必須要考慮的。針對此問題的常用方法有：（1）施加預應力荷載[5]；（2）支點強迫位移[6]；（3）負彎矩區橋面板采用超高性能材料[7]；（4）壓重法；（5）調整施工工序法；（6）柔性連接件組合法[8]。

對于墩頂負彎矩區橋面板抗裂的處理，受不同設計理念的影響，各設計單位采取的方法不盡相同。通常上述方法（1）、（2）、（3）、（6）可選取一種，結合（4）和（5）來改善橋面板受力，但同時應考慮鋼梁的受力。本橋設計采用調整施工工序的方法和先張拉橋面板預應力后與鋼梁疊合的施工方法。

根據表1 可知：張拉預應力可以改善墩頂橋面板受力，但對鋼梁內力有影響，先張拉預應力后疊合的方案效果更好。拆除支架時機及壓重法對橋面受力均有改善，但會使鋼梁受力變的不利，設計可結合具體情況選用。

另外各方法選擇時還應注意：支點強迫位移法包括支點落梁法和頂落梁法，它們更適用于兩跨或三跨橋梁。以抗拔不抗剪剪力釘為代表的柔性連接件組合法，在北京、深圳的中小跨徑組合梁中有較多應用，但調研到的運用于實際項目的跨徑都在60 m以下。瑞士的Jean-Paul Lebet 和Manfred A.Hirt 認為強迫位移法適更用于中小跨徑橋梁，大跨徑橋梁應優先考慮預應力方案[6]。對于預應力及強迫位移法，隨著時間的推移，歐洲的部分學者認為預應力效應會逐漸消失，設計理念允許采用橋面板開裂的設計理念[9-10]，這也與邵長宇大師的思路不謀而合。

綜上，對于大跨連續鋼混組合梁，先張拉橋面板預應力后與鋼梁疊合是一種較為合理的施工方法，并且對鋼梁應力基本無影響，預應力效應又能較大發揮出來，較好的控制墩頂面板的應力和裂縫水平。

5 結語

該文通過對國道G206 45.5 m+75 m+45.5 m 大跨度鋼混組合梁的設計構造、計算內容及設計關鍵技術的探討研究，得出以下結論：

（1）國道G206 大跨度鋼混組合梁鋼梁的強度、剛度、穩定及疲勞均滿足規范要求；

（2）橋面板橫向及縱向計算裂縫均滿足規范要求；

（3）施工工序和施工方法對鋼梁及墩頂負彎矩區橋面受力均有較大影響，兩者之間處于此消彼長的關系，設計時應著重考慮，選擇合理的方法使得鋼梁與混凝土面板處于合理的內力分配比例；

（4）墩頂負彎矩區橋梁面板的控制措施是設計難點與痛點，綜合考慮鋼梁及面板受力，認為先張拉橋面板預應力后與鋼梁疊合的方法是一種可用于大跨連續鋼混組合梁較為合理的施工方法，可有效的控制墩頂負彎矩區橋面板的應力和裂縫水平。