鋼混組合梁橋的設計要點和方法

齊偉杰

（中交公路規劃設計院有限公司，貴州 貴陽 550004）

鋼混組合梁橋的設計要點和方法

齊偉杰

（中交公路規劃設計院有限公司，貴州 貴陽 550004）

總結了鋼混組合梁橋的結構特點和發展前景，并探討了該結構體系存在的設計難題和要點。從構造、截面和體系三個層次，歸納了鋼混組合梁橋的四個關鍵設計難題——鋼混連接構造、負彎矩區開裂、負彎矩區底板屈曲和整體橫向穩定，提出了設計對策和解決方法，推進鋼混組合梁橋在我國的應用實踐。

組合梁橋；設計難題；要點和方法；連接構造；負彎矩區；傾覆穩定

0 引言

近年來我國基礎設施大力建設，各種建筑材料得到了深入的挖掘以適應各種類型的基礎結構建設。混凝土一直是18世紀以來主要的建筑功能材料，而近年來伴隨著鋼材制造技術的進步，鋼材越來越多地應用到土木工程的建設中。在現代土木工程向可持續化和經濟化的方向發展的情形下，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[1-2]。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的結構性能，在橋梁工程領域的應用越來越得到重視。

鋼混組合結構是鋼材和混凝土兩種建筑材料在同一受力截面的組合設計。鋼混組合結構充分利用了混凝土抗壓性能好、鋼材抗拉能力足的優勢，而回避了混凝土抗裂性差、鋼材受壓易屈曲等問題，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、跨越能力大、多變、美觀且可施工性強[3]。論文通過探討鋼混組合梁橋的結構特點，明確其設計優勢和需要關注的問題；其后針對鋼混組合梁橋的若干關鍵問題，提出設計要點和所采用的方法，推進鋼混組合梁橋結構體系在我國的推廣應用。

1 鋼混組合梁橋結構特點與設計要素

1.1 結構優勢

梁橋結構主要以受彎為主，為了充分發揮鋼材和混凝土的性能，一般將鋼材布設在底緣作為主要承拉結構，將混凝土設置頂部作為主要承壓部分。這種設置方法一方面可以將鋼梁作為混凝土施工的模板，另一方面將混凝土設置在頂部可以更好地與橋梁鋪裝連接。根據這種設置方法，相比較于鋼梁橋和混凝土梁橋，鋼混組合梁橋具有如下結構特點：

（1）構型輕巧、強度高、施工簡便。鋼混組合梁橋其結構自重顯著小于混凝土梁橋，可以實現更大的跨越。作為支撐模板的鋼梁，可以通過先架設鋼梁，支撐混凝土橋面板的施工，以解決梁段起重架設過大的問題，可以將鋼梁分段制作和吊裝。

（2）易于實現工業化和產品化。通過將鋼梁和橋面板分別進行分段預制，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，而且施工不受季節限制。

（3）受力優越性。鋼混組合梁充分利用鋼材抗拉強度優勢規避混凝土容易開裂的問題。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。

1.2 結構難題與設計要素

鋼混組合梁橋除了具有上述設計優勢外，仍然存在一些問題，只有在解決這些設計難題的基礎上，才能完全發揮鋼混組合梁橋的結構優勢，實現工業化和產品化發展。

首先，構造層面。鋼與混凝土的完好連接是保證鋼混組合共同受力的關鍵，但由于鋼混連接的復雜性，較難掌握在復雜受力狀態下連接的可靠性，是否存在滑移，以及滑移是否影響結構受力安全等。

其次，截面層次。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，才能保證組合梁橋梁的使用性能[4]。此外，負彎矩區底部鋼板處于受壓狀態，這對于鋼梁的局部穩定影響很大，容易發生腹板和底板局部屈曲問題。

最后，結構整體層次。關系到組合梁橋的橫向穩定安全。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[5]。

2 鋼混組合梁橋關鍵難題的設計方法

鋼混組合梁橋除了上述結構優勢外，在設計中仍然有如下構造、截面和結構整體等層次的關鍵難題，需要在設計中考慮和解決。

2.1 構造層次的鋼混連接設計

鋼混組合梁橋涉及鋼材和混凝土的連接問題，這兩種材料的彈性模量、變形性能等都存在較大差異，為了使得兩種材料能夠協同變形和受力，需要采用良好的構造措施將鋼混連接形成整體。鋼混連接設計的目的是保證鋼材向混凝土材料剛度的平緩過渡；其次需要防止連接界面的相對滑移和掀開，使得連接緊密且變形協調。隨著組合梁橋的研究發展，目前已有型鋼連接、栓釘連接、組合連接件、嵌入連接等多種模式。

鋼混連接層次還需要考慮滑移所帶來的對鋼梁和混凝土橋面板的影響，這一般需要在承載能力極限狀態考慮。而滑移問題所帶來的是失效模式的確定，如果假定連接完好則可以采用彈性假定計算；如果存在滑移則需要考慮彈塑性計算，一般鋼混組合梁橋都需要采用彈塑性理論計算截面的極限承載能力。

2.2 截面層次的負彎矩區設計

鋼混組合梁橋負彎矩區底板鋼梁處于受壓狀態，很容易發生局部屈曲失穩。而這種局部屈曲一旦形成，就會向結構體系層次擴散，造成整個梁體的破壞。底板防屈曲可以設置多道加勁肋，由于負彎矩區底板和腹板應力水平高，很容易發生屈曲，加勁肋需要設置在腹板上，并適當增加板件厚度，使得構造和應力可控。此外還可以通過在支點負彎矩區域澆筑全截面混凝土，將負彎矩區鋼板包裹起來，則完全消除底板屈曲問題。

鋼混組合橋負彎矩區還有頂板混凝土開裂問題，特別是在活載作用下負彎矩較大導致頂板拉應力很大。解決負彎矩區開裂可以采用如下方式：

（1）橋面板滯后鋼梁結合。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。

（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，如圖1所示。

圖1 支座位移法解決負彎矩開裂問題

（3）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，一般用于大跨徑的組合梁橋。

2.3 體系層次的橫向穩定設計

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。組合梁橋的設計中，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，可以通過下述方法降低傾覆風險：

（1）應該妥善采用大曲率或者直線的獨柱墩型式梁橋，獨柱墩中間一般采用單點支撐或者距離很近的雙點支撐，因而其抗扭性能有限。

（2）改善獨柱墩的橫向支座間隔，增加抗扭性能。現如今很多匝道橋和立交橋采用獨柱墩，如果是雙支座型式，需要在設計條件下增加橫向支座間隔，如果是單點支撐型式，需要對支座進行必要的外側移動，或直接將橋墩和梁體進行固結處理。

（3）進行必要的橫向穩定構造處理。對于穩定力矩較小的梁橋結構，可以采用抗拉支座或者設置豎向抗拉鋼筋的方法，為梁橋的橫向穩定設置安全儲備。

（4）開發支座受力狀態監測系統。對于易受重載車輛作用而傾覆的彎橋，需要對敏感位置的支座設計必要的監測方法，以明確支座在使用中是否存在脫空問題，并根據運營狀態進行必要的加固或者改善。

3 結語

鋼混組合梁橋近年來開始廣泛應用于橋梁建設中，該結構型式充分發揮了鋼材和混凝土的優勢，降低施工建造成本。論文詳細總結了鋼混組合梁橋的結構特點和設計要素，對其優勢和前景進行了分析，并對鋼混組合梁橋的四個設計難題——鋼混連接構造、負彎矩區開裂、負彎矩區底板屈曲和整體橫向穩定，提出了具體的設計對策和解決方法。

[1]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.

[2]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.

[3]王猛.鋼-混凝土連續組合梁的設計分析[J].城市道橋與防洪, 2014（12）:53-55.

[4]彭棟木,聶建國,郭帥.曲線鋼-混凝土組合梁橋設計與施工[J].市政技術,2006,24（6）:367-371.

[5]王成林.對哈爾濱陽明灘大橋倒塌的思考[J].科技視界,2012（30）: 300.

U448.21+6

B

1009-7716（2017）09-0088-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.025

2017-04-17

齊偉杰（1986-），男，貴州黔西人，工程師，從事路橋設計工作。