鋼板組合梁橋國內外設計探討

張 超，段亞軍，胡祥森

（1.湖州城建投資集團有限公司，浙江 湖州 313000；2.浙江省交通規劃設計研究院有限公司，浙江 杭州310031）

0 引言

鋼材和混凝土是橋梁建造常用的2 種建筑材料，二者在力學性能及物理性能上各有優劣，采用單一的材料進行建造往往受到材料本身制約。

混凝土構件的優點為：整體性好、延性好、耐久性和耐火性較好、可模性好、強度較高、易于就地取材。缺點為：自重大、抗裂性較差、施工復雜、工期較長。

鋼材優點為：質輕、塑性和韌性好、材質接近于勻質和各向同性體、制造簡便、密封性好、耐熱性好。缺點為：防火性能差、鋼材易銹蝕，應采取防護措施。鋼材耐熱但不耐高溫，其強度隨著溫度升高而降低。鋼材在潮濕環境中，特別是處于有腐蝕介質的環境中易銹蝕，必須刷涂料或鍍鋅，并且在使用期間應定期維護。

鋼板組合梁橋在受拉區配置鋼主梁，在受壓區配置混凝土橋面板，二者之間通過抗剪構件連接，如圖1 所示。

鋼板組合梁橋的構造既避免了混凝土在受拉區域開裂，也防止了鋼梁受壓側向失穩問題。與混凝土梁比較，鋼板組合梁有自重輕的優勢；與鋼梁比較，鋼板組合梁有頂板剛度大的優勢。鋼板組合梁橋構造示意圖見圖2。

圖1 鋼板組合梁橋

圖2 鋼板組合梁橋構造示意圖

1 鋼板組合梁橋國外的發展趨勢和特點

1.1 鋼板組合梁橋在國外的發展

鋼板組合橋梁最早從歐洲發展起來，德國在1937 年進行了鋼板組合梁的加載試驗，并于1950年前后召開了幾次關于鋼板組合梁結構的學術會議，其中許多鋼板組合梁的計算理論及實際工程應用被相繼介紹，并且制定了關于道路橋的鋼板組合梁設計指南。美國于1954 年開始進行鋼板組合梁焊釘連接件的承載能力和疲勞性能試驗研究，試驗研究前后開展將近20 a，相關的研究成果應用到了美國高速公路橋的設計規范中。日本于1950 年開始嘗試建造鋼板組合梁橋，并于1959 年制定了關于公路橋的鋼板組合梁橋設計施工規范[1]。

這些早期發展起來的鋼板組合梁橋具有的共同特點是：雖然設計計算中考慮與橋面板的組合作用，但是構造設計與非組合梁橋相似，同樣采用多主梁，各主梁之間設置許多橫梁、水平及豎向橫撐，在腹板上焊接大量縱橫向加勁肋，以保證各個桿件之間的整體性。典型的鋼板組合梁橋構造見圖3。

圖3 早期鋼板梁橋的典型設計圖

這種結構體系的鋼板組合梁橋，構件數量多且復雜、焊縫數量大、構件的加工成本高、維護困難、施工復雜；并且構件的受力及傳力不夠明確，不能充分利用各個桿件的性能，此外，局部構造的疲勞破壞也是突出問題。這些都限制著鋼板組合梁橋的廣泛應用[1]。

1.2 鋼板組合梁橋在國外的實例應用

美國新紐約大橋（見圖4），其單幅寬度約25 m，橫橋向采用5 片主梁，主梁中間設置4 道小縱梁。主梁間距約5.5 m 左右，間距較大，但其橫梁及小縱梁的設置方式仍屬于多主梁體系。

圖4 美國新紐約大橋

法國從20 世紀80 年代后期開始集中進行鋼板組合梁橋的研究與設計，對傳統的鋼板梁橋進行了最大程度的簡化，采用2 根鋼主梁形式的鋼板梁橋成為中小跨徑橋梁應用的主流方案。

法國于1990 年建成的Hopital 橋如圖5 所示，它采用非支撐橫梁設置的鋼板組合梁橋結構體系，跨度為59.0 m+2×64.0 m +33.0 m，主梁間距12.6 m，梁高3.2 m，高跨比達到1/20，橋面板設置橫向預應力[1]。

圖5 法國Hopital 橋（單位：mm）

瑞士近年來也逐漸將雙主梁鋼板組合梁橋加以簡化，嘗試只有2 根主梁形式的鋼板梁橋，并在此基礎上進行簡化，優化了橫梁的數量和高度、加勁肋的數量和位置，取消了橫撐；同時通過設計焊釘群的方法，解決了在給混凝土橋面板施加預應力時預應力轉移到鋼梁中的問題，作為標準橋型之一在瑞士國內得到了大范圍采用。

圖6 顯示了鋼板組合梁橋橫截面布置形式在不同年代的變遷過程，可以看出從20 世紀80 年代開始已經基本上不設置橫撐及腹板縱向加勁肋了。

2 鋼板組合梁橋在國內的使用現狀

鋼板組合梁橋在我國的應用實踐尚處于起步階段，主要的發展是在鐵路橋領域，結構形式類似于早期的多主梁形式的鋼板梁橋，設置復雜的橫梁、橫撐及加勁裝置。鋼板組合梁橋在我國公路橋的應用不多，在跨線橋、引橋及匝道橋等中小跨度橋梁中有少量應用，因此我國建造鋼板組合梁橋缺乏相關的設計和建造經驗。并且對鋼板組合梁設計指導體系、設計參數、設計理論及方法等均掌握欠缺，這些不利因素導致鋼板組合梁橋在我國推廣及應用緩慢。

圖6 鋼板組合梁橋橫截面形式的變遷

2.1 應用背景

隨著鋼鐵產能的提高和鋼結構橋梁建設技術的進步，我國已經具備推廣鋼結構橋梁的物質基礎和技術條件。當前，鋼鐵產能過剩是推進鋼結構橋梁建設、提升公路橋梁建設品質的良好契機，同時也是落實《國務院關于鋼鐵行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》（國發〔2016〕6 號）要求，促進鋼鐵行業轉型升級的重要舉措。為推進鋼結構橋梁建設，交通運輸部發布了《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》（交公路發〔2016〕115 號）[2]，決定推進鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁等公路鋼結構橋梁建設，提升公路橋梁品質，發揮鋼結構橋梁性能優勢，助推公路建設轉型升級。該指導意見中明確在新建大跨、特大跨徑橋梁中將以鋼結構為主，新改建其他橋梁時鋼結構比例將明顯提高。

2.2 應用條件

結構方面：混凝土結構較鋼結構自重大，抗裂性能差，結構效率低，當跨度增加時，抵抗自重所需材料成倍增長，導致上下部結構工程量增加[3]。而鋼結構自重小，材料效率高，可憑借較小的自重抵抗較大的外部荷載。

成本方面：混凝土橋梁的建設成本較鋼結構橋梁低。測算表明，中小跨徑混凝土橋梁造價較鋼結構橋梁低450 元/m2至650 元/ m2左右，但該價差隨跨徑增大而逐步縮小。從養護成本看，鋼橋比混凝土橋梁全壽命養護費用低200 元/ m2左右。故從全壽命周期來測算，鋼橋與混凝土橋梁成本相差無幾[3]。

環保方面：混凝土結構拆除形成的建筑垃圾會對環境帶來較大影響，而鋼材無限循環利用的優勢是混凝土結構無法相比的。

材料方面：公路鋼橋以Q355D、Q390D、Q420D等常規鋼材為主。中國鋼鐵工業協會數據披露，公路橋梁各類鋼材和線材產能充足。

設計方面：最新修訂的《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）、《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTG/T D64-01—2015）、《橋梁用結構鋼》（GB/T 714—2015）、《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2018）等已經頒布實施。

加工方面：目前橋梁鋼結構加工企業產能充足，如杭蕭鋼構、東南網架等。

施工方面：目前行業內橋梁施工企業總體過剩，但除中鐵、中建、中交等大型施工央企外，其他小型施工單位一般都不具備鋼結構的施工資質。

綜上所述，鋼板組合梁橋結構性能優異，能夠充分發揮鋼材與混凝土2 種材料的優點，具有顯著的環保優勢。雖然建設初期成本比混凝土橋梁略高一些，但全壽命周期成本與混凝土橋梁相差不大，從材料、設計、加工和施工方面來看，鋼板組合梁橋的應用條件也已非常成熟。

2.3 應用案例分析

鋼板組合梁橋在浙江、陜西、安徽、湖南等地都已有應用。本文收集了部分省份的鋼板組合梁橋公路應用方案,并對這些方案的應用特點、鋼板梁尺寸構造及用鋼量指標等進行比較，見表1～表3。

表135 m 中小跨徑鋼板組合梁橋方案特點比較

表中4 個方案均為雙主梁鋼板組合梁橋，其中安徽省某1 號高速為支撐式橫梁，其余3 個方案均為非支撐式橫梁。支承橫梁體系的橋面板受力主方向在縱橋向，鋼材用量較大，橋面板板厚較小，但接縫多；非支撐橫梁體系的橋面板主受力方向在橫橋向，需要較厚的橋面板，有連接簡單的優勢。

表235 m 中小跨徑鋼板組合梁橋尺寸構造比較 mm

表335 m 中小跨徑鋼板組合梁橋用鋼量比較（中跨半幅）

安徽省某2 號高速為6 車道，浙江省某高速為4 車道設計方案。相比兩者的用鋼量，對于雙工字鋼板組合梁來說，6 車道比4 車道單位面積的經濟指標更好。而雙工字鋼板組合梁的經濟性要優于多工字鋼板組合梁，多工字鋼板組合梁單位面積用鋼量一般達到200 kg/m2左右，但雙工字鋼板組合梁結構強健性略差一些。

陜西省由于地處北方，氣候干燥，為了提高鋼板梁橋的耐久性，陜西省某高速公路方案選擇了耐候鋼材料，而非普通低碳合金鋼。在環境較為惡劣的地區，使用耐候鋼能夠節省初期的涂裝費用，并且在全壽命周期內經濟性更高。

3 鋼板組合梁橋的經濟跨徑

隨著施工技術的普及，鋼板組合梁橋的應用范圍越來越寬。工字組合梁橋的經濟跨徑為35～90 m，箱形組合梁橋的經濟跨徑則為70～120 m。

對于35～100 m 的中小跨徑公路橋梁，鋼板組合梁橋具有結構輕、架設快、現場施工環境簡單、對周圍環境影響小等優點，是橋梁工業化發展的主要方向。

4 結 語

本文對鋼板組合梁橋國內外的設計情況及發展趨勢進行了分析，對國內4 條高速上所設計的鋼板組合梁橋的設計特點、尺寸構造及用鋼量進行了系統對比，對鋼板組合梁橋的經濟跨徑進行了總結。鋼板組合梁橋在35～100 m 跨徑中應用廣泛，其經濟性較高；中小跨徑鋼板組合梁橋正逐步從多主梁向少主梁到雙主梁的趨勢過渡，該種橋型結構形式會越來越簡潔，基本上不設置橫撐和腹板縱向加勁肋，被認為是一種極具經濟性的橋梁形式。