中小跨徑窄幅鋼箱組合梁橋的設計要點分析

謝小華

（中鐵長江交通設計集團有限公司，重慶401121）

0 引言

目前，我國中小跨徑鋼—混組合梁常用的結構形式主要有三類：工字形鋼板組合梁、窄幅鋼箱組合梁及槽型鋼箱組合梁。而山區橋梁小半徑曲線橋梁較多，且鋼梁運輸條件差。因此，抗扭性能差的工字形鋼板組合梁及大斷面的槽型鋼箱組合梁不再適用，小斷面的窄幅鋼箱組合梁成為山區橋梁的首選結構。鋼—混組合梁通過剪力連接件的連接，讓混凝土和鋼材兩種材料共同參與截面受力，最大的優勢是形成組合截面后的力學性能大大超過了各自單一截面的力學性能。鋼—混組合結構的設計原則：在主梁的受壓區和受拉區，合理地設計混凝土橋面板及鋼箱主梁，確保混凝土橋面板的開裂值和鋼主梁的強度、穩定、疲勞在規范允許范圍內。對窄幅鋼箱組合梁的設計要點進行剖析，可以使山區中小跨徑窄幅鋼箱組合梁橋的設計更加合理，進一步提高設計和施工的效率，避免因設計失誤造成工程損失。

1 窄幅鋼箱組合梁橋的基本概念

1.1 含義

鋼—混組合梁橋是指采用剪力釘、開孔鋼板、型鋼等剪力連接件，將鋼梁和混凝土橋面板連接在一起，讓兩種結構共同參與受力的一種組合結構。鋼—混組合梁與正交異性鋼橋面鋼橋對比，具有用鋼量指標低、主梁梁高低、無鋼橋面板疲勞開裂問題，橋面鋪裝造價低且耐久性好、橋面剛度大且抗振動效果好、管養工作量較小等優點。與傳統現澆混凝土橋對比，具有降低結構自重、鋼梁加工及安裝簡便、避免了現場大量的人工支架和機具，工期大幅度縮短等優點。橋梁采用組合結構形式由來已久，發展也是形式多樣，由于上緣受壓、下緣受拉的簡支梁性能更符合鋼—混組合結構的受力特點，所以早期的組合梁多為簡支梁橋。隨著國內組合梁技術的不斷發展，不再限于簡支梁，大量的應用連續梁，如斜拉橋、拱橋等特殊體系橋梁的主梁體系，解決傳統正交異性鋼橋面板疲勞開裂及鋪裝耐久性問題。主梁截面由單一的鋼板梁發展為鋼箱梁、槽形鋼箱梁和鋼桁梁，截面形式也由工字形擴展到箱形、倒梯形及三角形。近年來，大斷面鋼箱組合梁橋因其超強的跨越能力、整體的美觀性佳以及經濟性好等優點而被廣泛采用。目前國內的中小跨徑鋼箱組合梁橋多為鋼槽型梁，與之相比，窄幅鋼箱組合的梁橋數量較少，仍在推廣應用階段。

窄幅鋼箱組合梁橋由矩形鋼箱主梁、橫向連接系、剪力連接件和混凝土橋面板組成（見圖1）。鋼箱采用直腹板形式，單箱截面主要由頂板、腹板、底板及縱橫向加勁肋組成，主梁多為少主梁體系，橋面板一般采用跨越能力強的預應力混凝土橋面板或組合橋面板，提高耐久性。

圖1 窄幅鋼箱組合梁橋

窄幅鋼箱組合梁的鋼主梁結構在傳統閉口鋼箱梁的應用經驗基礎上，進行合理化改造，減少了縱向加勁肋，取消了橫向加勁肋，省略了小縱梁及縱向聯結系。橋面板一般采用跨越能力更大的組合橋面板或預應力混凝土橋面板，提高了橋面板的跨度，優化了橋梁斷面的整體布置。在日本的鋼橋建設中，窄幅鋼箱組合梁占了相當大的比重。窄幅鋼箱組合梁構件實現了小型化、裝配化，對小半徑曲線橋梁和較大跨度橋梁適應性較好，適合山區建設條件的運輸和架設[1]。

1.2 主要特點

與其他鋼箱組合梁橋梁相比，窄幅鋼箱組合梁橋具有以下特點。第一，鋼結構截面尺寸優化，構件小型化，自身的重量輕，易于加工、運輸及安裝。第二，橋面板構件采用預制裝配式，大大提高了工程質量，達到了快速化施工。第三，鋼梁均在工廠內加工完成，現場基本無焊接，實現了建造工業化，質量控制有保障。第四，從施工工藝上來說，工序十分靈活，一般先將鋼梁通過吊裝或者頂推安裝到設計位置，然后吊裝橋面板，對橋下交通影響小，可實現無支架、無模板施工。第五，從成本上來說，鋼梁的制造工藝比較復雜，技術含量也比較高，所以需要在專業的鋼橋制造廠進行加工。

2 鋼—混組合梁橋的計算

鋼—混組合梁一般按彈性方法進行計算，必要時應考慮結構的二階效應。采用有限元程序建立空間桿系模型，同時考慮施工方法及工序、混凝土開裂、混凝土收縮徐變、截面的有效寬度等影響。主要結合規范對組合梁的抗彎、抗剪及剪力連接件的抗剪進行強度計算，對主梁的整體穩定、局部穩定、負彎矩區側扭穩定進行穩定計算，對鋼梁及剪力連接件進行疲勞計算，對負彎矩區混凝土橋面板進行縱向抗裂計算、對主梁的撓度進行剛度和預拱度計算，對鋼梁的具體構件進行構造計算，對橋面板進行橫向承載力、裂縫寬度等計算。

3 結構體系與構造

窄幅鋼箱組合梁橋一般為少主梁體系，多為雙主梁。其傳力體系為車輛荷載通過剛度大的橋面板來分配，傳遞給鋼主箱。在橋墩位置鋼主箱的正下方設置一個支座，橋面板傳遞過來的荷載通過鋼主梁傳遞給支座，最終傳遞給下部基礎。跨間橫梁高度較矮，一般采用型鋼，間距根據平面線形情況為5～10m，平曲線半徑越小跨間橫梁越密，跨間橫梁不與橋面板連接。因為采用窄幅鋼箱，箱寬一般為1.2～2.0m，故頂底板的剛度較大，受壓穩定問題沒那么突出，減少了縱向加勁肋的數量，一般僅設置1～2 道即可。同時縱向加勁肋的支撐間距也加大，相鄰兩隔板之間不再設置橫向加勁肋，隔板間距一般為5m 左右。隔板位置一般與跨間橫梁對應，跨間橫梁間距較大時，再在中間插入一道隔板。中支點橫梁高度一般為鋼主梁高度的0.6～0.7 倍，不與橋面板連接，采用居中布置。受伸縮縫的沖擊作用影響，端支點橫梁頂面一般與橋面板連接，底面距離鋼主梁梁底預留500mm 左右的空擋，方便運營期間的檢修工作。同時在外側設置挑梁與橋面板進行連接，為了提高伸縮縫處的行車舒適性，端支點橫梁可采用混凝土外包，增加橋梁的剛度及杜絕梁端的水汽作用。

鋼主梁梁高取值同純鋼箱梁結構，一般可取跨度的1/30～1/20，大跨度極端情況下可以取到1/40。受山區高速公路運輸條件限制，鋼主梁梁高上限一般為3.1m，節段劃分長度控制在15m 左右，受收費站限寬限制，鋼主箱外加橫梁牛腿的總寬度不應超過3.5m。為了便于橋面板安裝及臨時支架搭設，鋼箱頂底板伸出腹板長度一般在125～160mm。橋面板采用耐久性良好的合成橋面板或PC 橋面板，主梁凈間距最大為6m。腹板水平加勁肋一般根據腹板的高厚比確定道數，水平肋設置在腹板受壓側，連續梁的恒載彎矩零點附近，至少3～4 個區格范圍內或一個橫向聯接系間距范圍內，腹板上、下均應設置水平加勁肋。腹板豎向加勁肋間距一般為橫梁間距的1/3，從受拉翼緣的疲勞角度考慮，腹板豎肋與受拉翼緣不焊接，與受拉翼緣的間隙從穩定的角度來說取小值，從疲勞角度來說宜取大值，一般取4～6 倍腹板厚度。

4 橫向聯結系

鋼—混組合梁橋的橫向聯結系根據功能不同，可分為跨間和支點兩類；根據構造形式不同可以分為實腹式、桁架式等。支點橫梁一般為主梁體系受力，故橫向聯結系主要為跨間橫梁。分析以往的研究成果及工程實例，從成橋后整體截面的抗扭性能考慮，跨間橫梁一般布置在橫斷面的下部比較妥當，橋面板與跨間橫梁的間距越大，力臂就越大，抗扭能力就越大；從鋼梁施工期間的穩定性考慮，由于橋面板未安裝，整體截面還是開口截面，如果橫向聯結系設置在主梁下緣，那么單根主梁的穩定性就比較差。故綜合考慮，跨間橫梁設置在主梁的中部偏下位置最佳。由于其主要作用是維持施工過程中主梁的穩定性，成橋后受力較小，故梁高取主梁高度的1/3 左右，為了減小工廠加工的焊接工作量，一般采用熱軋H 型鋼[3]。

5 剪力連接件

為防止鋼梁和混凝土橋面板之間剝離，需在鋼梁與混凝土橋面板接觸面設置抗剪件。抗剪連接件主要有剪力釘、開孔板連接件、型鋼連接件三種類型，具體應根據實際需要選用。窄幅鋼箱組合梁的連接件采用的是剪力釘方案，剪力釘也是目前組合梁連接件中應用最普遍的，具有各向同性、抗剪能力高、抗掀起能力好及焊接方便等特點。

剪力釘的具體構造要求設置一般嚴格按規范執行，布置形式主要有兩大類：均勻布置和釘群布置。均勻布置方案的剪力釘是沿橋長方向等間距布置，根據具體部位的受力，剪力釘的間距采用200～500mm。均勻布置方案的優點是剪力傳遞均勻、連續，更符合組合梁縱向水平剪力的理論分布，缺點是對施工精度要求較高。釘群布置方案的剪力釘是沿橋長方向不連續布置，每個剪力釘群的邊長一般在500～800mm，相鄰釘群的間距為1.2～1.5m，單個剪力釘的間距一般為100mm。釘群布置方案的優點是施工方便，可實現橋面板縱向預應力的先張拉后錨固法，缺點是剪力傳遞不均勻。

6 抗裂理念與措施

早期，負彎矩區混凝土不允許出現拉應力或者裂縫，故配置了較多的預應力，結果并不理想，甚至出現了更多其他的問題。后期，發展完善了允許開裂及限制裂縫寬度的設計方法。常用的裂縫控制措施主要有設置縱向預應力鋼束法、中間支點頂升法、橋面板安裝順序及配重法，給組合梁施加預應力，并結合加強配筋方式控制裂縫的寬度。

6.1 設置縱向預應力鋼束法

給負彎矩區橋面板施加預應力最直接的方法就是配置預應力鋼束，優點是橋面板預壓力效果明顯，缺點是施工不便，后期橋面板修復困難。對于大跨度組合梁，由于鋼梁的剛度較大，如橋面板與鋼梁結合后再張拉預應力，有相當一部分預應力被鋼梁分擔，達不到預期效果。故一般可采用滯后結合的方式，即通過在釘群設置預留槽，先張拉預應力，再澆筑釘群孔槽內的混凝土，實現后結合，使施加的預應力全部被橋面板承擔。

6.2 中間支點頂升法

中間支點頂升法是指通過頂升中間支點鋼梁，待橋面板混凝土結合后，再將鋼梁回落至設計標高，從而給梁全長施加了預應力。此法構造簡單，施工簡便，是窄幅鋼箱組合梁的首選措施。

6.3 橋面板安裝順序及配重法

通過先安裝正彎矩區橋面板，并根據情況進行配重，然后安裝負彎矩區橋面板，最后撤去配重。此法利用了鋼梁彎曲變形的性能，使負彎矩區橋面板不因正彎矩區主梁的變形而產生拉應力。

6.4 加強配筋控制裂縫寬度法

以上幾種方式能較好地將負彎矩區橋面板的拉應力控制在允許的范圍內，同時通過加強負彎矩區橋面板的配筋，將裂縫寬度控制在0.2mm 以內。

實際工程往往要結合多種措施，才能把負彎矩區開裂問題控制好。對于中小跨徑窄幅鋼箱組合梁，一般采用中間支點頂升法、橋面板安裝順序及配重法及加強配筋控制裂縫寬度法。

7 結語

總之，隨著公路建設轉型升級、提質增效，鋼結構橋梁已逐漸成為橋梁建設的主流發展方向。窄幅鋼箱組合梁適用于山區建設條件，具有用鋼量指標低、經濟性好，運輸、安裝方便，工序簡單、加快了施工進度，可實現無支架、無模板施工，對既有交通干擾小、社會效益顯著等特點,已逐漸成為山區橋梁建設中廣泛應用的一種新型橋梁結構形式。鑒于我國現有中小跨徑窄幅鋼箱組合梁橋的基本理論與施工技術研究甚少，結合國內外相關研究成果，對中小跨徑窄幅鋼箱組合梁橋計算要點、結構體系與構造、橫向聯結系、抗裂理念與措施等問題進行了詳細的闡述，可為以后的中小跨徑窄幅鋼箱組合梁橋的設計提供參考。