鋼-混組合梁在工程中的應用研究

鄭大偉， 劉 宇

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

鋼材和混凝土是當前建造橋梁的兩種最基本的建筑材料。混凝土結構的優點是造價低、高強耐久、可塑性強、適應性強，缺點是自重大、易開裂、受拉性能差，施工受天氣和季節約束。鋼材優點則是強度高、韌性好、自重輕、材質均勻、制作簡單，缺點是耐腐蝕性差、耐熱不耐火、造價高。

1 背景分析

傳統混凝土施工屬于手工粗放型作業，效率低、質量差、受周邊環境影響大。由于混凝土結構的諸多缺點及材料局限性，鋼結構橋梁的發展成為必然的趨勢。然而由于鋼結構橋梁造價較高，養護維修費用大，我國鋼結構多用于大橋及特大橋，例如上海楊浦大橋、江陰長江大橋等大型橋梁，而中小跨徑橋梁仍采用混凝土結構。

綜合考慮混凝土材料和鋼材的優缺點，一種新的結構形式得到廣泛的推廣，即鋼筋-混凝土組合梁(簡稱鋼-混組合梁)。鋼-混組合梁通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設置剪力連接件(栓釘、槽鋼、彎筋等)，使之成為一個整體而共同工作。該梁型同鋼筋混凝土梁相比，可以減輕結構自重，減小地震作用，減小截面尺寸，增加有效使用空間，節省支模工序和模板，縮短施工周期，增加梁的延性等。同鋼梁相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩定性和整體性，增強結構抗火性和耐久性等。

鋼-混組合結構橋梁出現于20世紀20年代，發展于20世紀40～50年代；20世紀60～70年代，鋼-混組合結構處于全面研究以及應用階段；20世紀80年代至今，隨著研究逐漸深入，規范的完善以及技術成熟，該結構得到了廣泛應用。尤其在日本，各式各樣鋼-混組合結構出現在工程建設中。

2 經濟性比較

中小跨徑橋梁結構中，鋼-混組合梁每平方米造價是組合箱梁和預制T形梁每方平米造價的1.6～1.7倍，是預制大箱梁和現澆箱梁每平方米造價的1.3～1.4倍，是大鋼混疊合梁和小鋼混疊合梁每平方米造價的0.9倍左右。由于鋼材有回收利用價值，從工程全壽命周期成本考慮，鋼-混組合梁與現澆箱梁相差不大，甚至更為便宜。鋼-混組合梁跨徑-造價圖如圖1所示。

圖1 鋼-混組合梁跨徑-造價圖

3 設計要點

鋼-混組合梁結構主要由3部分組成：鋼主梁、橋面板和剪力傳遞器。鋼-混組合梁示意圖如圖2所示。

圖2 鋼-混組合梁示意圖

3.1 鋼主梁

鋼主梁采用“工”字形截面，腹板可設置縱向以及豎向加勁肋，增強腹板局部穩定。主梁之間采用橫梁連接，以保證主梁的整體穩定。多主梁斷面的情況下，一般采用2片主梁組成1榀，進行吊裝施工，結構穩定，無須增加臨時構件。鋼主梁尺寸受斷面主梁片數以及跨徑控制。鋼主梁梁高一般為跨徑的1/22～1/18。采用少主梁斷面時，梁高根據計算進行增大。鋼主梁示意圖如圖3所示。

圖3 鋼主梁示意圖

3.2 橋面板

主梁間距是橋面板設計的控制性因素。間距2.5～4.5 m時，采用混凝土橋面板；間距大于6 m時，采用預應力橋面板。橋面板板厚一般在200～350 mm取值。可根據設計需要，在支點處設置承托。橋面板可根據施工工期要求，采用預制或者現澆形式。橋面板斷面示意圖如圖4所示。

圖4 橋面板斷面示意圖

3.3 剪力傳遞器

為了保證鋼梁與橋面板共同受力，需設置可靠的剪力傳遞器傳遞梁在彎曲變形中的錯動剪力。工程中一般采用剪力釘的形式，此種形式施工方便、快捷。剪力鍵示意圖如圖5所示。

圖5 剪力鍵示意圖

4 設計重、難點

4.1 連續結構中支點開裂

連續鋼-混組合結構由于超靜定的結構設計以及鋼梁阻礙混凝土收縮，導致中支點處橋面板極容易產生裂縫。目前中支點抗裂采用的方式有施加預應力法和高配筋法。

4.1.1 施加預應力法

(1) 支座頂升法：架設鋼梁時，對支座進行預抬升，待墩頂橋面板混凝土強度達到設計要求后，沉降墩頂支座，完成墩頂位置預應力的施加。

(2) 預加靜載法：施工橋面混凝土前，對鋼梁進行預加靜載，使鋼梁達到一定程度的受力狀態，然后澆筑混凝土。該種方法可以減小墩頂混凝土使用時的拉應力，從而減輕墩頂混凝土開裂等病害。

(3) 負彎矩區域施加鋼絞線法：

①先錨固后張拉，使鋼梁和混凝土共同承受預應力。此種操作的特點：一是需要預應力材料較多；二是預應力很大程度由鋼結構承受，加重了薄鋼板的整體穩定性及局部穩定性問題；三是如為曲線梁，該方式增加了鋼梁受力的復雜性，預應力的次內力效應加重中支點下緣的穩定要求，同時容易將邊支座脫空。

②先張拉后錨固，只有混凝土承受預應力。此種操作的特點：一是鋼梁不會因預應力的施加而產生附加應力，預應力完全由混凝土承擔，可減少預應力筋用量；二是現澆及預制均可采用。

4.1.2 高配筋現澆法

負彎矩處不施加預應力，而是采用高配筋的方式進行抗裂。

4.2 連續結構施工時拼接位置的選擇

設計時應考慮好鋼梁施工、混凝土的施工方式，不同的施工方式對鋼梁和混凝土橋面板施工階段的受力及安全有著較大的影響。中小跨徑連續鋼-混組合梁施工時，較為常見的施工方式是采用場內預制，現場吊裝、拼接。拼接位置的選擇是設計時需要考慮的重點問題。

考慮到墩頂位置結構的壓應力(底緣)和拉應力(頂緣)均較大，拼接位置的選擇應避開墩頂位置，可設置在墩頂兩側彎矩較小處。

5 結束語

由于混凝土結構的諸多缺點及材料局限性，鋼結構橋梁的發展成為必然的趨勢。鋼-混組合梁相對于混凝土結構，有效減小構件截面尺寸，減輕結構自重，降低基礎造價，方便施工安裝，縮短建設周期，增加構件和結構的延性。該橋梁結構類型應在橋梁工程中得到更廣泛的應用。