开口钢箱-混凝土组合梁桥的设计与施工要点探讨

开口钢箱-混凝土组合梁桥的设计与施工
要点探讨
摘要：钢箱-混凝土组合梁桥能够节省材料，还可以简化施工工序，具有经
济性突出和利于工业化建造等优点。

开口钢箱-混凝土组合梁的钢箱梁部分的截
面由钢腹板和底板及较小的翼缘顶板组成，属于开口钢箱。

该类结构的缺点是，
在施工期间，桥面板混凝土达到设计强度之前，扭转刚度相比成桥后低，这使得
混凝土桥面板在施工期间对侧向失稳更加敏感，因此，有必要对组合梁桥施工过
程中的力学性能以及施工工艺等方面开展深入研究。

基于此，对整体式钢箱梁桥
的设计与施工的要点及流程进行研究，以供参考。

关键词：整体式；钢箱梁桥；组合梁；设计要点；流程
引言
随着经济的发展、城市的扩大和高速公路交通覆盖面的扩大，对公路和桥梁
结构性能的需求也越来越大，以进行劳动密集型运输。

以混凝土为基础的预应力
混凝土桥梁具有建筑成本低、刚度大、稳定性高、耐久性好等优点，但其自重大、梁高大，往往在某些特殊环境下受到建筑界限的限制不适合采用；钢结构桥梁通
常用于公路和铁路桥梁，具有较好的跨越能力、高载荷能力和模块化装配等优点，但钢结构桥梁构件稳定性较低，成本较高。

混合梁结构的发展考虑到了预应力混
凝土桥梁和钢桥各自的优缺点，并充分利用了各自的性能。

1钢箱梁桥概述
钢箱梁桥是一种采用钢板制作成箱形结构的桥梁，这是减少桥梁自重、增加
桥梁跨径最有效的结构形式。

通过钢箱梁与混凝土箱梁之间的对比，发现钢箱梁
的抗扭性能相比于混凝土箱梁较差，但可以增加横隔板来很好地弥补这一不足。

钢箱梁在受力过程中会产生扭曲变形，这种变形通常称为畸变。

根据实际工程的
验证，在恒载作用下不同数量和间距的横隔板对钢箱梁的畸变和刚性扭曲变形呈
曲线相关性，通过对曲线钢箱梁支撑体系、梁体设置基本原理、抗震设计的有效
性进行充分考虑，能够有效保证桥梁的建设质量。

2开口钢箱梁-混凝土组合梁桥优缺点研究
钢箱梁-混凝土组合桥梁两种材质的优点是集成的，不同属性的材质互为补充，整体性能远远优于两种材质的性能叠加。

与钢箱梁桥相比，组合梁相当于将
钢箱梁的受压区顶板替换成刚度更大的混凝土板，有效避免了正交异性板的受压
屈曲稳定性和动载疲劳破坏问题，整体刚度、结构稳定性和耐久性都有了很大提高；与钢筋混凝土梁相比，桥梁结构大大减轻了自身重量，跨越能力和抗震能力
得到提高，充分利用了钢材抗拉和混凝土抗压的性能，提高了截面利用率，同时
减少了结构部分现场施工的规模，缩短了施工时间。

简而言之，钢-混凝土组合
桥梁具有以下优点:(1)有效结合了钢与混凝土的优点；(2)承载能力高，结构刚
度大，抗冲击性好；(3)减小结构截面的高度和重量；(4)提高结构整体稳定性、
刚度和施工便利性；(5)大大减少动态负荷引起的噪音污染。

其缺点如下:(1)施
工作业和特殊设备及人员的专业化要求高；(2)由于混凝土和钢结构的弹性模量
和线膨胀系数不一致，若处理不当，易造成桥面混凝土裂缝。

3开口钢箱梁-混凝土组合梁桥一般病害和成因
因开口钢箱梁-混凝土组合梁桥自重较小，一般病害和成因与钢箱梁桥类似，具体如下：
（1）曲线梁梁体轴线逐渐向外侧移动。

车辆曲线行驶过程中会产生较大的
离心力，这种离心力不断作用，会使桥梁轴线向外侧产生推移，这种推移离心力
长期反复作用后，梁体轴线就会稍微偏离原设计中心线位，情况严重时会导致梁
的滑落。

这种情况通常是支撑受力不合理或独柱墩单侧超重造成，全联支撑体系
抗扭能力和水平抗滑能力弱。

（2）梁体曲线内侧的支座脱空或反作用力小。

由
于曲线梁弯扭耦合效应明显，在梁端处扭矩作用大，由于钢梁自重小，恒载预压
力不足，若端横梁支座间距不够，则会出现支座脱落现象。

（3）梁体整体翻倒。

钢箱梁较轻，活载占总比重相对于混凝土梁较大，在极限偏载行驶情况下梁体整
体可能发生倾覆。

实际行车道路中经常出现重型汽车排成一列在桥梁一侧行驶的
情况，而设计过程一般很难对这种情况进行准确预判，因此缺乏可靠性验算。

4开口钢箱梁-混凝土组合梁桥的设计要点及流程
4.1横隔板构造形式
当开口钢箱梁-混凝土组合梁承受荷载时，车轮荷载直接作用在箱梁顶板上，由于活荷载偏心加载，造成箱形截面的横向弯曲变形，为了减少横向弯曲变形和
过度的局部应力，有必要增加截面的整体刚度，通过在箱梁支点处和之间设置横
向隔板的措施，提高截面的整体刚度。

横隔板通常沿纵向均匀布置，支点处横隔
板还承受支反力产生的局部荷载，因此必须加强。

(1)中间横隔板的形状，中间
横隔板由腹板断开，每个箱室一块隔板，与顶底板及腹板焊接。

横隔板之间的垂
直距离通常约为3～4m，并与腹板竖向加劲肋交替布置。

每个横隔板的中部设有
人孔，人孔的边缘设有加强板，加强板的宽度通常约为100～200mm。

(2)支点横
隔板形式，支点横隔板钢板厚度比中横隔板钢板厚度厚，支点横隔板具体厚度和
数量通过计算确定，一般为1～3块，两者间距约为0～1000mm。

支点横隔板上须
设置水平加劲肋及竖向加劲肋以防止弯曲失稳与剪切失稳。

4.2钢箱梁支撑体系设计
上部结构与下部结构之间连接部通常称为桥梁的支撑体系，在桥梁结构中通
常属于重点设计部位，恒荷载和移动荷载是桥梁的主要荷载，这两种力的共同作
用使桥梁结构受力复杂，通常情况下由于桥梁在曲线段受离心力、风力、振动荷载、温度变化应力等，使梁体产生横向和竖向的不同变形，对于曲线梁还存在弯
扭耦合作用。

在多方向力的作用下曲线桥梁扭矩会增大，在特定情况下还会产生
较大支座反力作用。

在设计曲线钢箱梁桥时，自重的影响对桥梁受力是很不利的。

同时钢箱梁桥在城市建设中对美观性的要求也是较严格的，且曲线钢箱梁桥与直
桥相比受力不同，需要对支撑体系设计格外重视。

因此，在曲线钢箱梁桥常规的
做法是设置多支座体系或墩梁固结体系，可有效减少曲线受力带来的不利影响。

4.3结构尺寸
(1)钢箱梁高
梁高与跨径、结构形状及施工方法密切相关。

梁高为跨径的1/16～1/25；对
于变高度梁，支点处的高跨比为1/18～1/23，跨中为1/32～1/47。

为了方便施工，钢箱梁的室内净高不宜小于0.9m。

对于钢混组合桥梁来说，常规混凝土桥面
厚度基本是固定的，因此对于小跨径的组合桥梁，钢梁用量所占比例较大。

(2)钢筋混凝土桥面板厚度
钢筋混凝土桥面板厚度h取决于桥面宽度w钢箱梁腹板之间的间距l。

梁支
撑梁的梁横带厚度为24～26厘米。

如果没有横向支撑，则厚度会根据位置而变化。

对于点，厚度h=0.13+(w-l)/26。

对于中间梁，厚度h=0.12+l/50。

(3)钢箱
梁钢混结合面上翼缘尺寸。

组合钢箱梁中的上部翼缘抗弯强度较低，因此上部翼
缘的主要功能是确保一定的宽度，保证在钢箱梁和混凝土板之间有一定的接触区域，为预埋剪切键和螺母留出足够空间。

另一方面，特别是在负弯矩区段中，组
合钢箱梁中的上部翼缘是抗拉弯的主要结构，此时钢箱梁下翼缘底板钢板的厚度
应加厚防止局部受压失稳。

4.4遵循曲线钢箱梁桥的一般支撑方式
由于受到弯曲扭矩耦合效应的影响，曲线桥即使在恒载作用下梁体也会承受
扭矩。

在实际设计中，除选择抗扭惯性矩大的截面形式外，如何减少主梁负担的
扭矩是更有效的方法。

常见的曲线桥支撑方式有以下四种。

（1）全抗扭支撑。

梁体在支撑处只能弯曲，但不能旋转。

（2）两端抗扭支撑、中间单点的铰链支撑。

与全抗扭支撑的不同之处在于仅在曲线两端的分联墩或桥台上配置抗扭支撑，桥墩为单支座铰接支撑。

梁体在中支点弯曲，也可以扭转。

（3）混合支撑，即
梁端设置抗扭支撑，中间桥墩同时有单支撑点的铰链支撑和抗扭转支撑。

（4）
两端抗扭支撑、中间桥墩墩梁固结。

对比分析表明，对于多跨度小半径连续梁桥，在正常情况下，支撑方式（1）与（2）的弯矩及剪力值较小，但支撑方式（1）
减小了扭转跨度，减弱了弯扭耦合效应，因此产生的扭矩较小，分布也比较均匀
合理。

由于支撑方式（4）对主梁的形成了较多次的超静定作用，在收缩徐变和
预应力下，将产生较大次内力，设计应充分考虑墩柱长度的影响。

在实际设计中，
采用支撑方式（2）或（3）时，通常通过调整中间点铰接支撑预偏心来调整梁体
扭矩的分布。

5钢箱组合梁桥施工质量控制措施
5.1钢箱梁材料采购
主要材料有钢板、焊条、焊丝、焊剂、剪力栓钉、油漆等。

采购除了必须满
足设计的种类要求外，材料的入场必须有工厂的质量证明文件（质量证明文件必
须盖上“红色印章”），入场后根据规范要求对原材料进行重新试验。

原材料不
满足设计及规范要求时禁止进入，已入场但未通过复检要求时禁止使用，组织及
时退货。

入场后的材料应堆放整齐，标志清晰。

同一材质的钢板应根据板厚进行
区分，在每种类型的明显部分设置标牌，标明材质、厚度等参数；标准件应根据
批号和规格整齐堆放，除进行必要的开封检查外，在未使用前不得随意开箱，标
准件应特别注意防水、防潮、防尘。

焊接构件按类型（如焊条、焊丝、焊剂等）、规格分类存放，特别注意防水、防潮、防止杂质。

焰切或焊接辅材（如氧气、工
业丙烷等）应分类存放，特别注意防火、防热，氧气、工业丙烷严禁存放在同一
房间。

5.2切割和下料
下料前查验材料牌号、规格型号、质量合格证书等，并使切割方向与零件受
力方位一致。

为确保工件的生产制造加工质量，定尺切割时，挡板应固定不动，
确定切割构件的规格型号满足要求后，方可开展大批量切割。

全部零件应先开展
精密切割，对于矩形板，应与此同时沿长、短两个方位切割，以避免向板平面内
侧弯折；对于外观复杂的零件，应通过计算机软件进行放样，创建几何规格型号
和模型，并应用数控切割机开展精切割和下料，以消除热变形的影响。

切割前，
钢板应竖直、平整。

若钢材不平且不直，影响标识或切割质量时，应给予改正。

工件切割后，应对切割造成的凹坑等缺点开展修补和抛光。

下料时，应预留主梁
和弦杆的长度开展切割，在预装配时开展切割。

留意切割槽的脊部，特别是钝边
应符合要求。

切割后构件长宽误差不超过±2mm，剪切构件边缘齐整，无毛刺、
倒口等问题。

5.3运输、安装
（1）吊装机械选择，根据工程特点及安装现场、构件重量，本着技术上先进、经济上合理并确保工期、安全、质量的原则选择吊装机械。

（2）场地处理，吊车行走道路应推平压实，保证地基承载力符合吊车行进安全要求。

（3）构件
的运输、存放，为了减少空间运输对交通的影响，对于构件的运输最好安排在晚
上进行，并且应根据施工现场的实际情况设计路线，对于现场路线应进行实地考察，确保能够运输大构件结构，对一些超长的构件在转弯时需要有专门的人员指挥，运输途中应该确保车辆的稳定。

构件进场以后应合理存放，对构件上面的编
号进行确认，检查产品的合格证，查看构件是否出现变形、油漆是否脱落，按照
统一的顺序进行存放。

（4）吊装前的准备，在吊装前，应该对现场的高层和坐
标点进行确认，专业的人员需要对桥墩承台的定位轴线尺寸、标高等做好记录。

并且施工人员需要对照图纸和构件进行反复的检查和确认，确保构件的尺寸外观
都符合设计的要求，对不满足要求的构件应做处理。

（5）钢箱梁安装，钢梁按
设计要求在生产制造厂制作、加工、焊接成段后运至安装现场，在桥梁现场按设
计要求制作临时支撑。

在钢箱梁安装之前，需要查验钢构件连接处的摩擦面，连
接板务必平整并且没有出现弯曲。

浮锈用钢丝刷消除，油污需要清除干净。

结构
中心部位调节完成后，需要穿入高强度螺栓，高强度螺栓应朝同一方向穿入。

（6）分段钢梁在支架上通过高强度螺栓连接成整体，并连接箱体之间的横梁，
形成临时的多跨连续开口钢箱梁。

5.4钢箱梁吊装
首先，两台起重机都挂在挂钩下面。

连接电缆后，滑架缓慢提升挂钩。

当两
辆车均匀加载时，第一辆提升车停止，另一辆继续缓慢提升吊钩。

当梁板的端部
离开梁车时，停止移动，然后第一个托架缓慢提升吊钩。

钢箱梁两端离开10厘
米梁后，两辆车停止钩车后，两辆钩车同步，当梁板提升距梁车并停止1-2分钟。

没有异常后，运梁车缓慢离开。

当梁面板悬挂在指定位置时，专业人员控制两个
起重小车同步慢速传输电缆，同步速度不超过0.05m/s，梁面板两端下降到离盖
梁约50cm的高度，两端分别调整到安装线后，检查两端的高度差，确保两端同
时就位。

5.5钢筋混凝土桥面板
钢混组合桥梁的桥面板主要分为预制钢筋混凝土桥面板、现浇钢筋混凝土桥
面板、叠合钢筋混凝土桥面板，三种类型在项目中都应用较广。

其中叠合混凝土
桥面可采用底层预制板作为上层混凝土浇筑模板，施工较为简单，且整体性能由
于预制混凝土桥面板。

组合梁桥的桥面板硬化之前，钢箱梁独自承担钢箱梁和混
凝土桥面板的自重及施工荷载，且此时开口钢箱梁抗弯刚度和抗扭刚度小，容易
造成侧扭失稳。

因此在施工期间，拼装节段临时支撑的跨度和开口钢箱梁的隔板
间距的对结构整体稳定性影响非常大，设计施工时应重点进行验算。

5.6连续钢混组合梁桥负弯矩区的处理
对于连续钢混组合梁桥来说，整个组合梁的最容易产生病害的位置为墩顶负
弯矩处的钢筋混凝土桥面板。

钢筋混凝土的抗压性能突出，但其抗拉性能较差，
组合梁钢筋混凝土桥面板在墩顶位置受拉弯作用，其混凝土更容易发展裂缝，混
凝土抗渗性能下降，易造成桥面板钢筋锈蚀和桥面板漏水，严重影响桥梁结构安全。

因此，连续组合梁墩顶位置钢筋混凝土桥面板设计和施工更应引起重视。

对
于连续组合梁桥负弯矩处的处理措施常用方法有：（1）为了抵抗混凝土中的拉
应力，在负弯矩区域的桥面板中设置预应力钢束，使增加预压力来抵消拉应力。

（2）加大负弯矩处钢箱梁顶翼缘尺寸，使其顶翼缘钢板抵抗结构顶缘的拉应力，墩顶负弯矩处的桥面板混凝土待桥梁施工变形完成后最后浇筑，同时结合预加荷
载法在跨中进行堆载预压。

（3）预加高桥墩支座厚度，待桥梁施工完成后，下
降至正常的支座高度，利用支座沉降产生的次内力，使桥面板受压，减少桥面板
拉应力。

为了更好地降低桥面板负弯矩区混凝土板的拉应力，往往几种方法结合
起来实施，同时负弯矩区域还可以采用抗拉强度较高的钢纤维混凝土。

5.7梁体变形控制
长方体的梁受内外腹板的结构不对称和弯矩的影响，以及钢箱内外温差的变化，导致梁体各位置的变形不统一。

同时，混凝土的收缩徐变对梁体的变形也有
重要影响。

因此，在设计和制造过程中对梁体进行有效的变形控制非常重要。

根
据设计和建造这座桥梁的经验，将采取以下措施:(1)应使尽量加大桥梁平面曲线
半径，以缩小内外腹板之间的差距；(2)增加箱梁截面尺寸，增加截面刚度；(3)根据力和变形调整内外腹板桁架；4)根据混合比严格控制水泥用量和水灰比，减少收缩徐变；(5)混凝土骨料选用坚硬耐磨性岩石，严格控制所有骨料的粒度；
(6)加强施工后混凝土结构的养护。

结束语
钢箱梁桥具有轻便、施工方便、能满足大跨度要求等优点，随着技术的不断发展，便出现了经济性更好的钢-混合组合梁桥梁技术，将钢箱梁的优势与混凝土结构的优势相结合，伴随预制拼装技术在桥梁施工中的应用，进一步促进了钢-混合组合桥梁技术的应用。

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