中小跨径钢板组合梁桥结构体系比选研究

中小跨径钢板组合梁桥结构体系比选研究

发表时间：2018-07-23T12:11:35.953Z 来源：《基层建设》2018年第14期作者：姚春江

[导读] 摘要：钢板组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量。

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摘要：钢板组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量。从结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面，对中小跨径钢板组合梁桥的结构体系进行比选，提出不同结构形式的适用条件与应用范围，促进钢板组合梁桥的发展与应用。

关键词：钢板组合梁桥；中小跨径桥梁；结构性能

一、引言

对于中小跨径桥梁，通常采用装配式小箱梁、T梁、空心板等预应力混凝土结构。已建成的近80万座桥梁中（截至2015年底），钢结构及钢混组合结构桥梁总数量不足万座，还不到桥梁总量的1%。随着钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步，目前国内已经具备全面推广和应用钢结构桥梁的材料和技术条件。钢板组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量，所以近年来在国内得到了快速的发展和应用。

本文从结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面，对中小跨径钢板组合梁桥的结构体系进行比选，提出不同结构形式的适用条件与应用范围。

二、结构形式发展概述

早期的钢板组合桥梁始于欧洲，虽然设计计算中考虑了钢梁和混凝土桥面板的共同作用，但是构造设计与非组合梁桥相似，采用多个并排纵梁，纵梁之间设置许多横梁、水平及竖向横撑，在腹板上焊接较多纵横向加劲肋，以保证各个杆件之间的整体性。这种结构体系的钢板梁桥，构件数量多而复杂，焊缝量很大，一方面使得构件的加工成本提高、维护困难、施工建造复杂；另一方面构件的受力及传力不够明确，无法充分利用各个杆件的性能；此外，局部构造的疲劳破坏也是突出问题。这些问题限制了钢板梁桥的广泛应用[1-2]。

1986年，德国尝试了新型钢板组合梁桥，建成的Eltmann桥仅采用2根钢板主梁承担混凝土桥面板，最大跨度达到149m，跨中梁高5m，采用横向预应力混凝土桥面板。此后，瑞士也尝试这种只有两根主梁形式的钢板梁桥，并在此基础上进行了简化设计，横梁的数量和高度、加劲肋的数量和位置都进行了大量优化。

此后，法国对传统的钢板梁桥进行了简化，两根钢主梁之间通常不设置横撑和腹板纵向加劲肋；混凝土桥面板一般设置成横向承重或者纵向承重，与此对应的主梁间的横梁设置为支撑横梁或非支撑横梁。日本在大幅度减小横撑、腹板加劲肋的同时，积极采用预应力混凝土桥面板，把原来2车道公路桥的主梁从4根减少到2~3根，3车道的从7~8根减少到3~4根，改进的设计不仅节约了建设费用，桥梁的耐久性、管理养护等费用也得到优化，优势凸显。

钢板组合梁桥在我国的应用实践尚处于起步阶段，主要的发展是在铁路桥领域，结构形式类似于早期的多主梁形式的钢板梁桥，设置较多的横梁、横撑及加劲装置。和国外相比，我国建造钢板组合梁桥设计和建造经验相对较少，对各种体系的性能和适用性还需要深入的研究；尤其是结合工业化建造，如何发挥钢板梁桥的优势正在成为研究的热点[3-4]。

三、结构形式分类

（一）多主梁体系和双主梁体系

按主梁数量可分为双主梁钢板组合梁桥和多主梁钢板组合梁桥，如图1所示。多主梁体系主要在钢板梁桥应用早期使用较多，在加工、施工、维护等方面较为繁琐。而双主梁体系具有构件数量少、焊接量小、建造成本低、易于维护等优势，逐渐成为工程应用的主流。两种体系优缺点对比见表1：

表1 双主梁与多主梁桥对比

（a）传统多主梁组合梁桥（b）改良后的组合梁桥（c）双主梁钢板组合梁桥

图1 钢板组合梁桥主梁形式演变

（二）支撑横梁体系和非支撑横梁体系

钢板梁桥横向连接采用工字型钢横撑体系，主要分为支撑横梁体系与非支撑横梁体系两种。支撑横梁体系的桥面板受力主方向在纵桥

向，钢材用量较大，板厚较小，但接缝多；非支撑横梁体系的桥面板主受力方向在横桥向，需要较厚的桥面板，有连接简单的优势。

图4 支撑横梁体系和非支撑横梁体系

工字形钢横梁尺寸比主梁小，对于非支撑横梁，只起连接主梁作用，主梁、桥面板、横梁形成框架，横梁间距7~8m。对于支撑横梁，横梁是支承桥面板的主要构件，间距5m左右，横桥向也是组合构件，刚度大。钢横梁与主梁之间可采用焊接或者栓接。支点横梁对限制平行四边形变形约束最强，在设计上需加强。

四、结构体系比选分析

根据对钢板组合梁桥的调研，提出了三种中小跨径钢板组合梁桥较为常用的比选方案见图5，从结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面进行了比选分析，如表2所示。

（c）方案三：双主梁非支撑横梁方案

图5 比选方案结构形式

表2 比选方案

（一）结构受力

从受力性能来看，支撑横梁体系为桥面板提供了支撑，横向受力由组合断面共同承担，更加适用于大主梁间距的设计，并且需要的混凝土板厚较小。但支撑横梁体系的接缝多，钢与混凝土的连接难以达到理想设计状态，后期养护及桥面板的更换较麻烦。

相对于支撑横梁体系，非支撑横梁虽然不能提供模板的支承作用，无法对桥面板提供支持作用，需要增加板厚。但非支撑横梁连接简单，避免了与桥面板的接触与连接问题，更重要的是，非支撑横梁在横梁处的疲劳问题并不明显，施工及后期养护均有较大的优势。

段的管养需要投入的费用、时间和精力都很高。