钢-混组合梁桥在城市高架中的应用与发展

钢-混组合梁桥在城市高架中的应用与发展

摘要：随着我国桥梁工程事业的发展，钢-混凝土组合梁桥作为一种新型桥梁结构，目前正广泛应用于公路及城市立交桥中。

关键词：钢-混组合梁；结构特点；应用；关键技术

1 前言

随着我国城市交通基础设施建设的飞速发展，上跨现有道路的城市高架桥或枢纽匝道桥越来越多，该类桥梁施工中受下穿道路通行的影响非常大。目前设计大多从经济性考虑，一般采用等截面的混凝土连续箱梁，搭设满堂支架和门架施工，但该结构在施工过程中对被交道路的交通影响比较大，而且工期较长，施工风险比较大，给工程的安全管理增加了难度。钢-混凝土组合梁结构是通过连接件把钢梁和钢筋混凝土结合成组合截面共同工作的一种复合式结构。它和混凝土箱梁相比极大地减轻了结构自重，提高了桥梁的跨越能力；且可以极大地缩短施工工期，降低施工安全风险和管理难度，还能尽可能的减少对桥下正常交通的影响。所以，钢-混凝土组合梁在我国的城市高架桥建设中得到了广泛应用。

2 钢-混组合梁桥的结构特点

组合梁桥采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等结构构件与钢筋混凝土桥面板结合成整体，钢筋混凝土桥面板不仅直接承受车轮荷载起到桥面板的作用，而且作为主梁的上翼板与钢梁形成组合截面，参与主梁共同作用。组合梁桥采用最多的是简支梁桥结构形式，因为简支梁的上缘受压、下缘受拉，最符合组合梁材料分布的合理原则，即梁上翼缘应是适宜受压的混凝土板，下缘是利于受拉的钢梁。

（1）与钢梁相比，钢-混凝土组合梁具有以下特点：

a）减少了钢材的用量，节约了造价；

b）增大了梁的刚度，有利于整体稳定性；

c）采用钢筋混凝土桥面板，有利于沥青面层的结合，提高桥面铺装的耐久性。

（2）与混凝土梁相比，钢-混凝土组合梁具有以下特点：

a）结构自重轻，减少了下部基础的工程量；

b）已安装钢梁可作为模板使用，节省了模板工程量；

c）施工工期短，且对桥下交通的影响小；

d）降低了梁高，有利于桥下净空利用率。

3 钢-混组合梁桥应用情况综述

钢-混凝土组合梁在美、日、欧洲已经得到了广泛的应用，美国最早制定了设计规范，随后德国、英国和印度也制定了设计规范。我国起步较晚，改革开放以前，虽有少数工程用过组合梁，但未考虑组合效应，而仅仅作为强度储备和为方便施工而已，也没有制定有关设计规范。1987年以来，组合梁的研究取得了一系列有价值的成果。目前，我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）中包含有一部分有关组合结构的内容。由于组合梁具有抗疲劳性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强梁的刚度的优点，已被广泛应用于城市立交桥及高速公路的跨线桥。

3.1 钢箱及钢板梁-混凝土组合梁

钢箱及钢板梁作为传统组合梁桥很早就被应用于桥梁建设中，而箱形截面组合梁在近几年的应用最为广泛。箱形截面组合梁桥的抗扭刚度很高，因此较工字形截面组合桥具有更高的稳定性和更大的刚度，适用于跨高比较大及扭转作用较大的跨线桥和弯桥，例如城市立交中的匝道桥。钢箱梁的制作费用较钢板梁高，因此从降低造价的角度出发，对于跨度较小的组合桥不宜采用箱形截面。但钢箱梁底板宽度较大，因此使用的钢板厚度可相应减小，同时箱梁内部封闭性较好，有利于提高钢梁的抗腐蚀性。

箱形截面的组合桥通常有两种截面形式，即闭口截面钢箱梁与开口截面钢箱梁。其中，上端开口的钢箱梁由腹板、底板以及宽度较小的顶板组成，制作比较方便，同时用钢量较小。但在与混凝土桥面板形成组合截面之前，开口截面的箱形钢梁抗扭刚度较小，顶板稳定性也较差，因此在施工过程中需要采取增加横隔板或斜撑的措施以保证结构的稳定性。

（a）开口箱形钢梁截面（b）闭口箱形钢梁截面

图1 箱形钢梁截面示意图

3.2 体外预应力及波形钢腹板组合梁

体外预应力可减小构件截面尺寸，并便于施工和维护管理。为减轻大跨度桥梁的自重，可以用钢板代替箱形截面混凝土桥梁的腹板，并能够减少体外预应力所引起的腹板剪力。为了减少混凝土收缩徐变所造成的混凝土翼板有效预应力显著减少的问题，又进一步发展了波形钢腹板组合梁桥。波形钢腹板具有较强的抗剪和抗屈曲能力，而纵向抗压能力较低，作为混凝土箱梁腹板时几乎不对纵向预应力产生抵抗，从而大大提高了预应力导入的效果，使得上、下混凝土翼板在恒载作用下均处于体外预应力所引起的受压状态。1986年，法国首次设计和建造了采用波形钢腹板的Cognac 组合桥。此后，法国、日本等国建成了多座波形钢腹板组合桥。目前，我国正在对这种桥梁形式开展研究工作，但在应用中仍存在很多问题尚待解决。

图1 波形钢腹板组合梁桥结构图

3.3 组合刚构桥

当发生强烈地震时，桥梁可能由桥墩震落发生事故。在地震区的桥梁通常都需要设置一定的抗震设施，但震害调查表明，此类装置有时不能有效发挥作用。连续梁桥与刚构桥是超静定结构，其抗震性能比简支梁桥好。将钢-混凝土组合桥面与桥墩固结后所形成组合刚构桥，既可以减少桥面系的受力，又能够减少支座的使用，在很多情况下具有一定的应用价值。对于组合刚构桥，设计与施工时需要重点解决的问题是保证桥面的荷载能有效地传递到桥墩，即梁-墩节点处的构造。

3.4 大跨拱桥及斜拉桥的组合桥面系

对于主跨超过150m 的桥梁，从经济性和技术角度出发如仍采用传统的组合梁结构将很难满足要求。拱桥或斜拉桥是适用于较大跨度桥梁的合理结构形式。我国目前已建成了大量钢管混凝土拱桥，其中于2000 年建成的深圳彩虹桥，主跨150m，采用钢管混凝土柔性系杆拱,桥面为预应力钢-混凝土空心叠合板组合梁,为全组合桥梁，具有无模板施工，结构自重轻和截面高度小等特点。对于大跨度斜拉桥甚至悬索桥，采用组合桥面可以提高经济性。桥面弯矩主要由钢结构部分承担，轴向力则主要由钢筋混凝土板承担。此外，使用钢-混凝土组合桥面系代替昂贵的正交异性钢桥面板，还可以解决钢桥面系刚度不足以及易导致沥青铺装发生破坏的问题。组合桥面在此领域内的综合性能和可能产生的效益值得开展进一步的研究。

4 钢-混组合梁桥的关键技术

为了使得钢筋混凝土桥面板与钢梁共同工作，两者之间必须设置剪力连接件。它主要用来承受钢筋混凝土桥面板与钢梁接触面之间的纵向剪力，防止桥面板与钢梁之间相对滑移，此外，它还起抵抗两者之间的掀起作用，因此剪力连接件的作用尤为关键。

目前，剪力连接件按照应用形式分类可分为以下几种：

（1）钢筋连接件

钢筋连接件采用斜钢筋或螺旋钢筋，由于其抗弯刚度相对较小，钢筋本身的弯曲会使混凝土板与型钢梁之间产生一定的滑移，纵向剪力会使连接件变形，连接件将产生弯曲应力，混凝土产生不均匀压应力，从而靠近连接件根部的混凝土