新型钢板组合梁结构桥梁的应用分析

2015-11-07吴平平

城市道桥与防洪 2015年5期

关键词：梁桥耐久性桥面

吴平平

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥210088）

新型钢板组合梁结构桥梁的应用分析

吴平平

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥210088）

济祁高速合肥段淮河特大桥引桥在国内首次采用了新型钢板组合梁结构，通过材料使用性能、经济性指标、施工成本、桥梁景观、环境保护和结构耐久性等因素对该结构进行了全面的分析，证明是其是一种经济合理的桥梁结构形式，是现阶段桥梁结构发展的趋势所在。

钢板组合梁；使用性能；结构安全性；造价；景观；环境保护

1　概述

济祁高速合肥段淮河特大桥11 km长度引桥工程中，桥梁上部结构采用新型钢板组合梁桥形式，标准跨分别为30 m和35 m，采用三跨或四跨一联的方式，桥面全宽26.5 m，基于双向四车道的标准设计，并采用分幅方式。35 m钢板组合梁桥的立面布置见图1，包含了钢梁、钢梁加劲板、横梁、混凝土桥面板等构件。

钢板梁桥主梁断面采用直腹式双工字钢板组合梁，梁桥最长跨为35 m，双主梁间距7.225 m，中心线处的梁高均为1.75 m，混凝土桥面板和钢主梁通过栓钉连接，双主梁之间采用中横梁加强横向联系，中横梁的标准间距5 m，桥梁的跨中标准断面和横梁处断面见图2。

组合钢板梁桥桥面板由预制板和纵横向湿接缝构成，钢板梁桥采用满堂支架吊装到位后，吊装预制桥面板并浇筑湿接缝混凝土完成共同受力，考虑到钢板组合连续梁桥的受力特点，正弯矩区域采用C40混凝土，负弯矩区域采用PVA纤维混凝土桥面板。

2　钢板梁组合结构的应用［1-5］

组合结构桥梁由于多项新技术的应用，得到了良好的机能和耐久性，快速施工缩短了投资回报期，多样化结构适应了不同桥位不同跨度桥梁建设的需求和景观要求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量，所以组合结构桥梁在近二十年来得到了飞速的发展。根据法国1990～1993年建设的桥梁上部结构统计，公路组合梁桥在跨长30～110 m范围内最有竞争力，在60～80 m跨长范围内有明显优势，公路组合梁桥占有率达85%。在法国TGV高速铁路线上，20世纪90年代建成的TGV北线，组合梁桥占有率为45%，2001年6月建成TGV地中海线，组合梁桥占有率上升至80%，其余20%为PC梁。在桥梁建设造价上，在跨长40～80 m范围内，组合梁比PC梁更经济一些，英国、德国、北美、日本的组合梁桥的应用与法国大体相近，见图3、图4。

3　新型钢板梁结构及与传统结构对比

3.1材料受力和使用性能对比

目前，社会发展强烈呼吁降低桥梁等交通设施的建设造价，提高其安全性、耐久性、使用性、景观性和环保性。对于传统的预应力混凝土小箱梁桥，其自重大，施工期长，大量就地开采砂石材料，虽然材料费较低，但对周边自然环境造成破坏和大气粉尘污染，同时混凝土材料因盐害、中性化、碱骨料反应和冻融等引起的劣化是不可回避的问题。对于钢桥，压屈、疲劳、腐蚀、振动、噪音、对温度变化的敏感性等，也是难以回避的问题。

组合结构桥梁由钢结构抗拉、混凝土抗压，充分发挥两种材料的使用性能，可使结构设计、施工、维修更趋合理并具全寿命经济性。混凝土结构作为桥面板可以克服钢构件的疲劳和防腐问题，钢构件作为主受力构件可以有效提高桥梁的使用寿命，与混凝土梁桥相比，自重轻，可以大幅降低恒载比例，减小对下部构造和基础的要求，节约造价。

3.2造价对比分析

根据目前我国经济形势的发展现状，受国家能源及环境政策的影响，目前市场上的砂、石等材料相比于2013年初增幅较大，甚至已经达到100%的水平。而钢材价格有较大幅度的下降，钢价从高峰值到今年年底降幅已超过1 000元/t。从长期趋势看，由于社会对环境的要求越来越高，砂石材料的成本也会越来越高，而钢材的原材料多来自于进口的铁矿石，且产能极为过剩，钢材价格处于长期稳定，甚至小幅下跌状态。因此从材料利用角度，采用钢结构是有利的。

图2　钢板组合梁桥的横断面布置图（单位：mm）

图3　法国组合梁桥在不同跨长上的分布率（1993年）

图4　法国不同跨长PC梁桥与组合梁桥的造价比较（1995年）

济祁高速合肥段淮河特大桥在引桥设计过程中对不同方案的桥型进行了造价对比，其结果见表1。

表1　桥型方案经济比较

从表1可以看出，根据直接建设成本计算结果，35 m钢板梁结构比小箱梁结构造价低约10%。

3.3施工性对比分析

新型组合梁采用双主梁体系，采用整联顶推或者龙门吊吊装，重量轻，速度快。钢梁为工厂标准化生产，质量可控。桥面板采用工厂化预制，构造简单，不需内模，质量容易控制。上部结构不设预应力，施工简单，同时避免了预应力管道的通病。

而传统小箱梁每跨需要分四次吊装，施工工期提高一倍以上。小箱梁构件尺寸单薄，预制质量较难控制，出现病害的几率高，耐久性较差。

3.4景观性对比分析

钢板组合梁结构经历了早期的多主梁、冗约束体系之后，随着计算理论和设计方法的完善，以及材料指标和施工工艺的进步，对钢板梁组合结构进行了大幅优化，取消了原设计中繁杂的空间冗余约束构件，代之以结构简洁、受力明确的少主梁或双主梁体系，双主梁方案可以充分发挥材料的承载性能，减轻了结构自重，空间通透，易于维护，外观简洁、美观。而传统小箱梁采用多主梁布置，空间显得零乱压抑，不通透，景观效果较差，见图5、图6。

图6　新型钢板组合梁结构简洁、美观

4　新型钢板梁结构的技术先进性［6-7］

钢板组合梁桥的设计和应用涉及到预制桥面板和钢梁的设计方法、新型剪力键应用、结构耐久性技术、新型施工工法、运营养护技术、PHC管桩等新技术的应用，正是由于多项新技术的综合应用，使组合结构可以发挥良好的机能和耐久性，快速施工缩短了投资回报期，多样化结构适应了不同桥位不同跨度桥梁建设的要求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量，所以组合结构桥梁相比于传统的混凝土小箱梁桥，在技术上具有明显创新型和先进性，也正因为其结构的合理设计和对材料的充分利用所体现的经济效益，使得钢板组合梁在近二十年来得到了飞速的发展，在国内随着劳动力成本增加和砂石资源的逐步萎缩，组合结构正引起越来越多的研究和应用。

同时，钢板组合梁桥在高速公路上的规模化应用在国内属于首次，这种工厂化预制、标准化施工的新型结构的采用不仅有利于节约资源、保护环境、降低造价，而且对于提升整个高速公路的标准化建设水平和科技创新具有重要意义。

此外混凝土材料为一次性利用，不再有回收利用价值，砂石等材料的开采利用对环境的破坏性很大，资源利用率低，生产能耗高。而组合结构只要养护措施完善，在设计寿命之后钢材的回收利用率可达30%，可有效降低造价，节约资源，在当前倡导建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下具有深刻的意义。