工字钢-混凝土板组合梁在跨线桥改造中的应用

殷 亮，胡小康，黄 浩（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230088）



工字钢-混凝土板组合梁在跨线桥改造中的应用

殷 亮，胡小康，黄 浩
（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230088）

以某高速公路跨线桥改造工程为背景，阐述了工字钢-混凝土板组合梁桥的结构设计及其特点，运用允许混凝土桥面板产生裂缝的设计理念，通过采取合理的施工顺序和配筋设计等措施，减小了中墩桥面板负弯矩大小，控制了桥面板裂缝宽度，提高了结构的耐久性，为同类桥梁设计提供参考。

钢-混组合梁；混凝土桥面板；裂缝；负弯矩

1　概述

钢-混组合梁桥是指采用剪力传递器将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等结构构件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［1］。为充分发挥混凝土板受压和钢梁受拉的性能，组合梁桥多设计成简支结构。随着组合梁技术的不断发展，其使用范围已扩展到连续梁桥，且钢梁部分也由多工字钢主梁发展到少工字钢主梁。

工字钢-混凝土板组合梁构造简单、设计和建造的适用条件广泛、制作与施工方便，是一种非常经济和耐久的结构，在欧美等发达国家的桥梁建设中已得到广泛应用。在法国，最近几年建造的公路组合结构桥梁有90%都是工字钢-混凝土板组合梁桥［2］。

近年来，钢-混组合梁桥在我国发展迅速，但钢梁多为钢箱梁或钢槽形梁，采用双工字钢梁的实例较少。本文依托某高速公路跨线桥改造工程项目，通过对工字钢-混凝土板组合梁桥的结构设计，阐述该桥型结构的构造特点，并对连续结构中负弯矩区桥面板的开裂问题进行了探讨。

2　工程概况

某高速公路跨线桥是一座无腹式拱桥，上部结构为钢筋混凝土板拱，下部结构为重力式桥台接扩大基础。桥梁跨径43 m，矢高3.653 m，矢跨比1/12。因拱顶下挠，拱脚发生了明显的水平位移等严重病害，需要进行改造，改造前的立面布置如图1所示。

工字钢-混凝土板组合梁具有工厂化和预制化程度高、施工方便、工期短等优点，成为该跨线桥改造后的施工方案。该方案充分利用老桥的拱座基础，在高速公路中央分隔带增设钢管混凝土组合支墩，将老桥上部结构拱桥改造为两跨工字钢-混凝土板组合梁桥，改造后的立面布置如图2所示。

图1　改造前的无腹式拱桥立面图（单位：cm）

图2　改造后的钢板组合梁桥立面图（单位：cm）

3　结构设计

主梁采用2×23.25 m连续工字钢-混凝土板组合梁，其中钢梁采用双工字型梁，桥面板采用预制钢筋混凝土结构，桥面板通过预留湿接缝和剪力钉群与钢梁形成组合结构，上部结构标准横断面如图3所示。

图3　工字钢-混凝土板组合梁标准横断面（单位：cm）

3.1双工字型钢梁设计

主梁两片工字型纵梁中心间距3 m，钢梁中心线处的梁高为1.1 m。钢纵梁上翼缘宽度500 mm，板厚为20～24 mm；下翼缘宽度700 mm，板厚为24～30 mm；腹板纵向加劲肋标准间距为1.5 m。在两片工字型纵梁间设置有小横梁，标准间距为4.5 m，采用焊接H形截面，截面宽度260 mm，高度均为400 mm。

主梁和小横梁由T形断面的加劲肋连接，T形肋焊接于主梁腹板上，该加劲肋被称为横梁连接加劲［2］。横梁连接加劲的翼缘在顶部与主梁翼缘焊接，以保证其可以抵抗横向弯曲荷载，而加劲肋的翼缘在底部不与主梁下翼缘焊接，并采取渐变缩窄的措施，以减少疲劳产生的不利影响。小横梁、横梁连接加劲、主梁及其之间连接的具体构造如图4所示。

误差传递建模的研究将多工序系统作为动态时序过程，零件特征作为动态过程的状态变量，不同工序作为动态过程的不同时间点。零件特征随工序变化而变化的过程，视为状态变量随时间变化而变化的过程。状态空间方程描述了状态变量在状态空间中随时间变化的过程，可利用状态空间方法解决多工序制造误差传递问题。

3.2预制桥面板设计

桥面板采用钢筋混凝土结构，板厚20 cm，在与钢梁支撑结合处加厚到30 cm，由预制混凝土板、横向湿接缝和剪力钉群预留孔3部分构成。单块预制板横桥向为一块整板，预留有40 cm×40 cm的剪力钉群孔，纵桥向宽度为1.88 m。各块预制混凝土板吊装就位后，将横向湿接缝的钢筋焊接成整体结构，通过剪力钉群与钢纵梁形成组合体系，全宽度预制桥面板和剪力钉布置如图5所示。

图4　小横梁与主梁的连接构造（单位：mm）

图5　预制桥面板剪力钉群布置图（单位：cm）

3.3钢混结合面防腐设计

针对工字型钢梁上翼缘和混凝土结合面的耐久性问题，采取处理措施如下：在工字型钢梁上翼缘两侧粘贴可以压缩的防腐弹性密封橡胶条，尺寸为50 mm×8 mm，在两侧橡胶条之间浇筑环氧砂浆。以上措施实现了结合面的密封性，避免了环氧砂浆漏浆对钢梁涂装的影响。如图6所示。

图6　钢混结合面防腐设计（单位：mm）

3.4钢管混凝土墩柱设计

下部结构桥墩采用双柱式钢管混凝土墩柱接挖孔桩基础，墩柱直径为0.8 m，顶部设置有Φ0.6 m的钢管混凝土系梁，基础按照嵌岩桩进行设计，直径为1.5 m。钢管墩柱与混凝土桩基设置有1.3 m的结合段，桩基内钢管表面设置96枚Φ22 mm的剪力钉，以保证钢管桥墩和桩基混凝土的结合。墩柱钢管底部预埋封底钢板，并设置8块25 mm厚的钢板加劲肋，封底钢板上设置16根Φ40 mm的锚栓，使得墩柱与桩基完全固结。钢管内浇筑C40微膨胀混凝土。钢管混凝土墩柱细部连接构造如图7所示。

图7　钢管混凝土墩柱连接构造（单位：cm）

工字钢-混凝土板组合梁采用连续梁体系，钢管墩柱与工字钢梁下翼缘采用盆式橡胶支座连接。

4　连续组合结构负弯矩区混凝土裂缝控制

4.1中墩负弯矩区桥面板的受力特点

连续工字钢-混凝土板组合梁中墩附近受到负弯矩作用，上缘受拉区混凝土一旦开裂，对桥面板的刚度、裂缝宽度以及内力重分布等都将产生较大影响。

组合截面承受负弯矩时的内力（M、N）分配及内力分配比例随混凝土板裂纹变化而变化的关系如图8所示。组合梁承受的弯矩M主要由Nc（混凝土板轴力）、Ng（钢梁轴力）力偶和钢梁弯矩Mg分担。Mg和Nc·y0（y0为混凝土板至钢梁重心距）的分配比例由钢梁的弯曲刚度及钢筋混凝土板和钢梁的延伸刚度决定。若混凝土应力超过其抗拉强度，混凝土开始出现裂纹，裂纹发生程度与钢筋混凝土板的延伸刚度有关，随着裂纹相继发生，延伸刚度逐渐降低，分配给力偶的弯矩（Nc·y0）减少，钢梁承担的弯矩Mg相应增加。组合梁负弯矩区的弯矩和曲率的实际关系，介于图8中的状态I和状态Ⅱ之间［2-3］。

图8　组合截面内力分配与裂纹状态关系

4.2中墩负弯矩区桥面板的抗裂设计

中墩负弯矩区桥面板混凝土的抗裂设计通常采用以下两种方案：一是通过在桥面板混凝土内产生预压应力来防止混凝土开裂；二是允许混凝土桥面产生裂缝，并通过配筋等措施来控制裂缝宽度［4-5］。

早期的连续组合梁桥，混凝土板通常借助于预应力筋或安装措施在支点上方施加预应力，但大部分预应力直接加到钢梁上，而且徐变和收缩还将导致预应力的进一步损失。支点升降法由于混凝土徐变的影响，施加的压应力将有很大损失。

随着实践的深入，人们认识到使混凝土在使用荷载作用下不出现或仅出现有限拉应力的方法并不理想。随着对混凝土板损伤、破坏等方面认识水平的提高以及混凝土开裂对桥梁力学性能与耐久性的影响等方面研究的深入，从设计方法上，由原来的不允许出现拉应力或限制拉应力不允许开裂，转向允许开裂限制裂缝宽度的方法［6］。目前，这一方法已经成为大跨连续组合箱梁最为常用的设计方法。

本跨线桥改造项目采用的是允许混凝土桥面板产生裂缝的理念，具体的措施如下：

（1）采取合理的施工措施

桥面板采用预制结构，为减少混凝土收缩对结构产生的不利影响，每块预制板吊装前，要求具有6个月以上的存放时间，湿接缝均采用微膨胀混凝土。同时，优化混凝土桥面板的施工顺序，待两个边跨的桥面板全部施工完毕，再焊接中墩区域的桥面板钢筋和浇筑湿接缝，以减小桥面板自重而产生的负弯矩。

（2）控制桥面板裂缝宽度

混凝土桥面板控制裂纹宽度的理论较为复杂，设计通过选定最小配筋率以限制钢筋拉应力；选定钢筋最大直径、间距，以便于浇注混凝土，确保质量；控制最小周长率（钢筋圆周长与混凝土截面积之比）以利于增大钢筋与混凝土握裹面积，从而达到限制裂纹宽度的目的。

目前，国内现行的《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB50917—2013）对于控制桥面板裂缝宽度未给出明确的计算方法。参考日本的组合梁设计规范规定：配筋率ρs≥2%，周长率ρs≥0.045 cm/cm2，如满足这一规定，裂纹宽度可控制在0.2 mm以下［1］。另外，德国DIN104规范和英国标准BS5400对组合梁混凝土开裂的控制也有较详细的要求和计算方法。

5　结语

本文结合某高速公路跨线桥改造中的应用实例，突出工字钢-混凝土板组合梁的结构设计及其特点，同时通过采用合理的设计理念和施工顺序，有效地减小中墩负弯矩大小；通过调整桥面板的配筋，有效地控制了负弯矩区桥面板的裂缝宽度，确保了结构的耐久性。工字钢-混凝土板组合梁具有较好的应用前景。

［1］吴冲.现代钢桥［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］邵长宇.梁式组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2015.

［3］白玲，史永吉.复合结构桥梁的特性［J］.中国铁道科学，2003（1）：80-87.

［4］邵长宇.大跨度钢-混凝土连续组合箱梁桥关键技术研究［D］.上海：同济大学，2007.

［5］叶建龙，余茂峰.钢-混凝土组合结构桥梁在跨线桥中的应用［J］.公路，2011（8）：29-33.

［6］Jean C B.二十五年来瑞士结合梁桥的发展［J］.颜麦，周履编译.国外桥梁，1986（4）：71-78.

Application of Steel-concrete Composite Beam for Renovation Project of Overpass Bridge

Yin Liang， Hu Xiaokang， Huang Hao
（Anhui Transport Consulting & Design Institute Co.， Ltd，Hefei 230088， China）

Based on the renovation project of the overpass bridge in freeway， this paper described the design and features of steelconcrete composite bridge. By use of the design theory of the allowable cracks of concrete bridge deck， it adopted the reasonable construction order and design of reinforcing bars in order to reduce the negative moment and control the width of bridge deck cracks. The result showed that the durability of the bridge structure had been improved. This method could be taken as a reference for the similar bridge design.

steel-concrete composite beam； concrete bridge deck； crack； negative moment

U448.21+1

A

1672-9889（2016）02-0058-03

殷亮（1983-），男，安徽安庆人，工程师，主要从事桥梁设计和咨询工作。

（2015-06-27）