钢混组合梁桥的设计要点和方法

齐伟杰

（中交公路规划设计院有限公司，贵州 贵阳 550004）

钢混组合梁桥的设计要点和方法

齐伟杰

（中交公路规划设计院有限公司，贵州 贵阳 550004）

总结了钢混组合梁桥的结构特点和发展前景，并探讨了该结构体系存在的设计难题和要点。从构造、截面和体系三个层次，归纳了钢混组合梁桥的四个关键设计难题——钢混连接构造、负弯矩区开裂、负弯矩区底板屈曲和整体横向稳定，提出了设计对策和解决方法，推进钢混组合梁桥在我国的应用实践。

组合梁桥；设计难题；要点和方法；连接构造；负弯矩区；倾覆稳定

0 引言

近年来我国基础设施大力建设，各种建筑材料得到了深入的挖掘以适应各种类型的基础结构建设。混凝土一直是18世纪以来主要的建筑功能材料，而近年来伴随着钢材制造技术的进步，钢材越来越多地应用到土木工程的建设中。在现代土木工程向可持续化和经济化的方向发展的情形下，合理利用建筑材料力学性能，充分发挥各自的优势，降低工程的建设成本成为结构工程建设的关键[1-2]。组合结构以其整体受力的经济性，在保证不同材料良好连接的基础上充分发挥了各自的结构性能，在桥梁工程领域的应用越来越得到重视。

钢混组合结构是钢材和混凝土两种建筑材料在同一受力截面的组合设计。钢混组合结构充分利用了混凝土抗压性能好、钢材抗拉能力足的优势，而回避了混凝土抗裂性差、钢材受压易屈曲等问题，在满足结构性能要求的前提下能获取最优的资源配置，同时使得桥梁结构轻型、跨越能力大、多变、美观且可施工性强[3]。论文通过探讨钢混组合梁桥的结构特点，明确其设计优势和需要关注的问题；其后针对钢混组合梁桥的若干关键问题，提出设计要点和所采用的方法，推进钢混组合梁桥结构体系在我国的推广应用。

1 钢混组合梁桥结构特点与设计要素

1.1 结构优势

梁桥结构主要以受弯为主，为了充分发挥钢材和混凝土的性能，一般将钢材布设在底缘作为主要承拉结构，将混凝土设置顶部作为主要承压部分。这种设置方法一方面可以将钢梁作为混凝土施工的模板，另一方面将混凝土设置在顶部可以更好地与桥梁铺装连接。根据这种设置方法，相比较于钢梁桥和混凝土梁桥，钢混组合梁桥具有如下结构特点：

（1）构型轻巧、强度高、施工简便。钢混组合梁桥其结构自重显著小于混凝土梁桥，可以实现更大的跨越。作为支撑模板的钢梁，可以通过先架设钢梁，支撑混凝土桥面板的施工，以解决梁段起重架设过大的问题，可以将钢梁分段制作和吊装。

（2）易于实现工业化和产品化。通过将钢梁和桥面板分别进行分段预制，可以在工厂进行流水线式操作，同时减少野外作业时间，并提高施工建设质量。钢梁段和混凝土段在现场可以进行专业的组装连接，快速且精度高，而且施工不受季节限制。

（3）受力优越性。钢混组合梁充分利用钢材抗拉强度优势规避混凝土容易开裂的问题。另外，混凝土作为支撑钢梁的上部结构，可以增加其临界失稳系数，同时避免了钢梁直接与车辆活载的作用，减少了不必要的钢梁疲劳失效问题。

1.2 结构难题与设计要素

钢混组合梁桥除了具有上述设计优势外，仍然存在一些问题，只有在解决这些设计难题的基础上，才能完全发挥钢混组合梁桥的结构优势，实现工业化和产品化发展。

首先，构造层面。钢与混凝土的完好连接是保证钢混组合共同受力的关键，但由于钢混连接的复杂性，较难掌握在复杂受力状态下连接的可靠性，是否存在滑移，以及滑移是否影响结构受力安全等。

其次，截面层次。设计为连续梁桥结构型式的组合梁桥，面临负弯矩区开裂问题。连续梁桥或者连续刚构桥，在中支点区域承受负弯矩作用，由于混凝土的抗裂性差，必须采取相关措施，降低负弯矩的开裂风险，才能保证组合梁桥梁的使用性能[4]。此外，负弯矩区底部钢板处于受压状态，这对于钢梁的局部稳定影响很大，容易发生腹板和底板局部屈曲问题。

最后，结构整体层次。关系到组合梁桥的横向稳定安全。组合梁桥的结构自重较轻，横向宽度大的连续梁桥，特别是采用中间点铰支撑设计的，其横向稳定性能很差，例如2012年8月24日哈尔滨阳明滩大桥的垮塌事故，该桥梁就是采用组合梁桥型式，同时中支座为点铰支撑[5]。

2 钢混组合梁桥关键难题的设计方法

钢混组合梁桥除了上述结构优势外，在设计中仍然有如下构造、截面和结构整体等层次的关键难题，需要在设计中考虑和解决。

2.1 构造层次的钢混连接设计

钢混组合梁桥涉及钢材和混凝土的连接问题，这两种材料的弹性模量、变形性能等都存在较大差异，为了使得两种材料能够协同变形和受力，需要采用良好的构造措施将钢混连接形成整体。钢混连接设计的目的是保证钢材向混凝土材料刚度的平缓过渡；其次需要防止连接界面的相对滑移和掀开，使得连接紧密且变形协调。随着组合梁桥的研究发展，目前已有型钢连接、栓钉连接、组合连接件、嵌入连接等多种模式。

钢混连接层次还需要考虑滑移所带来的对钢梁和混凝土桥面板的影响，这一般需要在承载能力极限状态考虑。而滑移问题所带来的是失效模式的确定，如果假定连接完好则可以采用弹性假定计算；如果存在滑移则需要考虑弹塑性计算，一般钢混组合梁桥都需要采用弹塑性理论计算截面的极限承载能力。

2.2 截面层次的负弯矩区设计

钢混组合梁桥负弯矩区底板钢梁处于受压状态，很容易发生局部屈曲失稳。而这种局部屈曲一旦形成，就会向结构体系层次扩散，造成整个梁体的破坏。底板防屈曲可以设置多道加劲肋，由于负弯矩区底板和腹板应力水平高，很容易发生屈曲，加劲肋需要设置在腹板上，并适当增加板件厚度，使得构造和应力可控。此外还可以通过在支点负弯矩区域浇筑全截面混凝土，将负弯矩区钢板包裹起来，则完全消除底板屈曲问题。

钢混组合桥负弯矩区还有顶板混凝土开裂问题，特别是在活载作用下负弯矩较大导致顶板拉应力很大。解决负弯矩区开裂可以采用如下方式：

（1）桥面板滞后钢梁结合。通过先浇筑结合跨中区域的桥面板，使得钢梁预先进行变形，同时消除跨中区域混凝土桥面板与钢梁结合的收缩徐变效应，最后结合负弯矩区域的桥面板，降低其开裂的风险。

（2）支座位移法。通过在施工中调整中支座的位移，使得负弯矩区混凝土形成预压效果，主要实施方法是在架设完成钢梁后顶升中支座，等桥面板浇筑完成后将中支座放到原来位置，形成预压效果，如图1所示。

图1 支座位移法解决负弯矩开裂问题

（3）施加中支点顶板预应力。在负弯矩区容易开裂的地方施加预应力，使得储备一定的顶板压应力，这些压应力用于抵抗运营期间产生的顶板拉应力，从而降低顶板开裂的风险，一般用于大跨径的组合梁桥。

2.3 体系层次的横向稳定设计

梁桥的倾覆机理就是在外界荷载作用下，整个桥梁结构绕着一个轴发生翻转，一旦达到翻转的临界状态，梁桥结构就变成机动体系，从而导致整体式的倾覆破坏。组合梁桥的设计中，需要保证倾覆轴的倾覆侧具有尽可能小的车辆荷载作用，降低倾覆弯矩的大小，可以通过下述方法降低倾覆风险：

（1）应该妥善采用大曲率或者直线的独柱墩型式梁桥，独柱墩中间一般采用单点支撑或者距离很近的双点支撑，因而其抗扭性能有限。

（2）改善独柱墩的横向支座间隔，增加抗扭性能。现如今很多匝道桥和立交桥采用独柱墩，如果是双支座型式，需要在设计条件下增加横向支座间隔，如果是单点支撑型式，需要对支座进行必要的外侧移动，或直接将桥墩和梁体进行固结处理。

（3）进行必要的横向稳定构造处理。对于稳定力矩较小的梁桥结构，可以采用抗拉支座或者设置竖向抗拉钢筋的方法，为梁桥的横向稳定设置安全储备。

（4）开发支座受力状态监测系统。对于易受重载车辆作用而倾覆的弯桥，需要对敏感位置的支座设计必要的监测方法，以明确支座在使用中是否存在脱空问题，并根据运营状态进行必要的加固或者改善。

3 结语

钢混组合梁桥近年来开始广泛应用于桥梁建设中，该结构型式充分发挥了钢材和混凝土的优势，降低施工建造成本。论文详细总结了钢混组合梁桥的结构特点和设计要素，对其优势和前景进行了分析，并对钢混组合梁桥的四个设计难题——钢混连接构造、负弯矩区开裂、负弯矩区底板屈曲和整体横向稳定，提出了具体的设计对策和解决方法。

[1]冯建刚,秦志军,赵秀文.钢混组合箱梁桥设计与施工[J].公路交通科技（技术版）,2010,6（6）:6-8.

[2]郑和晖,巫兴发,黄跃,等.钢-混组合连续梁负弯矩区桥面板抗裂措施[J].中外公路,2014,34（5）:152-155.

[3]王猛.钢-混凝土连续组合梁的设计分析[J].城市道桥与防洪, 2014（12）:53-55.

[4]彭栋木,聂建国,郭帅.曲线钢-混凝土组合梁桥设计与施工[J].市政技术,2006,24（6）:367-371.

[5]王成林.对哈尔滨阳明滩大桥倒塌的思考[J].科技视界,2012（30）: 300.

U448.21+6

B

1009-7716（2017）09-0088-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.025

2017-04-17

齐伟杰（1986-），男，贵州黔西人，工程师，从事路桥设计工作。