钢—混凝土组合梁在我国铁路桥梁中的应用★

2020-04-01杨得旺

山西建筑 2020年6期

杨得旺

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院，湖北武汉 430063)

1 概述

钢—混凝土组合梁通过剪力连接件将钢材与混凝土连接形成组合截面，可充分发挥钢材受拉、混凝土受压的性能。其次，钢—混凝土组合结构桥梁具有结构自重轻，结构高度低，施工快捷，对既有交通影响较小等优点[1]。

组合结构桥梁自20世纪50年代之后得到了迅速的发展，桥型由组合钢板梁发展到钢箱梁、波形钢腹板梁、组合钢桁梁等，应用范围由简支梁桥到悬索桥。组合梁的造价比钢筋混凝土梁要高30%～40%，但组合梁带来的综合效益是相当可观的，比如结构高度降低、自重减轻、地震作用减小、基础造价降低、延性提高、施工费用降低、施工速度加快等[2]。

近年来，我国劳动力成本不断提高，施工临时占道费高，对施工工期要求越来越高，故钢—混组合结构桥梁的竞争力逐渐增强。

2 我国铁路组合结构桥梁工程实例分析

铁路钢—混凝土组合结构桥梁在跨越城市道路、铁路桥梁，无运架梁条件，无设置预制梁场条件以及高烈度地震区桥梁中具有显著优势。在我国铁路桥梁工程中，钢—混组合梁在简支梁、连续梁、斜拉桥中得到应用。另外，凭借其自重较轻、施工便捷的优点，钢—混组合梁在大跨度拱桥拱上主梁中也得到了广泛的应用，比如张吉怀铁路芙蓉镇酉水特大桥、翁马铁路乌江特大桥的拱上主梁均采用钢—混凝土组合梁。

2.1 简支组合梁

简支组合梁具有受力特性简单、现场安装更方便的优点，特别适用于小跨度桥梁。

2.1.1深圳轨道交通4号线45 m单线简支组合梁

深圳轨道交通4号线二期工程跨越和平路及人民路交叉口处采用45 m单线简支组合梁(见图1)[3]。由于桥梁地理位置环境因素、路况复杂车流量大、不能中断其交通、道路较宽、施工要求工期短、建筑高度不宜过高、考虑城市景观等要求，钢—混组合结构桥梁的优势明显。

如图2所示，钢梁采用单箱单室形式，梁高2.8 m，梁宽5.78 m，高跨比为1/16，混凝土桥面板厚25 cm。钢梁的底板上设通长纵向加劲肋，钢梁两腹板上设竖直加劲肋及水平加劲肋，每隔1.1 m～1.4 m设一隔板和加劲肋。

2.1.2京张高铁官厅水库特大桥

京张高铁官厅水库特大桥主桥两侧邻孔各采用1-32 m简支钢—混组合梁进行过渡[4]。如图3所示，主梁采用双箱单室等高组合梁，计算跨度31.5 m，梁长32.6 m，横桥向支座中心距为4.5 m。结合梁截面中心线位置梁高3.11 m(梁顶到梁底垫板底)，侧面梁高3.048 m(梁顶最高点到梁底垫板底)。

2.2 连续组合梁

相对于简支组合梁，连续组合梁具有刚度大，高跨比小、减少支座和伸缩缝的数量、良好的经济性等优点。连续组合梁负弯矩区的混凝土桥面板常因拉应力过大而开裂，从而导致梁体刚度降低，混凝土板中钢筋甚至板下钢梁锈蚀，以至降低结构的耐久性。中支点负弯矩区抗裂是连续组合梁设计应用过程中需解决的关键问题，主要包括施加预应力、限制裂缝宽度、降低中性轴等措施。

2.2.1秦沈客专系列组合梁

根据工程需要，秦沈客运专线在14座桥上采用了7种钢—混组合连续梁，主要是解决跨越既有道路，净空和施工都受到限制的问题[5]。主跨32 m,40 m连续结合梁的截面形式采用2片工字形梁型，梁高分别为2.5 m,2.9 m，工字形梁之间用隔板连接，间距6 m。主跨32 m连续结合梁截面形式如图4a)所示；主跨50 m结合连续梁的截面形式采用2个箱形梁组成，箱梁之间每隔6 m设一工形横梁，截面尺寸见图4b)。

2.2.2商合杭高铁古城特大桥

商合杭高铁古城特大桥采用5×50 m钢—混组合连续梁，设计时速350 km[6]。梁部采用钢箱组合结构形式，钢梁为单箱双室闭口截面，梁高4.0 m，顶宽为12.6 m，底宽6.9 m，主梁横断面如图5所示。顶底板设连续纵向加劲肋，腹板设竖向加劲肋和水平加劲肋，4 m左右设1道横隔板，在两线线路中心线下方各设1道通长的小纵梁，钢箱梁采用顶推拖拉法施工。通过下部钢梁顶升及两次落梁，代替传统预应力钢筋系统为上部桥面板施加预应力。

2.2.3沪苏湖高铁虹七跨华翔路桥

如图6所示，沪苏湖铁路虹七跨华翔路桥采用(42+60+45)m钢—混组合连续梁，梁高3.8 m，顶宽12.2 m，底宽5.0 m。桥面板横桥向在中间部分标准厚度30 cm，在钢梁腹板上翼缘附近区域加厚至55 cm，其间均以梗胁过渡。梁部用钢量约5.0 t/m，混凝土用量约5.6 m3/m，钢筋用量约365 kg/m3。

2.3 组合梁斜拉桥

钢—混凝土组合梁在斜拉桥中的应用可分为以下两个方面：

一方面，充分利用钢—混凝土组合梁结构受力以及施工便捷的优点。相对于混凝土梁，钢—混凝土组合梁自重轻，更适用于大跨度斜拉桥；相对于钢梁，钢—混凝土组合梁经济性更优、刚度大，且能够避免钢桥面疲劳开裂问题。德国学者Svensson认为组合梁斜拉桥经济跨径上限为600 m。随着超高性能混凝土的应用，有学者提出钢-UHPC轻型组合梁斜拉桥经济跨径可达1 000 m。对于高速铁路桥梁，高速行车对大跨度桥梁刚度要求高，钢—混凝土组合梁的优势凸显。

另一方面，利用钢—混凝土组合梁较钢梁重的特点，平衡边跨辅助墩负反力，常用在斜拉桥边跨主梁中。例如：沪通长江大桥主梁采用箱桁组合断面后，公路、铁路桥面均为整体钢桥面，为平衡辅助墩负反力，主梁两侧边跨252 m范围公路桥面采用带有混凝土桥面板的组合截面[8]。此外，天兴洲长江大桥、贵广铁路南盘江特大桥、北盘江特大桥等大跨度斜拉桥的边跨也采用钢—混凝土组合结构，以平衡边跨负反力。

2.3.1芜湖公铁两用长江大桥

2000年建成通车的芜湖公铁两用长江大桥(如图7所示)是一座矮塔钢桁梁斜拉桥，主桥孔跨布置为(180+312+180)m，采用双层桥面布置，上层公路桥面板与钢桁梁上弦杆及公路纵横梁通过剪力钉结合成钢—混凝土组合桥面系，剪力连接件采用φ22栓钉[7]。