钢-混凝土组合梁桥设计方法和新结构形式

赵路洋， 郑凯锋

(西南交通大学，四川成都 610031)

钢-混组合梁是通过剪力连接件将钢梁和混凝土板连接成整体并共同受力的构件。相比钢筋混凝土梁，采用钢-混组合梁可使桥梁截面尺寸和自重更小，受地震影响更小，延性更好，施工周期更短；相比钢梁，采用钢-混组合梁可使桥梁用钢量更省，刚度和稳定性更大，抗火性和耐久性更强，可避免钢桥面的疲劳开裂和铺装病害[1]。此外，钢-混组合梁桥承载力高、工厂化程度高、施工速度快、经济性好，符合环保理念和可持续发展战略，具有很强的竞争力，也因此成为快速施工桥梁的重要结构之一。

目前，我国以混凝土桥为主，多为装配式和变预应力混凝土桥。组合梁桥应用较少，数量占比仅0.5%，缺少组合梁桥标准图集。随着我国钢结构行业的快速发展、钢铁质量的提高和价格的降低，以及工厂制造技术和现场施工工艺的进步，兼顾钢结构和混凝土结构优点的组合梁桥将得以出彩。如何结合我国实际将其完善和推广，发挥其经济和社会效益，是我国桥梁发展的重要课题。

1 钢-混组合梁桥的优势

1.1 钢-混组合梁桥的力学性能优势

结构充分利用钢材受拉和混凝土受压的力学特性，有效避免混凝土梁的开裂问题和钢主梁直接接触汽车荷载所导致的疲劳问题。结构自重小、强度和刚度大，拥有较强的跨越能力和较低的梁高，抗震性能好。相比钢桥，组合梁桥钢主梁用钢量省、焊缝数量少，混凝土桥面板施工设计成熟，可避免正交异性钢桥面铺装层的病害问题，耐久性好，后期维护成本低。其中，箱型组合梁的结构形式整体稳定性好，更适用于城市道路和高速公路上交通量较大的桥梁。

1.2 钢-混组合梁桥的经济技术优势

文献[2]研究了混凝土桥、钢桥和组合梁桥的经济技术指标，结果表明：从全生命周期来看，组合梁桥的经济指标更低、有着更好的经济性。其技术优势主要体现在：易于实现装配化施工，工厂分段预制、不受外界环境影响，工业化程度高，构件质量可控。现场拼装，对吊装设备要求不高，钢主梁架设后作为平台便于混凝土桥面板的安装，流程简单快速。且桥梁发生事故后可快速更换受损构件，对交通影响小。

2 钢-混组合梁桥设计要点

2.1 钢梁和混凝土桥面板构造

钢梁在正弯矩区基本处于受拉状态，但在负弯矩区受压，需要考虑调整构造和施工工艺来避免板件受压屈曲。混凝土桥面板直接承受汽车荷载和外界环境影响，设计时需要保证其耐久性。此外，钢主梁和混凝土桥面板的结合面也是设计要点之一，文献[3]研究了港珠澳大桥钢箱组合梁的结合面，为解决桥面板和钢梁上翼缘横坡误差，采用翼缘板两侧粘贴压缩胶条中间浇注环氧砂浆的方法，利用桥面板自重作用来实现结合面的充分接触和密封。

2.2 连接构造

剪力连接件是连接钢主梁和混凝土桥面板的关键构件，为减小层间滑移效应的影响，采用合理形式的连接件十分重要，常用形式有栓钉、型钢和PBL剪力键等。文献[4]研究表明，层间滑移效应会降低组合梁刚度，引起支点处负弯矩的增加，对混凝土桥面板产生不利影响。可通过增大剪力连接件刚度来降低层间滑移效应。连接件的布置和刚度大小也会对组合梁受力性能产生影响。文献[3]介绍了港珠澳大桥组合梁采用的集束式剪力钉布置形式，其利用率高于均布式，能改善桥面局部受力，此时桥面板横向无需分块、整体性好。文献[5]研究结果表明柔性栓钉会引起层间滑移，减小组合梁刚度和自振频率，也会减弱其动力响应。

2.3 负弯矩区抗裂

连续组合梁在中支点处承受负弯矩作用，钢主梁受压、混凝土桥面板受拉。负弯矩区钢主梁可通过底板填充混凝土或设置加劲肋等构造方式满足设计要求，但混凝土桥面板容易开裂，会导致内部钢筋锈蚀，影响下部钢主梁的耐久和组合梁的受力性能。其处理方法通常为预防开裂和限制开裂宽度2种，包括：桥面板配置预应力钢筋，使其预压来抵消拉应力；抬升中支座高度，待负弯矩区混凝土硬化后降低支座高度；先浇注正弯矩区混凝土后浇注负弯矩区混凝土；使用高性能混凝土，提高其强度和耐久性。文献[6]研究表明，利用预应力碳纤维板加固负弯矩区桥面板，可限制其开裂和控制裂纹宽度，提高其抗弯极限承载力19.4%。

2.4 组合梁疲劳

文献[7]总结了钢-混组合梁疲劳破坏形态，主要为钢主梁翼缘受拉破坏和剪力钉剪切破坏。研究表明：钢主梁受拉翼缘裂纹向上部扩展，中性轴上移导致桥面板开裂和组合梁承载能力下降，直至发生整体疲劳破坏。剪力钉少数被剪断后，截面抗剪强度下降导致层间滑移增大，直至产生大挠度不满足正常使用要求。设计时应使栓钉疲劳寿命短于钢主梁受拉翼缘的疲劳寿命，保证从开裂到破坏有相当长的时间，使其能被及时发现和维修加固。

2.5 组合梁防腐

钢主梁防腐技术发展至今已经比较成熟，文献[2]对主要防腐方法进行了总结，主要有重防腐涂装技术和电弧喷涂技术。前者防腐年限有10～15年，采用该方法的桥梁有虎门大桥、美国金门大桥等。电弧喷涂技术的防腐年限可达20～25年，该技术在重庆菜园坝大桥、日本关门大桥等桥梁上被采用[8]。组合梁免涂装防腐的重要方法之一是钢主梁使用耐候钢，且从全生命周期来看具有很好的经济性。

3 钢-混组合梁桥设计方法

3.1 负弯矩区桥面板设计方法

针对负弯矩区混凝土桥面板开裂问题，对比了中国和欧洲规范在混凝土桥面板开裂区受拉钢筋应力和裂缝宽度的设计方法。

(1)JTGD64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》[9]和JTG/TD64-01-2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》[10]认为负弯矩区混凝土桥面板的力学行为接近于混凝土轴心受拉的情况，所开裂截面受拉钢筋应力计算方法如式(1)：

(1)

式中：Ms为组合作用形成后，开裂截面的负弯矩，Icr为钢主梁和纵向钢筋形成的截面惯性矩，ys为钢筋截面形心至钢主梁和钢筋形成的组合截面中性轴的距离。

开裂截面裂缝宽度按照JTG3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[11]中轴心受拉构件裂缝宽度公式见式(2)：

(2)

式中：C1为钢筋表明系数，C2为作用长期效应影响系数，C3在不同受力形式下取不同系数，σss为钢筋应力，d为纵向钢筋直径，ρ为配筋率，bf为受拉翼缘宽度，hf为受拉翼缘厚度。

(2)BSEN1994-2:2005《欧洲规范4—钢与混凝土组合结构设计》中较精确的计算方法是不考虑受拉混凝土的贡献作用，并认为混凝土的拉伸刚化效应会引起钢筋应力增大。其裂缝宽度计算公式如式(3)：

Wk=Sr, max(εsm-εcm)

Sr,max=k3c+k1k2k4φ/ρp,eff

(3)

钢筋应力会因混凝土的拉伸刚化效应而增大，其应力如式(4)：

(4)

以上各式中：Sr,max为裂缝最大间距，εsm为钢筋平均应力，εcm为混凝土平均应变，k1为考虑钢筋黏结特性的系数，k2为考虑应变分布的系数，k3、k4为分别为3.4和0.425，c为钢筋保护层厚度，φ为钢筋直径，ρp,eff为受拉钢筋有效配筋率，σs,o为开裂区钢筋应力，Δσs为混凝土拉伸刚化后产生的附加应力，fctm为混凝土的平均抗拉强度，A、I分别为仅考虑钢筋的截面面积和惯性矩，Aa、Ia分别为钢主梁截面的面积和惯性矩。文献[12]以某四跨连续钢板组合梁为算例，对比分析中国和欧洲规范的计算结果，发现相同钢筋应力下，欧洲规范裂缝计算结果大于中国公路规范。中国公路规范纳入欧洲规范中考虑混凝土拉伸效应的计算方法后，裂缝计算值大幅增长并接近I类环境限值0.2mm，但仍小于欧洲规范的计算值。混凝土拉伸刚化效应的影响在裂缝宽度计算中占比很大，建议设计时将其纳入考虑范围。

3.2 组合梁疲劳设计方法

对比各国规范，钢-混组合梁的疲劳问题主要体现在栓钉的疲劳寿命评估上，认为剪应力幅和疲劳寿命的对数值呈线性关系。介绍在国内外应用较广的几个规范以供参考。

BSEN1994-2:2005《欧洲规范4》、美国AASHTO《公路和桥梁设计规范》和日本《钢-混凝土组合桥梁规范》中计算栓钉疲劳寿命采用如式(5)：

lgN+mlgr=C

(5)

式中：N为栓钉疲劳寿命，r为栓钉的剪应力幅。

m和C在各规范中取值分别为：《Eurocode4》取8和21.395、美国《公路和桥梁设计规范》取10和26.15、日本《钢-混组合桥梁规范》取8.55和23.42。

此外，英国《桥梁规范》(BS5400)在评估栓钉疲劳寿命时考虑剪力幅和静力承载力的比值，其公式如式(6)：

lgN+8lg(ΔP/Pu)=1.29

(6)

式中：ΔP为栓钉的剪力幅，Pu为栓钉的静力承载力。

中国JTGD64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》[9]在5.5.8中给出剪应力幅疲劳强度曲线，并在表C.0.5中给出用于组合梁的焊接剪力钉的细节类别为90，m=8。由此得出计算栓钉疲劳寿命的公式如式(7)：

lgN+8lgr=21.93

(7)

式中：N为栓钉疲劳寿命，r为栓钉的剪应力幅。

TB10091-2017《铁路桥梁钢结构设计规范》[13]在说明表3.2.7中给出公式如式(8)：

lgN+8lgΔσi=20.54

(8)

式中：N为栓钉疲劳寿命，Δσi为栓钉的剪应力幅。

文献[7]认为栓钉的疲劳寿命最主要的影响因素是栓钉的剪应力幅，此外也受到栓钉母材强度、混凝土强度和弹性模量的影响。以上规范中考虑应力幅的方法适用于评估高周疲劳荷载下的栓钉疲劳寿命，并不适用于低周疲劳荷载下的寿命评估。虽然各国规范的保证率较高，但难以计算出精确的寿命，在实际工程中需要严格控制栓钉的剪应力幅。

4 钢-混组合梁桥的新结构形式

U形组合梁由美国小跨径钢桥联盟提出，钢主梁采用钢板冷弯成型，不设或少设加劲肋，焊缝数量大大减少。其截面形式包括钢主梁内卷边U型钢倒置和外卷边U型钢正置2种，如图1所示。自重轻、构造简单、工业化程度高、后期维护方便，在小跨径桥中具有较强的竞争力。

图1 U形组合梁[14]

钢-UHPC组合梁桥中将桥面板上的UHPC和正钢面板通过栓钉连接，如图2所示，可发挥两者力学优势，是避免钢桥面疲劳问题的研究热点之一[15]。

图2 钢-UHPC组合梁桥面板部分[15]

钢-UHPC组合梁发挥UHPC和正交异性钢板的优势，但负弯矩区桥面板易开裂。文献[16]提出UHPC桥面薄板代替传统混凝土桥面板的轻型组合“π”梁，如图3所示，研究结果表明该结构形式在满足设计要求的情况下，可大大减小桥面板厚度和现场接缝浇筑量，降低自重30%～40%。

图3 钢-UHPC轻型组合“π”梁[16]

文献[17]提出将UHPC华夫板做组合梁顶板，如图4所示，研究表明，该形式桥面板强度高，有效降低自重，负弯矩区应力满足设计要求，可进一步推广。

图4 钢-UHPC华夫板组合梁[17](单位:mm)

利用压型钢板做混凝土桥面板底模，如图5所示，其上现浇混凝土使得桥面板接缝数量大大减小，防止底板出现裂缝并获得很好的整体性、底板美观洁净。

图5 压型钢板做桥面板底模的组合梁桥

波形钢腹板-混凝土组合梁桥，用波形钢板代替混凝土板作为腹板，如图6所示，可有效减轻自重，提高抗剪能力和预应力的效率，增强其跨越能力。

图6 波形钢腹板-混凝土组合梁截面[18]

钢管混凝土桁架做底板的波形钢腹板组合梁桥，如图7所示，是波形钢腹板组合梁桥的增强结构形式。文献[20]提出一种新型钢底板-波形钢腹板连续组合梁桥，研究结果表明该结构相比传统混凝土底板，整体受力更加合理，避免混凝土收缩徐变带来的下挠问题，梁高更低，美观轻盈。

图7 钢管混凝土桁架底板波形钢腹板组合梁[19]

5 展望

(1)高性能材料的开发和应用。混凝土桥面板使用UHPC、RPC等高性能混凝土和纤维增强混凝土等材料，以改善桥面板受力并提高其耐久性。钢主梁可采用高性能钢材，此外免涂装耐候钢因其耐腐蚀性和全生命周期较好的经济性成为其重要的发展方向之一。

(2)新型组合结构的应用。采用新的组合结构形式，进一步发挥材料性能和提高结构受力的合理性和经济性。新型组合结构的力学行为和传力机理将是研究热点。

(3)智能化的建设方法。钢-混组合梁因其合理的受力和技术经济性优势，在桥梁绿色化、装配化和智能化的转型升级中将大有可为，一套完整的智能化建设体系尤为重要。文献[2]认为设计、施工和养护一体化和信息化是实现该智能化建设的重要手段。利用BIM建立云数据库和标准图集，实现设计阶段资源共享；工厂预制时粘贴二维码，便于后续运输和安装扫码获取信息；通过云数据库的大量统计，在常规检查外，重点检查和养护易损和易腐蚀部位。3个阶段紧密衔接，保证整个体系的高效和经济。

(4)快速施工桥梁技术的重要组成部分。随着中国桥梁建设绿色化转型升级和可持续发展战略的推进，尚处于起步和研发阶段的快速施工桥梁技术将有广阔的发展前景。钢-混组合梁桥作为其重要的结构之一，相关设计理论会是今后的研究热点。