中小跨径钢板组合梁桥结构体系比选研究

中小跨径钢板组合梁桥结构体系比选研究

姚春江

安徽省交通控股集团有限公司安徽合肥230088

摘要：钢板组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量。从结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面，对中小跨径钢板组合梁桥的结构体系进行比选，提出不同结构形式的适用条件与应用范围，促进钢板组合梁桥的发展与应用。

关键词：钢板组合梁桥；中小跨径桥梁；结构性能

一、引言

对于中小跨径桥梁，通常采用装配式小箱梁、T梁、空心板等预应力混凝土结构。已建成的近80万座桥梁中（截至2015年底），钢结构及钢混组合结构桥梁总数量不足万座，还不到桥梁总量的1%。随着钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步，目前国内已经具备全面推广和应用钢结构桥梁的材料和技术条件。钢板组合梁结构有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化结构适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量，所以近年来在国内得到了快速的发展和应用。

本文从结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面，对中小跨径钢板组合梁桥的结构体系进行比选，提出不同结构形式的适用条件与应用范围。

二、结构形式发展概述

早期的钢板组合桥梁始于欧洲，虽然设计计算中考虑了钢梁和混凝土桥面板的共同作用，但是构造设计与非组合梁桥相似，采用多个并排纵梁，纵梁之间设置许多横梁、水平及竖向横撑，在腹板上焊接较多纵横向加劲肋，以保证各个杆件之间的整体性。这种结构体系的钢板梁桥，构件数量多而复杂，焊缝量很大，一方面使得构件的加工成本提高、维护困难、施工建造复杂；另一方面构件的受力及传力不够明确，无法充分利用各个杆件的性能；此外，局部构造的疲劳破坏也是突出问题。这些问题限制了钢板梁桥的广泛应用[1-2]。

1986年，德国尝试了新型钢板组合梁桥，建成的Eltmann桥仅采用2根钢板主梁承担混凝土桥面板，最大跨度达到149m，跨中梁高5m，采用横向预应力混凝土桥面板。此后，瑞士也尝试这种只有两根主梁形式的钢板梁桥，并在此基础上进行了简化设计，横梁的数量和高度、加劲肋的数量和位置都进行了大量优化。

此后，法国对传统的钢板梁桥进行了简化，两根钢主梁之间通常不设置横撑和腹板纵向加劲肋；混凝土桥面板一般设置成横向承重或者纵向承重，与此对应的主梁间的横梁设置为支撑横梁或非支撑横梁。日本在大幅度减小横撑、腹板加劲肋的同时，积极采用预应力混凝土桥面板，把原来2车道公路桥的主梁从4根减少到2~3根，3车道的从7~8根减少到3~4根，改进的设计不仅节约了建设费用，桥梁的耐久性、管理养护等费用也得到优化，优势凸显。

钢板组合梁桥在我国的应用实践尚处于起步阶段，主要的发展是在铁路桥领域，结构形式类似于早期的多主梁形式的钢板梁桥，设置较多的横梁、横撑及加劲装置。和国外相比，我国建造钢板组合梁桥设计和建造经验相对较少，对各种体系的性能和适用性还需要深入的研究；尤其是结合工业化建造，如何发挥钢板梁桥的优势正在成为研究的热点[3-4]。

三、结构形式分类

（一）多主梁体系和双主梁体系

按主梁数量可分为双主梁钢板组合梁桥和多主梁钢板组合梁桥，如图1所示。多主梁体系主要在钢板梁桥应用早期使用较多，在加工、施工、维护等方面较为繁琐。而双主梁体系具有构件数量少、焊接量小、建造成本低、易于维护等优势，逐渐成为工程应用的主流。两种体系优缺点对比见表1：

表1双主梁与多主梁桥对比

（a）传统多主梁组合梁桥（b）改良后的组合梁桥（c）双主梁钢板组合梁桥

图1钢板组合梁桥主梁形式演变

（二）支撑横梁体系和非支撑横梁体系

钢板梁桥横向连接采用工字型钢横撑体系，主要分为支撑横梁体系与非支撑横梁体系两种。支撑横梁体系的桥面板受力主方向在纵桥向，钢材用量较大，板厚较小，但接缝多；非支撑横梁体系的桥面板主受力方向在横桥向，需要较厚的桥面板，有连接简单的优势。

图4支撑横梁体系和非支撑横梁体系

工字形钢横梁尺寸比主梁小，对于非支撑横梁，只起连接主梁作用，主梁、桥面板、横梁形成框架，横梁间距7~8m。对于支撑横梁，横梁是支承桥面板的主要构件，间距5m左右，横桥向也是组合构件，刚度大。钢横梁与主梁之间可采用焊接或者栓接。支点横梁对限制平行四边形变形约束最强，在设计上需加强。

四、结构体系比选分析

根据对钢板组合梁桥的调研，提出了三种中小跨径钢板组合梁桥较为常用的比选方案见图5，从结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面进行了比选分析，如表2所示。

（c）方案三：双主梁非支撑横梁方案

图5比选方案结构形式

表2比选方案

（一）结构受力

从受力性能来看，支撑横梁体系为桥面板提供了支撑，横向受力由组合断面共同承担，更加适用于大主梁间距的设计，并且需要的混凝土板厚较小。但支撑横梁体系的接缝多，钢与混凝土的连接难以达到理想设计状态，后期养护及桥面板的更换较麻烦。

相对于支撑横梁体系，非支撑横梁虽然不能提供模板的支承作用，无法对桥面板提供支持作用，需要增加板厚。但非支撑横梁连接简单，避免了与桥面板的接触与连接问题，更重要的是，非支撑横梁在横梁处的疲劳问题并不明显，施工及后期养护均有较大的优势。

（a）分块预制桥面板（b）全宽预制桥面板

图6两种桥面板施工方法

（二）施工便利性

钢板组合梁桥的施工通常采用钢梁与混凝土桥面板分步进行的方法，即先将钢梁架设就位，再施工混凝土桥面板。这种方法利用了钢梁自重较轻的特点，可以降低运输、吊装或顶推等作业对设备机具和临时设施的要求；钢梁架设完毕后再施工的桥面板可以利用钢梁作为支撑平台，进行现浇作业或预制桥面板铺设作业。钢梁的架设方法一般有吊装法和顶推法；混凝土桥面板的施工一般有现浇桥面板施工和预制桥面板施工。

从桥面板施工来看，支撑横梁体系适合分块预制的桥面板，支撑横梁正好可以作为现浇施工的模板，但分块预制桥面板在接缝处配筋连续性及水密性方面难以得到保障。对于非支撑横梁体系而言，桥面板需要配置横向预应力，使用全宽预制的桥面板可以在钢梁与桥面板结合前完成桥面板内的预应力筋张拉处理，现场施工更加简便。

（一）经济性

从经济成本，即用钢量来看，支撑横梁体系的桥面板受力主方向在纵桥向，桥面板板厚较小，主梁可以设计得更轻薄，但横梁的用钢量较大，且支撑横梁体系的构造复杂，加劲肋数量多，钢梁制造费用高；非支撑横梁体系的桥面板主受力方向在横桥向，需要较厚的桥面板，主梁板件较厚，用钢量稍大，但横梁可以做得更轻巧，且横梁构造简单，接缝较少，制造费用较低。

（二）管养维护

对于钢板组合梁的管养，其重点在于钢梁的防腐。根据相关资料，长效型防腐涂装从表面处理到涂装所有工序的成本预算为130元/m2，在未来100年的寿命周期内，贴现率按现行银行贷款年利率4.35%计算，以跨径35m，桥宽12.5m钢板组合梁桥为例，计算不同维护状态下钢主梁的管养成本在1008-1681万元区间内，而其建造费用仅为672.58万元，管养费用约为建造费用的1.5~2.5倍，桥梁在使用阶段的管养需要投入的费用、时间和精力都很高。

图7钢梁采用防腐涂装的钢板组合梁桥

钢板组合梁后期管养的难易程度和经济成本，除了与管养程度有关以外，还与钢结构涂装面积息息相关，相比而言，非支撑横梁体系钢板组合梁的横梁可以做得更轻巧，且构造简单，接缝较少，所需涂装面积也较少，因此涂装管养成本较低，管养方便。

五、结语

通过结构受力性能、施工便利性、经济性和管养维护等方面的比选可知，对中小跨径钢板组合梁桥，双主梁结构性能较好，施工方便，钢梁制造费用低，经济性更优，管养工作量较小。非支撑横梁在主梁间距较大时横向受力较不利，但对桥面板施加横向预应力后能达到较好的受力性能，且连接方便、施工快速，经济性和管养情况也更优。全宽预制桥面板受力性能好，横向预应力束可提前张拉，现场工作量少，结构整体性和水密性好，管养压力较小。综合来看，非支撑横梁体系钢板组合梁桥的结构受力性能较好，便于工业化建设，钢梁制造费用更低，经济性较高，并且后期管养更加方便，结构体系的综合性能最好。

参考文献：

[1]邵长宇.组合结构桥梁—国际发展与国内展望[A].中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、天津市建设管理委员会.第十八届全国桥梁学术会议论文集（上册）[C].中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、天津市建设管理委员会，2008：9.

[2]邵长宇.梁式组合结构桥梁[M].中国建筑工业出版社，2015.

[3]贺立新，宋雷.德国钢-混组合结构桥梁设计与施工[J].中外公路，2015，35（05）：186-189.

[4]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2004.