预应力钢—混组合梁截面设计及比选

孔祥群

摘要：预应力钢-混凝土组合连续梁桥一般采用箱型、工字形、槽型等截面梁，本文通过对比刘家窑桥改造工程、永定门城楼南广场桥梁工程两个项目的工字形和箱型截面，从技术、经济、施工等方面分析比较了不同截面预应力钢-混组合梁的优缺点，并着重给出这两种截面适用的桥梁形式。本文简单介绍了预应力钢-混凝土组合连续梁桥箱型、工字形、槽型等多种截面型式及其特点。并通过对比不同项目的截面设计，从技术、经济、施工等方面分析比较了工字形和箱型截面的优缺点，并给出其适用的桥梁形式，以期对类似的桥梁设计具有一定的借鉴作用。

关键词：预应力钢-混组合梁;截面设计;比选

前  言

混凝土桥梁虽然短期养护费用低，但自重大、工期长、盐害与性能退化问题不可回避;钢桥则存在疲劳、压屈、腐蚀、振动、噪声等问题;组合结构桥梁可以充分利用钢与混凝土两种材料的优点、弥补各自缺点，从钢桥与混凝土桥中找到结合点，使结构设计、施工、维修更趋合理。因此，在今后的桥梁建设中，这种结构形式的应用前景是非常广阔的。

一、预应力钢-混凝土组合连续梁桥截面形式简介

预应力钢-混凝土组合连续梁桥的主梁除了在跨中部分承受正弯矩外，在支点附近还要抵抗较大的负弯矩，在进行截面设计时往往要加强截面底部的受压区，因此一般采用箱型、工字形、槽型等截面梁。闭合截面组合箱梁桥主要是用混凝土桥面板承担上缘压应力。箱形截面整体性强，横向抗弯刚度大，对预施应力、运输、安装单梁的稳定性好，而且由于截面的闭合特性，抗扭刚度大，内力分布比较均匀。组合钢板梁桥是通过使用连接件把钢板梁与混凝土桥面板加以组合，抗弯刚度能够大幅度提高，减小梁高，增大跨径。工字形截面结构简单，制作和施工容易，用钢量小，其下翼缘提高了截面的稳定性，但横向抗弯刚度小，抗扭能力差，在预制、运输、吊装阶段的稳定性較差。

二、截面比较

1.主梁设计

横截面变形后仍为平面，且仍垂直于纵向面，只作相对转动。纵向面之间互无挤压，为单向拉、压状态以上就是弯曲平面假设（实际上，对纯弯曲问题，横截面保持为平面的结论可由杆件受力的对称性直接导出）

从强度方面考虑，合理的截面形状应该是截面积较小，而抗弯截面模量较大。一般情况，抗弯截面模量与截面高度的平方成正比，因此，当截面积一定时，应将较多的材料配置在远离中行轴的部位，必然会提高材料的利用率。在相同截面积的情况下，工字形截面的抗弯截面模量就要大于矩形、正方形、圆形等。而箱型断面，将孔开在了中性轴附近，也充分发挥了材料的潜力。截面的正应力和剪应力与叠合梁截面惯性矩，也就是抗弯截面模量有着很大关系，也就是说，抗弯截面模量越大，正应力越小。而工字形和箱型截面的抗弯截面模量相对于其他截面来说，都较大。因此对于受弯构件，从抗弯设计角度来说，工字形和箱型截面都有一定的优势，但工字形截面就抗弯性能来说其截面利用率高于箱型截面。

2.施工工艺

预应力钢-混组合梁施工均为在预制厂预制钢梁制作段，运输到现场后进行吊装、拼接，然后以钢梁为平台，浇筑桥面板混凝土连接成整体。这种方法利用了钢梁自重轻、承载能力强的特点，可以降低对机具设备与临时设施的要求，同时体现了快速施工的特点。下面就从钢梁加工、钢梁运输与安装、后期维护三方面分析不同截面的优缺点。

2.1 钢梁加工。焊接对钢结构的加工无疑是最重要的环节之一。如果没有相应的焊接工艺质量保证，则任何一个钢结构都难以达到设计指标。每片工字形截面梁仅有顶板、底板和一根腹板，且均外露。焊接空间充足，方便焊接操作，构件少，工作量也小，能更好的保证焊接质量。其截面简单，也便于进行喷砂除锈及喷涂防锈层处理。而且由于是开口截面，梁高没有限制。比如：刘家窑桥改造工程钢-砼组合梁最矮处仅仅高0.85米，除去桥面板，钢结构部分仅高0.58米。而箱型截面设有两根腹板，又有底板和翼板，在箱中不便于焊接操作。构件相对较多，焊接量大。尤其是在焊接箱中的内部构造，如横隔板、竖向加劲肋等的时候，焊接的空间较小，给焊接工作带来了一定困难。箱型截面底板设置纵向加劲肋，腹板亦设置竖向加劲肋，给喷砂除锈及喷涂防锈层也带来了一定的困难。

2.2 钢梁运输、安装。通常预应力钢-混组合梁的安装都是在弯矩零点（1/4）跨径处搭设临时支架以减小施工跨径，从而减小钢梁部分的施工内力。但也要考虑现场情况，进行分段。工字形截面抗扭能力差，如果跨径太大在运输和吊装过程中容易造成变形，因此应控制工字形截面梁的跨径。但单根梁自重较小，从这方面来说，又便于运输和吊装。箱形截面抗扭刚度大，便于运输和吊装，但单根梁自重较大，也从一定程度上限制了制作段划分的合理性。钢梁制作段吊装到位后，就要进行钢梁的连接了。通常是在预制厂打好孔后到现场采用高强螺栓栓接。工字形截面顶、底、腹板均外露，拴接方便，且截面尺寸小，如：刘家窑桥改造工程，单片工字梁顶板仅宽0.4米，底板0.6米，又只有一根腹板，栓接量小，能更好的保证施工精度。而箱形截面，相对截面尺寸较大，如：永定门城楼南广场桥梁工程，底板宽4.06米，每片翼板宽0.7米，又设有两根腹板，且还要到钢箱中进行操作，空间小，栓接量大，施工困难。

2.3 后期维护。建成的桥梁为保证长期正常安全使用，进行经常性的维修养护工作则是必须进行的。随着时间的推移，部分桥梁还可能会出现不能适应使用要求的加固改造问题。从桥梁的发展趋势可以看出，现在不仅要追求桥梁建设时的造价最小，而且更注重将来的维护管理甚至解体时的费用最少，即所谓的寿命期间的费用最低。工字形截面各部分均暴露于空气中，就有利于今后对其进行观测及维修，从而降低后期维护费用。而箱形截面部分在闭合空间内，很难对其进行观测，如出现问题，不利于维修。

三、结束语

中国地域广阔人口众多，未来的交通发展仍然需要修建大量的桥梁，面对各种不同的建设条件以及经验教训的总结，迫切需要提高桥梁耐久性、使用性、环保性和景观性，并降低工程造价。合理的选择桥梁结构和截面也越来越被人们所重视了。通过对预应力钢-混组合梁工字形和箱型截面对比，我们可以看出，应根据每个工程的特点合理的选择截面形式才能使设计达到最优化。

参考文献：

[1]组合结构桥梁.国际发展与国内展望.邵长宇.上海市政工程设计研究总院.

[2]组合结构桥梁.刘玉擎.人民交通出版社 2005年.

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[4]桥梁工程（公路与城市道路工程专业）.姚玲森.人民交通出版社 1985年.

[5]材料力学.郑承沛.北京工业大学出版社 1994年.