我国钢-混凝土组合桥梁的创新实践

苏立超，周印霄，刘小宇

邢台路桥建设总公司

导语：在基础建设政策和钢材产能、品质不断提高的带动下，我国的钢-混凝土组合桥梁得到了空前发展，本文对钢-混凝土组合桥梁中小跨径、大跨径等结构的发展方向及部分案例作简要介绍，希望可以为我国桥梁建设的革新带来启发和借鉴。

我国钢-混凝土组合桥梁的创新实践

苏立超，周印霄，刘小宇

邢台路桥建设总公司

随着我国桥梁建设的跨越式发展，钢-混凝土组合结构因其良好的受力特性、轻盈的桥型结构和跨越能力得到了推广和发展，各种类型的组合结构不断涌现，丰富着我国桥梁建设的内容；而随着我国钢材产能过剩、钢材品质的不断提高，组合桥梁方面的创新、应用和发展已刻不容缓。

本文结合笔者在钢-混凝土组合结构方面的研发经验，从中小跨径、大跨径等方面阐述组合结构的发展方向并对部分案例作简要介绍。

钢桁腹组合梁

钢桁腹预应力混凝土组合梁桥是一种新型组合结构桥梁，它用钢腹杆代替混凝土腹板，形成由混凝土顶、底板和钢腹杆共同受力的结构体系。采用该结构能有效减轻腹板重量，提高桥梁结构的跨越能力，降低工程造价；钢腹杆布置灵活，可兼顾美观和经济；能减少风力作用，通透性好，适用于中等或大跨径桥梁结构，也可利用其结构优势建造双层桥面。图1中的南京绕城高速江山车行天桥和图2中的深圳大学1号桥均采用了钢桁腹组合梁。

装配式组合钢箱梁

装配式组合钢箱梁采用了耐候钢、波形钢腹板、聚合物混凝土、钢-混凝土界面连接胶等新材料组合成双钢箱闭合截面，配合预应力技术使承载能力更大、桥梁结构更为轻盈。耐候钢的应用解决了传统钢结构的防腐涂装问题，钢-混凝土界面连接胶解决了钢桥桥面铺装的破坏问题，波形钢腹板提高了结构的屈曲稳定性，减薄了钢材厚度提高了桥梁承载力，实现了复杂桥梁结构的自动化生产。装配式组合钢箱梁的安装如图3所示，其自重的减轻对起吊能力的要求有所降低。图4为装配式组合钢箱梁在京港澳高速保定互通小半径曲线桥中的应用，其桥墩、盖梁、主梁全部实现了工厂化生产和装配化施工。

图1 南京绕城高速江山车行天桥

图2 深圳大学1号桥

图3 装配式钢箱梁的安装

图4 装配式组合钢箱梁在曲线桥的应用

波形钢腹板组合梁

该组合结构采用波形钢腹板代替了传统的钢筋混凝土腹板，由混凝土顶板、波形钢腹板、混凝土底板组合成箱型结构。它最大的特点是，引入波形钢腹板后从根本上解决了混凝土腹板开裂问题，施工便捷快速，同时波形钢腹板的褶皱效应使预应力效率得到了提高。鉴于波形钢腹板目前在国内的应用很多，本文重点对国内在波形钢腹板的结构创新及施工方法作简单介绍。

装配式波形钢腹板组合梁

(1)波形钢腹板工字组合梁

有别于传统的钢筋混凝土T梁，该结构采用波形钢板代替混凝土腹板，浇筑钢筋混凝土顶板和底板，形成波形钢腹板工字组合梁，吊装至桥位后现场挂模施工形成箱梁。工厂预制波形钢腹板预应力混凝土工字组合梁如图5所示，运输安装于桥梁墩台盖梁上。将纵、横桥向相邻工字梁构件单元通过现浇混凝土连接形成多跨连续梁，典型案例为内邓高速张庄分离立交桥，如图6所示。该方法的优点是：工厂化、标准化预制有利于梁体的质量控制，需现场浇注的混凝土量较小，施工期间桥下道路不断行，工期短，造价低，将复杂的箱型截面化整为零，更利于部品件的运输。随着我国钢材产能过剩、钢材品质的不断提高，组合桥梁方面的创新、应用和发展已刻不容缓。

(2)波形钢腹板预应力混凝土小箱梁

装配式波形钢腹板PC小箱梁和预应力钢筋混凝土小箱梁的不同之处就是：将原来的钢筋混凝土腹板由波形钢腹板代替，在加工厂加工制作波形钢腹板及抗剪连接件；在混凝土预制场预制混凝土顶、底板以及隔板，施工体外预应力后架设至现场，吊模施工铰缝和湿接头，完成体系转换。图7为光山县泼河桥波形钢腹板预应力混凝土小箱梁，采用架桥机架梁；图8为泼河桥小箱梁成桥后的效果，这是国内第一座采用装配式施工的波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥。

满堂支架法

满堂支架法又称就地现浇法，该方法在桥梁工程施工中较为常见，在国内波形钢腹板PC组合箱梁桥施工中的应用案例也较多，较预应力钢筋混凝土箱梁桥施工更为简便，工艺流程为：地基处理、支架搭设、支架预压、底板安装、底板钢筋安装、波形钢腹板安装、贯穿钢筋及主梁钢筋安装、浇注内衬及底板混凝土、顶板模板安装、顶板钢筋安装、浇注顶板混凝土、体外预应力张拉压浆、拆除支架等。其常见跨径在40^65 m。

国内首座单箱七室波形钢腹板变截面连续梁桥为邢台市邢州路桥。图9为郑州市南三环东延波形钢腹板变截面连续梁桥的波形钢腹板定位现场；图10为西昌天王山大道跨海河桥成桥效果。它们均采用满堂支架法施工。

图5 波形钢腹板工字组合梁

图7 光山县泼河桥波形钢腹板小箱梁安装

图6 内邓高速张庄分离立交桥

图8 光山县泼河桥成桥

图9 郑州南三环东延波形钢腹板定位

图10 西昌市天王山大道跨海河桥

无支架施工法

无支架施工法就是利用波形钢腹板作为承重导梁，先将波形钢腹板安装贯通，局部加固形成空间框架承重体系，而后挂模施工混凝土底板、顶板，也可采用预制混凝土顶、底板，在抗剪连接件处现浇混凝土湿接缝，形成整桥结构。广州鱼窝头匝道桥在国内率先采用波形钢腹板作为支撑结构进行施工，仅在跨中处设置了一组钢管支架，如图11所示；图12为该桥应用于半径R=110 m圆曲线上的成桥效果，开创了国内波形钢腹板组合梁在小半径桥梁中应用的先河。

顶推施工法

钢-混凝土组合桥梁自重减轻，跨度增大，在顶推施工中应用范围较广。在常庄水库桥中首次采用了顶推施工法进行波形钢腹板PC组合箱梁桥的建设。顶推施工的原理是：在桥台或桥墩后方搭建预制平台，在预制平台上将波形钢腹板主梁按照结构形式进行分段浇筑；在混凝土强度达到要求后张拉前期预应力束，然后与前一段梁用预应力进行连接；最后依靠顶推装备和滑动装置将箱梁沿桥纵轴方向顶进成桥。图13为常庄水库波形钢腹板顶推施工现场，图14为顶推施工完成后的常庄水库大桥。SCC挂篮根据功能要求主要分为主桁架、上横梁、下横梁、桁车行走系统、锚固系统、底板承重系统、菱形桁架等。

图11 广州鱼窝头匝道桥少支架施工

图12 鱼窝头匝道桥成桥

图13 常庄水库大桥波形钢腹板顶推施工

图14 常庄水库大桥

悬臂浇筑法

悬臂浇筑法是目前大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥施工中的常见工法，采用经特殊设计的挂篮逐段浇筑的方法进行波形钢腹板PC组合箱梁桥施工。波形钢腹板悬臂浇筑较传统的预应力钢筋混凝土梁桥优势突出，节段长度为4.8 m，有效减少全桥节段，省去了腹板钢筋、支模、预应力施工等工序，操作更为简便、快捷。挂篮设计中应充分考虑波形钢腹板纵向运输、横向就位等功能要求。图15为邢衡高速南水北调大桥钢腹板组合梁悬浇施工，该桥采用了挂篮悬浇的施工工艺，挂篮在设计中综合考虑了波形钢腹板运输、安装等功能。图16为邢衡高速南水北调大桥的成桥效果，该桥的设计和施工为完善我国大跨径波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥施工、抗剪连接件以及内衬混凝土设计积累了丰富的经验。

SCC工法

图15 邢衡高速南水北调大桥波形钢腹板组合梁悬浇

图16 邢衡高速南水北调大桥

SCC工法是以波形钢腹板作为可承重结构的导梁，在大跨径施工中省去了常规的挂篮配置，波形钢腹板工字钢梁本身具有较强的抗剪强度和抗弯性能，通过横向联系形成稳定的框架结构，承担节段施工中的钢筋、预应力钢束、混凝土等恒载以及施工活荷载。SCC挂篮根据功能要求主要分为主桁架、上横梁、下横梁、桁车行走系统、锚固系统、底板承重系统、菱形桁架等，该工法对挂篮设计的安全提出了更高要求。图17为四川头道河大桥SCC挂篮施工现场。图18为山西运宝黄河大桥SCC悬浇施工现场。

移动模架法

移动模架法是在原位将波形钢腹板预应力混凝土组合梁分节段预制，待混凝土强度达到设计要求，张拉预应力，拆除或移动前置模架，进入下一节段施工。该工法适用于地势平坦、地基稳定且行车干扰少的施工场所，目前国内已进行了波形钢腹板组合梁桥移动模架法施工的方案设计。

悬臂拼装法

图17 叙古高速头道河大桥SCC挂篮

图18 运宝黄河大桥SCC悬浇施工

悬臂拼装工艺是现阶段可供桥梁设计者考虑的工艺，由于波形钢腹板PC组合箱梁桥具有节段长、自重大、安装便利等有利于悬臂拼装的优势，因此该技术在预应力钢筋混凝土梁桥中应用较为广泛，但波形钢腹板PC组合梁桥中尚无应用，在我国西北、东北有效施工工期短的地区可开展相应的技术研究，对于加快施工进度、降低跨年度工程施工或冬季施工造成的桥梁病害意义重大。

波形钢腹板-钢管混凝土组合梁

波形钢腹板-钢管混凝土是一种新型的组合结构，主要由混凝土顶板、钢管混凝土下弦杆、带抗剪连接件的波形钢腹板三部分组成，它整合了钢管混凝土、波形钢腹板的优点，在结构自重、承载能力、桥型美观性、施工便捷性等方面都是一种突破。这种结构的难点在于波形钢腹板-钢管混凝土制造中的号料和空间曲面焊接问题(图19)。如在大跨径中采用钢管拱-波形钢腹板组合结构，其跨越能力、结构美观更为突出，但制造难度也随之增加，图20为京港澳高速柏乡服务区人行桥。

H型波形钢梁-GRFP桥面板组合梁

图19 波形钢腹板-钢管混凝土制造

H型波形钢梁-GFRP组合桥面板结构的最大特点是：主梁采用H型波形钢梁，桥面板采用GFRP桥面板，全部实现了装配化施工。H型波形钢梁由钢制上下翼板、波形钢腹板通过焊接组成工字形截面，上翼缘板设置连接件与GFRP桥面板组成桥面体系。图21为采用起重机安装加工成H型的波形钢梁。GFRP具有较好的力学性能，以及抗疲劳、耐老化、轻盈、型材加工简单等特征。图22为国内第一座H型波形钢梁-GFRP桥面板桥——大广高速6号桥。H型波形钢梁-GFRP组合桥面的板结构最大特点是主梁采用H型波形钢梁，桥面板采用GFRP桥面板，全部实现了装配化施工。

图20 京港澳高速柏乡服务区人行桥

钢箱组合梁

采用半闭合钢板箱形梁配合钢筋混凝土桥面板，形成闭合的箱梁结构，也称槽型组合梁。底板、腹板、翼缘板以及各种加劲肋采用钢结构，顶板采用预制或现浇钢筋混凝土结构。该结构适用于简支结构、连续结构或配合钢管拱桥作主拱肋，也可在特大跨径的斜拉桥或悬索桥中用作主梁结构。图23为钢箱组合梁在工厂进行预拼装，图24采用钢箱组合梁的邢衡高速沙窝沟北支大桥。

钢板组合梁

图21 H型波形钢梁安装

钢板组合梁是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。它是由外露的工字型钢与钢筋混凝土顶板通过剪力键链接形成的一种组合结构。这种结构充分利用了钢材和混凝土各自的材料性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快捷方便等特点；其缺点是在小半径曲线或斜交桥梁中应用受限。工字钢板组合梁的主梁在工厂加工制作，分段运输至安装现场，顶板可采用挂模现浇法，也可以采用预制桥面板，通过在预制的桥面板设现浇湿接缝形成整体桥面板。图25为曲港高速主线桥钢板组合梁安装，图26为曲港高速主线桥钢板组合梁安装后的效果。

图22 大广高速6号桥

图23 钢箱组合梁预拼装

图24 邢衡高速沙窝沟北支大桥

钢桁组合梁

钢桁组合梁的主要受力构件采用钢管或型钢。主梁由上弦杆、下弦杆、腹杆、抗剪连接件和混凝土桥面板组成。钢桁组合梁根据结构形式可分为平面桁架和空间桁架两大类，其在大跨径桥梁中应用有着良好的技术和经济优势。雅西高速干海子大桥(图27)采用了44.5 m、62.5 m钢管混凝土桁，且在国内首次采用钢管混凝土格构墩、组合桥墩等；广佛肇高速公路青岐涌特大桥(图28)采用了41 m+70 m+41 m装配式钢桁-混凝土组合梁。

图25 曲港高速主线钢板组合梁安装

图26 曲港高速公路主线桥

图27 雅西高速干海子大桥

图28 广佛肇高速青岐涌特大桥

结语

随着我国国民经济的发展和综合实力的提高，钢-混凝土组合桥梁在结构受力、全寿命经济分析、低碳环保等领域的突出优势逐渐为行业主管部门所青睐。国家大力倡导化解产能过剩的相关政策发布后，钢结构桥梁和钢-混凝土桥梁的发展将迎来前所未有的机遇，桥梁工程师要将技术创新放在空前高度，在先进材料的应用以及桥梁结构设计、制造、施工、养护等方面进行系统性创新、跨学科研究。在国家和行业层面上，要加强钢结构专业人才的培养、规范的制定、钢结构智能化设备的研发以及后期维护专项技术的研究，从而更好地推进我国钢结构桥梁事业的发展。