钢混组合梁在城市桥梁设计中的问题与分析

周倩茹

（深圳市综合交通设计研究院，广东 深圳 518003）

1 概述

从20世纪30年代开始，发达国家关于焊接技术的发明为组合梁的应用提供了先决条件，人们开始研究如何充分发挥两种材料的特性，达到经济合理的效果。钢混组合梁桥经历了发展史上的萌芽期、研究探索期和蓬勃发展期。组合梁最早从欧洲发展起来，德国于1937年开始进行组合梁加载试验；日本于1950年就开始建设公路与铁路组合梁桥，并于1959年制定了关于公路桥的组合梁设计施工规范；紧随其后的是美国于1954年开始在伊利诺伊州进行了焊钉连接件的承载力和疲劳强度试验。但是在这个过程中组合结构桥梁的发展也遇到了很多问题与挑战，早期的钢混组合梁桥因为混凝土板产生严重裂纹和剪力键的疲劳破坏，大大降低了其承载能力和耐久性，因此在20世纪60年代末至80年代初，组合结构桥梁的建设受到很多争议，以法国为例，当时建设组合结构桥梁仅占2.5%。进入20世纪七八十年代后，法国、德国、日本等国家对组合结构的特性进行了更深入的研究：在设计方面，有允许桥面板开裂、限制混凝土裂缝宽度设计法，跨中和支点附近截面采用完全组合截面和不完全组合截面或断续组合截面的平衡设计法；在施工技术方面，发展完善了分段现浇混凝土法、预制混凝土板纵向滑移法以及组合桥面板法等。

进入20世纪八九十年代后，组合梁桥进入了蓬勃发展的时代，应用范围也得到了拓展，从简支梁桥延伸到连续梁桥、连续刚构桥、拱桥和悬索桥等。

由于我国在20世纪一直处于钢材产量低、薄卷板材紧缺，且压型钢板成型技术与配套技术未得到开发的状态，因而起步较晚。钢混组合梁真正应用于城市桥梁建设是由北京市政设计院于1993年设计的北京国贸桥，该项目的成功标志着钢混组合梁能够满足城市大跨径桥梁建设，预制装配的施工工艺缩短了施工工期，而且桥梁施工过程中免去了满堂支架，可以实现不中断交通，具有良好的经济效益和社会效益。此后，钢混组合梁广泛用于城市桥梁建设，并不断发展至今。

2 力学特性分析

在城市桥梁设计中，钢混组合梁的设计依据为换算截面法。计算过程中应保证承载能力验算合格，即控制截面在各施工阶段的最大应力满足规范要求，且在正常使用条件下，考虑滑移效应的挠跨比也满足规范要求。

桥面板一般均按全预应力混凝土或部分预应力混凝土A类构件设计，采用未开裂分析方法，因此通常根据国内最新关于组合梁规范《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01—2015）中第7.2.1条计算组合梁抗弯承载力时应采用线弹性方法进行分析，这种情况满足以下假设：

（1）结构变形符合平截面假定。

（2）钢材混凝土均作为理想弹性体。

（3）钢梁与混凝土之间连接可靠，相对滑移小。

（4）混凝土桥面板按实体面积计算，不扣除开裂部分，不考虑混凝土翼缘板中的钢筋。

（5）负弯矩区混凝土桥面板不开裂，仍参与整体结构的作用。

计算组合截面各点应力时应采用换算截面，如图1所示。

图1 换算截面示意图

首先计算换算截面特性中间值：

最终得到换算截面特性：

式中：n0为短期荷载作用下钢与混凝土的弹性模量比为钢材弹性模量；EC为混凝土弹性模量。

此外，当考虑组合梁的温度效应，混凝土收缩徐变计算可采用调整钢材与混凝土弹性模量比的方法考虑混凝土徐变的影响。超静定结构中混凝土收缩徐变引起的效应宜采用有限元方法计算：

式中：nL为长期弹性模量比；（t，t0）为加载龄期为t0，计算龄期为t时的混凝土徐变系数；ψL为根据作用（或荷载）类型确定的徐变因子。

上述力学分析方法多用于计算承载能力极限状态验算，而考虑组合梁的正常使用极限状态的变形计算时，通常应采用考虑滑移效应的折减刚度。

我国规范包括《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）等要求组合梁在验算抗弯承载力时应考虑不同的应力计算阶段，即必须考虑每个施工阶段，包括未形成组合梁时钢梁单独受力阶段和形成组合梁后联合截面的受力阶段等，按照具体工程施工过程划分。

3 城市组合梁桥的分类与特点

目前，在我国城市组合梁桥的发展与建设中，应用较多的通常有以下几种类型：组合钢板梁桥、组合钢箱梁桥、组合桁架桥、组合刚构桥、混合梁桥、组合拱桥、组合斜拉桥等（见表1）。

通过表1的对比分析，各种桥型之间均存在优缺点，对于跨径较小的城市组合梁桥，组合钢板梁及组合钢箱梁桥应用较为广泛。归纳总结，根据不同的横截面形式可以分为：工字形钢梁（组合钢板梁），一般适用于跨径不大于40 m的城市桥梁中；槽形钢梁（组合钢箱梁），适用于跨径40～80 m的较大跨径的城市桥梁，目前国内最大跨径做到了110 m。简支组合梁桥的经济跨径一般在40 m以下，而连续梁桥弯矩比相同跨径的简支梁桥小，边中跨比的合理比例在0.6～0.8。

图2为横断面为目前城市桥梁中最常用的箱梁截面形式，即闭口截面钢箱梁+混凝土桥面板的形式。这种截面形式有个缺点，即没有充分利用顶板钢板的性能，经济性较差。在设计中可以另辟蹊径，改成槽形断面，槽形断面在施工阶段，即还未形成联合截面前，截面受压应力处于最不利状态，为了能够满足自身自重和混凝土板自重的承载力要求，通过施工阶段临时墩的设置或者预制桥面板的形式，这样能够充分利用截面的性能，不浪费材料。如图3所示，将顶板钢板改成6 mm厚钢模板，有效降低了用钢量指标，提高了桥梁的经济性。需要注意的是，改进后该断面应进行施工各阶段验算，满足规范要求。

表1 组合结构桥梁的分类及特点

图2 深圳市某立交桥梁横断面（闭口钢箱梁）（单位：cm）

图3 深圳市某立交桥梁横断面（改进槽形钢箱梁）（单位：cm）

4 设计存在的问题及策略分析

4.1 剪力连接件的有效性

目前所有的钢混组合梁的计算理论都是基于剪力连接件有效的基础上，规范关于考虑滑移效应一般是采用折减刚度的概念。采用上文提到的换算截面计算出来的组合梁变形跟实际情况相比偏小，因此在城市桥梁的设计中应根据国内外各学者的研究。受到认可的连接件形式主要有焊钉连接件、开孔板连接件及型钢连接件这三种。而实际工程中应用最为广泛的为焊钉连接件，在设计中如何将焊钉连接件的作用发挥到最大，如何减小滑移效应、防止桥面板掀起等，应结合研究结果并考虑施工的便利性做出合理的设计。如采用集束式焊钉连接形式，可以缩短施工工期，与均布式相比，可以更好地发挥整体受力性能。又如，美国AASHTO规范中关于单个焊钉的疲劳抗剪承载力计算公式中，明确表示了单个焊钉能够承受的最大剪力幅与焊钉直径成正比，因此在合理的范围内适当加大焊钉直径也是一种抗疲劳设计的有效途径。

4.2 组合梁的横向分布系数

计算桥梁横向分布系数的主要方法有杠杆原理法、铰接板法、刚性横梁法、修正刚性横梁法等。在相关研究文献中，可以借鉴的是，在分析组合梁的单片梁受力特性时，利用修正后的偏心压力法低估了荷载在组合梁横向的传递能力，实际设计中是偏安全的。因此在具体设计中，利用横向分布系数验算单片梁的受力特性时，可以分边梁与中梁分别进行考虑，此时可以对边、中梁的截面特性进行修正。实践表明，这种计算方法与用有限元软件MIDAS计算整体模型时的结果相近，是一种可取的工程简化计算方法，可用于验证结果的合理性。

4.3 材料的自身局限性问题

传统意义上的组合梁，无非就是混凝土材料与钢材，材料力学特性尚有突破的空间，若研发出新型材料能够取代混凝土或者钢材，比如碳纤维的研究等，可以增大跨径，又有较好的抗疲劳性能，同时又能在具体工程施工中实现，那么这对组合梁桥的进一步发展将带来革命性的影响。

4.4 新型截面形式的引入

应用较为广泛的组合梁截面形式大多是，混凝土作为截面上部，钢材作为截面下部，这种截面形式在连续梁负弯矩区应用中具有很大的局限性，实际设计中都是靠预应力钢束的作用来抵消负弯矩。因此改进截面形式是一个值得研究的课题。根据相关文献记载，冷弯U形钢混组合梁和新型钢-闭口压型钢板混凝土组合梁是现阶段研究较多的截面类型，具有较高的工程应用价值，代表了未来组合梁的发展方向。

4.5 组合梁设计与城市景观相契合

近年来，越来越多的城市重视对桥梁的景观设计，组合梁作为一种“性价比”较高的形式被广为推崇，然而组合梁的设计亦应结合城市整体景观定位。一般来说，组合桥的梁高相较于传统混凝土梁有较大的优化，得到了一定程度的降低，轻盈的梁体也赋予了结构灵动的特性；此外，梁体设计应结合防撞护栏、花槽、排水设施、灯座等进行专题设计，如设计具有较强通透感的钢结构梁柱式防撞护栏，混凝土翼缘端部设计花槽横断面，搭配爬藤类及花期较长的绿植，整体景观协调一致。排水管及泄水管采用从钢箱内部布管的隐蔽设计，并埋入桥墩内部，并在桥墩底部或墩顶部设置疏通导管，满足结构耐久性设计要求。

5 结语

随着我国“十三五”规划的进一步推进，组合梁的建设在城市桥梁中的地位将进一步得到提高，同时对工程设计从业人员的要求也越来越高，如何在现有的项目经验和成果上总结并不断更新设计理念是每个桥梁设计者需要思考的问题。组合梁的设计不能采用千篇一律的设计方法，也不能完全不考虑以往的设计施工经验。总而言之，应该在充分考虑桥梁本身定位的基础上尽可能选择适合的截面和连接形式，与时俱进地加入景观的一体化设计理念，才能设计出精品工程。