北方地区公路钢—混组合钢板梁桥设计要点及技术对策

秦 飞

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

组合结构桥梁以其受力的合理性和造价的经济性而在欧美、日本等发达国家的桥梁建设中占有重要地位。而近年来在交通部“推进钢结构桥梁建设”和“绿色公路”等理念的指导下，组合结构桥梁也在国内公路建设中得到了积极的推广与应用。而北方地区受低温严寒、冰雪冻融以及冬季除雪等建设条件的影响，组合钢板梁桥的设计中也存在着诸多问题亟待解决。

1 结构形式选择

组合钢板梁桥一般可根据主梁数量，划分为双主梁和多主梁两种结构形式。而在桥梁方案设计阶段，应充分结合项目的具体建设条件，综合考虑各方面因素，并以结构性能优越、加工架设便捷、综合造价经济为基本原则，科学、合理地选择组合钢板梁桥的结构形式。

图1 钢板组合梁桥结构形式

双主梁方案是组合钢板梁桥应用最为广泛的结构形式。与传统组合钢板梁桥相比，双主梁方案在大量理论与试验研究的基础上，对结构体系与构造进行了大幅的简化，具有构造简洁、制造方便、经济耐久等诸多优点。因此在无特殊建设条件限制的情况下，对于中等跨径、三车道以下的公路组合钢板梁桥可优先采用双主梁方案。而受桥面板横向跨径的影响，当桥宽较小时(B<12.5m)，建议采用桥面板施工较为便捷的小横梁结构；而当桥宽较大时(B>12.5m)，为减小桥面板横向受力，降低桥梁荷载，则建议选择大横梁结构。

组合梁的桥面板自重所占的荷载比例较高，且后浇施工又使其仅能部分参与受力，考虑到组合梁桥这一受力特点，在以下建设条件限制下，建议优先选用组合钢板梁的多主梁方案。

(1)北方地区冬季低温严寒的气候环境特点显著增加了钢结构脆性断裂的风险，而双主梁方案传力途径单一、结构体系冗余度偏低且强健性不足的先天缺陷又更加突显了这一问题的严重性。而多主梁方案可通过荷载的多路径传递，有效地减小钢结构脆性断裂所产生的严重后果。因此对于重载交通比例高的干线公路桥梁，多主梁方案具有更好的结构安全性。

(2)当桥梁跨径较小时(L≤20m)，双主梁方案往往需要加大钢梁高度来满足受力要求，因此结构的建筑高度较大。而多主梁方案可以通过增设主梁来降低结构的建筑高度，并进一步采用热轧型钢来替代焊接钢梁，使结构的构造更为简洁，加工制造更为方便。因此对于小跨径桥梁，多主梁方案具有更好的适应性。

(3)当桥面宽度较宽(B>16.5m)，设计车道数多于三车道后，双主梁方案往往需要加厚桥面板来抵抗其横向弯曲受力，从而大幅增加了组合梁的结构受力与钢材用量，降低了其经济性。因此对于宽幅桥梁，多主梁方案具有更好的经济性。

2 钢梁防疲劳、防脆断设计

疲劳与脆性断裂问题是钢结构的主要缺点之一，而北方地区低温严寒的气候环境与桥梁的动载效应又进一步加重了这一问题的影响，因此北方地区组合钢板梁桥的设计中，应对钢结构的疲劳、脆断问题予以充分的重视。

2.1 钢材选用

为防止组合梁桥出现疲劳、脆断破坏，首先应选用有足够韧性的钢材。按我国现行规范要求，公路钢桥对于钢材的冲击韧性要求如表1中所示。

表1 钢材冲击韧性要求

而由表2可知，目前我国所生产的低合金高强度结构钢与桥梁用结构钢均能较好地满足公路钢桥对于钢材的冲击韧性要求。但当桥梁处于极端低温(低于-40℃)的工作环境下时，建议可优先选用具有更好冲击韧性的桥梁用结构钢，以进一步降低钢梁的疲劳、脆断的风险。

表2 低合金高强度结构钢与桥梁用结构钢冲击韧性要求

2.2 板厚及拉应力控制

除受到工作温度与荷载性质的影响之外，钢板的厚度以及应力状态也显著地影响着钢结构的抗疲劳、脆断性能。因此在组合钢板梁桥设计中，应进一步对钢板厚度及使用拉应力进行相应的限制与要求。

我国现行的铁路钢桥规范已在考虑最低设计温度的同时，进一步结合焊接方式给出了受拉焊接构件的板件最大厚度及相应拉应力要求。但由于铁路桥梁的动力效应相比于公路桥梁更为突出，因此相应的要求也十分严格。如针对常用的Q345D牌号钢材，在0～-40℃的工作温度下，当结构顺应力及垂直应力方向均有焊缝时，按现行铁路规范要求，钢结构的最大使用板厚仅为35mm，而对应的最大允许设计拉应力也仅为135MPa。因此如教条地遵循铁路规范，而不考虑公路桥梁的实际情况，在组合钢板梁桥设计中将不得不通过加大钢梁高度、降低设计拉应力来满足要求，这又将显著地降低组合钢板梁桥的适用性与经济性。

随着近年来国标钢材的国际化的推进，建议北方地区组合钢板梁桥的设计中，可适当参照表3中欧洲钢结构规范中对最大允许使用板厚的相关要求，进一步优化、完善低温严寒环境下的钢梁防疲劳、脆断设计。

表3 欧洲钢结构规范最大允许使用板厚(mm)

注：括号内为对应的国标钢牌号

2.3 构造细节设计

残余应力与应力集中是钢结构疲劳、脆断破坏的另一主要诱因。公路组合梁桥设计中应力求通过合理的结构构造，进而有效地降低钢结构中残余应力与应力集中水平，提升钢结构的抗疲劳、脆断性能。

钢结构的残余应力主要是由钢板焊接所产生，因此在公路钢混组合钢板梁桥设计中，为尽量减小残余应力，应尽量采用大尺寸规格的钢板材，以减少拼接焊缝的数量，并在降低焊缝尺寸的同时，避免焊缝过分集中及多条焊缝交汇。同时，在组合钢板梁桥现场节段焊接连接时，应尽量选择在结构受力较小的部位，而当不可避免地需在结构受力较大部位进行连接时，如墩顶位置附近，就应尽量采用高强螺栓来替代焊接连接。

此外在同等加工制造难度下，钢结构在板件正交拼接时宜尽可能地设置一定的构造倒角，以减小节点的应力集中。如在墩顶支承横梁与主梁翼缘连接处，墩顶桥面板开裂与冬季喷洒除冰盐的共同作用使得该处连接处于严重的腐蚀环境之下，但由于桥面板的存在，此处连接不但难以检查，且破坏的后果十分严重，因此该处连接应采用熔透焊缝，并尽量设置圆弧倒角，以使应力平顺过渡，从而获得更好的受力性能。

图2 墩顶附近高强螺栓连接

图3 主梁与大横梁上翼缘圆弧倒角过渡

3 混凝土桥面板耐久性设计

桥面板不但直接承受交通荷载，且位于组合钢板梁桥最顶层，直接暴露在恶劣的工作环境之下。因此，尽量减小冰雪冻融与除冰盐对桥面板的侵蚀作用，提高桥面板的耐久性能，一直是北方地区组合梁桥设计的核心目标。

3.1 桥面板抗裂设计

裂缝是混凝土性能退化、钢筋锈蚀的主要原因之一，而桥面板纵向拉应力大小及开裂风险又与桥梁跨径直接相关，所以不同跨径组合钢板梁桥所对应的抗裂设计方法也是不同的。

对于数量众多、标准化程度较高的中小跨径桥梁来讲，合理、良好的桥面板抗裂设计应在确保结构耐久性的同时，进一步充分考虑桥梁的工业化建设要求。因此中小跨径组合钢板梁桥应优先从结构设计角度来解决桥面板的抗裂问题，而尽量避免采用支点升降、桥面板分期分段浇注等施工措施。当桥梁跨径小于20m时，可优先采用结构简支、桥面连续的结构体系，从而有效规避桥面板的开裂；而当桥梁跨径处于30～45m范围时，虽然配置预应力钢束预防开裂和采用高配筋限制裂缝宽度的技术对策均是可行、有效的，但鉴于桥面板高配筋设计配合预制施工能更好地实现桥梁的标准化、工业化建设，因此当项目工程规模较大时建议予以优先采用。

对于数量较少、标准化程度较低的大跨径组合梁桥，其负弯矩区桥面板内拉应力较大，因此单独采用一种工程技术措施不但将加大桥面板抗裂设计的难度，也会显著地影响设计方案的经济性。如仅采用高配筋的抗裂设计方法，经常会导致过大的配筋需求，从而通过采用适当的钢筋直径与数量来有效控制裂缝宽度。所以大跨径组合桥梁的桥面板抗裂设计，应对配置预应力、采用高配筋以及调整支点高度、桥面板分期分段浇注等设计、施工措施进行综合利用，从而达到受力性能优越、综合造价经济的目标。

3.2 桥面板可更换设计

目前组合梁桥通常采用先架设钢梁后结合混凝土桥面板的施工工艺，即在施工期钢梁就需要独自承受自身及桥面板自重，由于组合梁桥的这一受力特点，建议可将组合梁桥面板设计为可更换构件，进而保证其全寿命周期内的安全性与耐久性。

考虑到运营期桥面板实际破损情况的不可预见性，在进行桥面板更换设计时，应分别给出局部更换与整体更换两种更换方案。对于桥面板局部更换方案，由于同一截面内桥面板全部更换对组合梁截面的削弱较大，因此建议同一截面内的桥面板在横向分期分段进行更换，以尽量降低桥面板更换对组合梁桥局部钢梁受力的影响。而对于桥面板整体更换方案，则应重点考量桥面板纵向更换顺序对于组合梁桥整体结构安全性的影响，而组合梁在跨中及支点等位置受力最大，维修更换时必然导致钢梁应力的显著增加，因此一般来讲，建议从梁体受力较小的反弯点附近开始更换，并逐步更换至梁体受力最大的跨中及支点位置。见图4。

图4 钢板组合梁桥面板可更换设计

3.3 桥面板附加耐久性措施

在设计中，应用一些附加措施也可显著地提高组合梁桥面板的耐久性，如使用多级复合桥面防水体系、采用高性能混凝土以及应用环氧涂层钢筋等。而在北方地区，为避免桥面板结构直接遭受环境侵蚀，最普遍采用的附加耐久性措施是在桥面板顶面增设混凝土铺装层，但当前设计中仅将混凝土铺装层作为结构耐久性的安全储备，因此这一附加耐久性措施的设计理念仍有待进一步改进与完善。一方面，由于混凝土铺装层的防护，桥面板结构避免了直接遭受冰雪冻融与除冰盐等环境的侵蚀作用，因此在设计中，可适当降低桥面板的环境腐蚀等级，并相应放宽其结构的抗裂要求。另一方面，混凝土铺装层作为桥梁的附属结构，在桥梁设计使用年限内是允许进行铣刨、重铺的，所以在设计中应尽量减小混凝土铺装层的厚度，以降低组合钢板梁桥的荷载作用，从而在保证结构耐久性的同时，进一步有效地提高组合钢板梁桥的经济性。

4 结语

结合我国北方地区的建设条件，从结构形式选择、钢梁防疲劳、脆断设计及桥面板耐久性设计三个角度出发，分析、总结了北方地区公路组合钢板梁桥的设计要点及所建议采取的技术对策，以期为桥梁设计人员提供一些有益的借鉴与参考。