【技术分享】​公路常规跨径钢混组合梁桥钢梁构造优化的探讨

公路常规跨径钢混组合梁桥

钢梁构造优化的探讨

张海峰 刘治国

摘要：本文介绍了公路常规跨径钢混组合梁桥的特点、发展情况、钢梁的结构和构造特点；重点阐述了钢板组合梁桥和箱形组合梁桥钢梁构造细节的优化建议，达到相互交流、提升钢梁制造质量，推动钢混组合梁持续发展的目的。

关键词：钢混组合梁桥 钢梁 构造优化0公路常规跨径钢混组合梁桥及发展在常规跨径（20-90m）桥梁中,钢混组合梁桥已在世界各地广泛应用。其主要优点是：可以充分利用钢材和混凝土两种材料的优势，根据钢材抗拉性能、抗剪性能好和混凝土材料抗压性能好的特点，对结构进行合理的设计以减轻结构自重，具有在一定条件下提高跨越能力，缩减施工周期、综合效益好等显着优点。目前我国公路常规跨径桥梁中，混凝土及预应力混凝土桥梁占据绝对数量的优势,而钢混组合梁桥或钢结构桥梁应用较少，主要原因是：钢材较贵，而我国劳动力费用较低，钢结构或钢混组合结构造价高、养护费用高。近几年，在国家和交通运输部门的政策引导下，钢结构或钢混组合结构在公路常规跨径桥梁中，得到了提倡和推广，钢混组合梁桥迎来了良好的发展机遇。

在工程造价方面，钢混组合梁具备一定的竞争力。相关研究表明：对于 30 ～ 50m 的中小跨径桥梁，钢混组合梁与预应力混凝土箱梁桥造价相比，增加约1 ～ 2 倍；对于100m 左右的中大跨径桥梁，仅增加约30%。因此，较大跨径的钢混组合梁，更能体现出钢材轻质、高强的优越性和经济性。在同等设计理论、方法和当前国内施工水平的条件下，跨径40-100m、甚至更大跨径范围内，钢混组合梁可以在造价上与预应力混凝土梁相竞争，具有较大的发展空间。

1公路常规跨径钢混组合梁主要结构形式

公路常规跨径钢混组合梁的结构形式主要包括：钢板组合梁、箱形组合梁、波形钢腹板组合梁、钢桁组合梁、钢桁腹杆组合梁等。在以上钢梁类型中，钢板组合梁和箱形组合梁结构简洁，便于工厂化、标准化生产，桥位安装难度较小，具有较为明显的优势，是公路常规跨径钢混组合梁常用的结构形式。钢板组合梁实例见图1；钢箱组合梁实例见图2。

图1 钢板组合梁

图2 钢箱组合梁

1.1钢板组合梁

钢板组合梁的多片钢主梁通过横梁或横撑相互连接，并通过剪力连接件（剪力钉）与预制混凝土桥面板连接，形成整体、共同受力。

钢板组合梁由工字形钢主梁、横梁或横撑、小纵梁和挑梁等组成。主梁的纵向连接采用栓接或焊接；横梁或横撑分为实腹式构件或“K”形框架结构；小纵梁采用工形构件或热轧H型钢，纵梁与横梁采用高强螺栓连接。主梁、小纵梁的上翼缘板设置剪力钉，与预制桥面板连接形成桥面结构；“K”形框架结构、横梁与主梁采用高强螺栓或焊接连接，构造见图3。主梁和横梁的上翼缘板均设置剪力钉，与预制桥面板连接形成桥面结构，构造见图4。

图3 钢板组合梁构造1

图4 钢板组合梁构造2

1.2箱形组合梁

箱形组合梁的箱形钢主梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件（剪力钉或PBL［1］剪力键）连接形成整体、共同受力。

箱形主梁分为开口箱形（槽形梁）或闭口箱形（箱形梁）结构。开口箱结构简洁、受力明确，是箱形组合梁最常用的形式；闭口箱一般在平面曲线半径较小、抗扭要求高的情况下使用。根据桥面宽度的不同，开口箱梁可采取一个或多个钢箱梁与混凝土桥面板组合成整体。典型截面形式有单箱单室、单箱多室、多箱单室，构造示意见图5。箱形梁当桥面宽度较小时，可采用单箱室；当桥面宽度较大时，则可考虑采用单箱多室、多箱单室截面，构造示意见图6。

槽形梁之间的纵向连接一般采用栓接或焊接，箱形梁之间的纵向连接多采用焊接或栓焊结合；槽形梁的顶板上设置剪力钉，与预制混凝土桥面板之间采用现浇混凝土连接；箱形梁的顶板上设置剪力钉或PBL剪力键，安装桥面板钢筋网、现浇桥面混凝土 。

图 5 槽形梁构造

图 6 箱形梁构造

2钢梁构造优化

2.1钢板组合梁

钢板组合梁主要由钢主梁、横梁或横撑、纵梁等组成。主梁、横梁和纵梁一般为“工字形”结构，结构示意见图7。框架式横撑一般由H型钢、槽钢和连接板采用焊接或栓接，形成横向连接结构。

图7 钢板梁结构示意图

2.1.1钢板组合梁构造优化

钢板组合梁钢主梁由翼缘板、腹板、竖向加劲板、横梁连接板或横梁接头等组成，板件之间采用焊接的连接方式，主梁构造见图8。

图8 钢主梁构造图

1)工形主梁

工形主梁一般采用上、下翼缘板与腹板垂直的构造形式，见图9；也有采用下翼缘板与腹板垂直，而上翼缘板与腹板之间存在夹角，上翼缘板和桥面横坡保持一致的构造形式，见图10。

图9工形梁构造一

图10工形梁构造二

在工形梁构造二中（图10），上翼缘板设计i％的横向坡度。在横坡随线路变化时，i值是变量，上翼缘板与腹板之间的夹角，要随横坡的调整进行变化，上翼缘板要相应的进行扭转。钢梁制造时，只能采用插值法，进行匀顺过渡处理，制造精度不易控制。建议：工形梁上翼缘板不考虑i％的横坡，按上翼缘板与腹板垂直设计；横坡对上翼缘板高度的影响，通过不同厚度的橡胶垫条进行调整，垫条构造示意见图11，从而实现对桥面横坡变化的调整，避免了横坡变化对钢梁制造精度的影响，提高钢梁制造质量。

图11 垫条构造示意

2）横梁接头

在主梁上，一般设置横梁接头板，与横梁之间进行栓接连接，见图9；在主梁上设置工形横梁接头与主梁组焊，形成工形主梁构件，相邻主梁构件的横梁接头之间进行栓接连接，见图10。工形梁构造一中（见图9），横梁接头板与下翼缘板设计为磨光顶紧。由于钢梁制作过程焊接变形不可逆、喷砂除锈过程的应力释放和重分布引起变形的原因，多座桥梁类似部位磨光顶紧的实施效果不好。钢梁在焊接或喷砂除锈后，部分顶紧部位存在局部间隙（见图12），造成不同程度的返修和返工，形成的间隙也不利于钢梁的防腐。建议：横梁接头板与下翼缘板之间，优化为顶紧后焊接（可采用开坡口焊接）。既达到了顶紧传力的目的，又可以形成横梁接头板与下翼缘板接触面的密封，保证了钢梁的防腐质量和效果。

图12 横梁接头与下翼缘板局部间隙

3）横梁

实腹式横梁大多采用焊接工形构件和热轧H型钢，工形是横梁的主要结构形式，应用较广泛。工形横梁一般单件发运至桥位安装；也可将横梁作为接头组焊在主梁上和主梁一起发运（见图10）。工形横梁由钢板组焊形成，杆件几何尺寸按规范要求制作，与横梁接头匹配精度容易控制、效果好；当设计采用热轧H型钢时，现行国家标准《热轧H型钢和剖分T型钢》GB/T 11263-2010中，H型钢高度允许偏差为±2.0mm～±4.0mm（见表1），与《公路桥涵施工技术规范》JTG/F50 -2011中，横梁接头高度允许偏差±1.5mm的要求不匹配，二者之间存在拼接错台超差的可能。建议：横梁构件尽量选择焊接工形构件，可以保证构件与横梁接头几何尺寸精度的匹配；当设计选用热轧H型钢时，需要对H型钢的尺寸、外形允许偏差进行限制，可以避免出现拼接错台超差的问题。表一 热轧H型钢高度、宽度允许偏差

4）纵梁

纵梁大多采用工形构件或H型钢，纵梁下翼缘设螺栓孔群与横梁上翼缘连接为整体，连接构造见图13。由于纵梁安装时，需要与两根或两根以上横梁连接，横梁的安装精度、纵向线形和制造误差等因素，都将影响纵梁与横梁螺栓孔的连接精度，给现场安装带来不便。建议：纵梁与横梁的连接螺栓孔，优化为纵向长圆孔，圆心的间距宜为螺栓孔直径d+5mm，优化连接构造见图14。

图13 纵梁与横梁连接构造

图14 纵梁与横梁连接构造优化

2.2箱形组合梁

箱形组合梁主梁分为开口箱形（槽形梁）或闭口箱形（箱形梁）两种结构形式。多箱槽形梁主要由钢主梁和横向连接件组成，主梁腹板上设置横梁接头，横向连接件一般为“工字形”结构，二者采用栓接形成连接结构；单箱槽形梁和箱形梁都由顶板、底板、隔板和腹板组成，槽形梁为局部顶板，腹板多为斜腹板见图15。箱形梁为整体顶板，腹板多为直腹板见图16。

图15 槽形组合梁结构示意图

图16 箱形组合梁结构示意图

2.2.1槽形组合梁主梁构造优化

设计和施工制造分段时，槽形组合梁主梁接口设置在两个隔板(横肋)之间，而隔板(横肋)间距一般为1500mm～2500mm，会出现拼接口距离端隔板(横肋)较远的情况，主梁拼接口分段平面示意见图17。由于腹板厚度较薄（16mm），主梁节段拼接口处腹板横向刚度较弱，主梁制造过程中腹板平面度不易控制，甚至出现拼接口腹板局部平面度超差的现象（见图18）,返修难度很大。

图17 主梁拼接口分段平面示意图

图18 槽形梁拼接口腹板平面度超差

为了避免槽形梁拼接口出现腹板平面度超差的情况，在槽形主梁设计或施工分段时，结合隔板间距、腹板厚度等因素，隔板（横肋）距主梁节段拼接口不宜大于1000mm；当隔板（横肋）距节段拼接口过大时，宜在拼接口和隔板（横肋）之间，增设一道隔板或横肋（距离拼接口宜小于1000mm），作为主梁拼接口的加强构造，以提高腹板局部刚度，从而减小腹板局部变形。槽形梁拼接口局部加强平面示意见图19。

图19 槽形梁拼接口局部加强平面示意图

2.2.2箱形组合梁主梁构造优化

箱形组合梁主梁与一般匝道桥钢箱梁结构相似，大多为单箱多室结构。根据运输限界和钢板轧制能力，横向需进行分块、纵向需要分段。多数情况下，设计文件要求纵向分段时，梁段对接口的顶板、底板、腹板横向焊缝要错缝处理，一般错缝要求不小于200mm。箱形组合梁接口顶板、底板和腹板错缝立面示意见图20。

图20 箱形组合梁接口错缝立面图

箱形组合梁纵向分段时，梁段对接口的焊缝进行错缝设计，增加了腹板T形焊缝与对接口顶板、底板横向对接焊缝的焊缝交叉。在焊缝交叉处需进行焊接工艺的特殊处理，也是容易出质量缺陷的地方，宜尽量减少焊缝交叉的出现。目前，大型钢箱梁的纵向分段，设计没有错缝的要求，顶板、底板、腹板的横向对接焊缝在同一个断面内，可以减少焊缝交叉的出现，大型钢箱梁对接缝立面示意见图21。根据大型钢箱梁的设计和应用经验，建议：箱形组合梁主梁纵向分段时，顶板、底板、腹板的横向对接焊缝在同一个断面内，减少焊缝的交叉，有利于焊接质量的控制，保证焊缝质量。

图21大型钢箱梁梁段接口对接缝立面图

3 结束语

钢混组合梁桥在公路常规跨径桥梁中的应用日益广泛，其钢梁构造细节的设计优化和改进，对提升钢梁制造质量，推动钢混组合梁的持续发展，降低钢梁制造成本，有着积极的意义，值得探讨和进一步优化。注释：［1］PBL剪力键：新型剪力键,德文称为PerfobondLeiste(PBL)。参考文献：

1.公路桥涵施工技术规范,JTG/T F50-2011

2.热轧H型钢和剖分T型钢，GB/T 11263-2010

3.贺立新，宋雷.钢-混结合梁桥的应用，北方交通，2014年第7期

转自宝桥桥梁技术交流