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公路常規(guī)跨徑鋼混組合梁橋 鋼梁構(gòu)造優(yōu)化的探討 張海峰 劉治國 摘要：本文介紹了公路常規(guī)跨徑鋼混組合梁橋的特點(diǎn)、發(fā)展情況、鋼梁的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)；重點(diǎn)闡述了鋼板組合梁橋和箱形組合梁橋鋼梁構(gòu)造細(xì)節(jié)的優(yōu)化建議，達(dá)到相互交流、提升鋼梁制造質(zhì)量，推動(dòng)鋼混組合梁持續(xù)發(fā)展的目的。 關(guān)鍵詞：鋼混組合梁橋 鋼梁 構(gòu)造優(yōu)化0 公路常規(guī)跨徑鋼混組合梁橋及發(fā)展在常規(guī)跨徑（20-90m）橋梁中,鋼混組合梁橋已在世界各地廣泛應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)是：可以充分利用鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)勢，根據(jù)鋼材抗拉性能、抗剪性能好和混凝土材料抗壓性能好的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以減輕結(jié)構(gòu)自重，具有在一定條件下提高跨越能力，縮減施工周期、綜合效益好等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前我國公路常規(guī)跨徑橋梁中，混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁占據(jù)絕對(duì)數(shù)量的優(yōu)勢,而鋼混組合梁橋或鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用較少，主要原因是：鋼材較貴，而我國勞動(dòng)力費(fèi)用較低，鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)造價(jià)高、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高。近幾年，在國家和交通運(yùn)輸部門的政策引導(dǎo)下，鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)在公路常規(guī)跨徑橋梁中，得到了提倡和推廣，鋼混組合梁橋迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇。 在工程造價(jià)方面，鋼混組合梁具備一定的競爭力。相關(guān)研究表明：對(duì)于 30 ～ 50m 的中小跨徑橋梁，鋼混組合梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋造價(jià)相比，增加約1 ～ 2 倍；對(duì)于100m 左右的中大跨徑橋梁，僅增加約30%。因此，較大跨徑的鋼混組合梁，更能體現(xiàn)出鋼材輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性。在同等設(shè)計(jì)理論、方法和當(dāng)前國內(nèi)施工水平的條件下，跨徑40-100m、甚至更大跨徑范圍內(nèi)，鋼混組合梁可以在造價(jià)上與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相競爭，具有較大的發(fā)展空間。1 公路常規(guī)跨徑鋼混組合梁主要結(jié)構(gòu)形式 公路常規(guī)跨徑鋼混組合梁的結(jié)構(gòu)形式主要包括：鋼板組合梁、箱形組合梁、波形鋼腹板組合梁、鋼桁組合梁、鋼桁腹桿組合梁等。在以上鋼梁類型中，鋼板組合梁和箱形組合梁結(jié)構(gòu)簡潔，便于工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，橋位安裝難度較小，具有較為明顯的優(yōu)勢，是公路常規(guī)跨徑鋼混組合梁常用的結(jié)構(gòu)形式。鋼板組合梁實(shí)例見圖1；鋼箱組合梁實(shí)例見圖2。
圖1 鋼板組合梁 
圖2 鋼箱組合梁 1.1鋼板組合梁鋼板組合梁的多片鋼主梁通過橫梁或橫撐相互連接，并通過剪力連接件（剪力釘）與預(yù)制混凝土橋面板連接，形成整體、共同受力。 鋼板組合梁由工字形鋼主梁、橫梁或橫撐、小縱梁和挑梁等組成。主梁的縱向連接采用栓接或焊接；橫梁或橫撐分為實(shí)腹式構(gòu)件或“K”形框架結(jié)構(gòu)；小縱梁采用工形構(gòu)件或熱軋H型鋼，縱梁與橫梁采用高強(qiáng)螺栓連接。主梁、小縱梁的上翼緣板設(shè)置剪力釘，與預(yù)制橋面板連接形成橋面結(jié)構(gòu)；“K”形框架結(jié)構(gòu)、橫梁與主梁采用高強(qiáng)螺栓或焊接連接，構(gòu)造見圖3。主梁和橫梁的上翼緣板均設(shè)置剪力釘，與預(yù)制橋面板連接形成橋面結(jié)構(gòu)，構(gòu)造見圖4。 
圖3 鋼板組合梁構(gòu)造1 
圖4 鋼板組合梁構(gòu)造2 1.2箱形組合梁箱形組合梁的箱形鋼主梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件（剪力釘或PBL［1］剪力鍵）連接形成整體、共同受力。 箱形主梁分為開口箱形（槽形梁）或閉口箱形（箱形梁）結(jié)構(gòu)。開口箱結(jié)構(gòu)簡潔、受力明確，是箱形組合梁最常用的形式；閉口箱一般在平面曲線半徑較小、抗扭要求高的情況下使用。根據(jù)橋面寬度的不同，開口箱梁可采取一個(gè)或多個(gè)鋼箱梁與混凝土橋面板組合成整體。典型截面形式有單箱單室、單箱多室、多箱單室，構(gòu)造示意見圖5。箱形梁當(dāng)橋面寬度較小時(shí)，可采用單箱室；當(dāng)橋面寬度較大時(shí)，則可考慮采用單箱多室、多箱單室截面，構(gòu)造示意見圖6。 槽形梁之間的縱向連接一般采用栓接或焊接，箱形梁之間的縱向連接多采用焊接或栓焊結(jié)合；槽形梁的頂板上設(shè)置剪力釘，與預(yù)制混凝土橋面板之間采用現(xiàn)澆混凝土連接；箱形梁的頂板上設(shè)置剪力釘或PBL剪力鍵，安裝橋面板鋼筋網(wǎng)、現(xiàn)澆橋面混凝土 。 
圖 5 槽形梁構(gòu)造 
圖 6 箱形梁構(gòu)造 2 鋼梁構(gòu)造優(yōu)化 2.1鋼板組合梁鋼板組合梁主要由鋼主梁、橫梁或橫撐、縱梁等組成。主梁、橫梁和縱梁一般為“工字形”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意見圖7?？蚣苁綑M撐一般由H型鋼、槽鋼和連接板采用焊接或栓接，形成橫向連接結(jié)構(gòu)。
圖7 鋼板梁結(jié)構(gòu)示意圖 2.1.1鋼板組合梁構(gòu)造優(yōu)化 鋼板組合梁鋼主梁由翼緣板、腹板、豎向加勁板、橫梁連接板或橫梁接頭等組成，板件之間采用焊接的連接方式，主梁構(gòu)造見圖8。
圖8 鋼主梁構(gòu)造圖 1)工形主梁 工形主梁一般采用上、下翼緣板與腹板垂直的構(gòu)造形式，見圖9；也有采用下翼緣板與腹板垂直，而上翼緣板與腹板之間存在夾角，上翼緣板和橋面橫坡保持一致的構(gòu)造形式，見圖10。
圖9工形梁構(gòu)造一 
圖10工形梁構(gòu)造二 在工形梁構(gòu)造二中（圖10），上翼緣板設(shè)計(jì)i％的橫向坡度。在橫坡隨線路變化時(shí)，i值是變量，上翼緣板與腹板之間的夾角，要隨橫坡的調(diào)整進(jìn)行變化，上翼緣板要相應(yīng)的進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。鋼梁制造時(shí)，只能采用插值法，進(jìn)行勻順過渡處理，制造精度不易控制。建議：工形梁上翼緣板不考慮i％的橫坡，按上翼緣板與腹板垂直設(shè)計(jì)；橫坡對(duì)上翼緣板高度的影響，通過不同厚度的橡膠墊條進(jìn)行調(diào)整，墊條構(gòu)造示意見圖11，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面橫坡變化的調(diào)整，避免了橫坡變化對(duì)鋼梁制造精度的影響，提高鋼梁制造質(zhì)量。 
圖11 墊條構(gòu)造示意 2）橫梁接頭 在主梁上，一般設(shè)置橫梁接頭板，與橫梁之間進(jìn)行栓接連接，見圖9；在主梁上設(shè)置工形橫梁接頭與主梁組焊，形成工形主梁構(gòu)件，相鄰主梁構(gòu)件的橫梁接頭之間進(jìn)行栓接連接，見圖10。工形梁構(gòu)造一中（見圖9），橫梁接頭板與下翼緣板設(shè)計(jì)為磨光頂緊。由于鋼梁制作過程焊接變形不可逆、噴砂除銹過程的應(yīng)力釋放和重分布引起變形的原因，多座橋梁類似部位磨光頂緊的實(shí)施效果不好。鋼梁在焊接或噴砂除銹后，部分頂緊部位存在局部間隙（見圖12），造成不同程度的返修和返工，形成的間隙也不利于鋼梁的防腐。建議：橫梁接頭板與下翼緣板之間，優(yōu)化為頂緊后焊接（可采用開坡口焊接）。既達(dá)到了頂緊傳力的目的，又可以形成橫梁接頭板與下翼緣板接觸面的密封，保證了鋼梁的防腐質(zhì)量和效果。
圖12 橫梁接頭與下翼緣板局部間隙 3）橫梁 實(shí)腹式橫梁大多采用焊接工形構(gòu)件和熱軋H型鋼，工形是橫梁的主要結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用較廣泛。工形橫梁一般單件發(fā)運(yùn)至橋位安裝；也可將橫梁作為接頭組焊在主梁上和主梁一起發(fā)運(yùn)（見圖10）。工形橫梁由鋼板組焊形成，桿件幾何尺寸按規(guī)范要求制作，與橫梁接頭匹配精度容易控制、效果好；當(dāng)設(shè)計(jì)采用熱軋H型鋼時(shí)，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》GB/T 11263-2010中，H型鋼高度允許偏差為±2.0mm～±4.0mm（見表1），與《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/F50 -2011中，橫梁接頭高度允許偏差±1.5mm的要求不匹配，二者之間存在拼接錯(cuò)臺(tái)超差的可能。建議：橫梁構(gòu)件盡量選擇焊接工形構(gòu)件，可以保證構(gòu)件與橫梁接頭幾何尺寸精度的匹配；當(dāng)設(shè)計(jì)選用熱軋H型鋼時(shí)，需要對(duì)H型鋼的尺寸、外形允許偏差進(jìn)行限制，可以避免出現(xiàn)拼接錯(cuò)臺(tái)超差的問題。表一 熱軋H型鋼高度、寬度允許偏差
4）縱梁 縱梁大多采用工形構(gòu)件或H型鋼，縱梁下翼緣設(shè)螺栓孔群與橫梁上翼緣連接為整體，連接構(gòu)造見圖13。由于縱梁安裝時(shí)，需要與兩根或兩根以上橫梁連接，橫梁的安裝精度、縱向線形和制造誤差等因素，都將影響縱梁與橫梁螺栓孔的連接精度，給現(xiàn)場安裝帶來不便。建議：縱梁與橫梁的連接螺栓孔，優(yōu)化為縱向長圓孔，圓心的間距宜為螺栓孔直徑d+5mm，優(yōu)化連接構(gòu)造見圖14。
圖13 縱梁與橫梁連接構(gòu)造
圖14 縱梁與橫梁連接構(gòu)造優(yōu)化 2.2箱形組合梁箱形組合梁主梁分為開口箱形（槽形梁）或閉口箱形（箱形梁）兩種結(jié)構(gòu)形式。多箱槽形梁主要由鋼主梁和橫向連接件組成，主梁腹板上設(shè)置橫梁接頭，橫向連接件一般為“工字形”結(jié)構(gòu)，二者采用栓接形成連接結(jié)構(gòu)；單箱槽形梁和箱形梁都由頂板、底板、隔板和腹板組成，槽形梁為局部頂板，腹板多為斜腹板見圖15。箱形梁為整體頂板，腹板多為直腹板見圖16。
圖15 槽形組合梁結(jié)構(gòu)示意圖
圖16 箱形組合梁結(jié)構(gòu)示意圖 2.2.1槽形組合梁主梁構(gòu)造優(yōu)化 設(shè)計(jì)和施工制造分段時(shí)，槽形組合梁主梁接口設(shè)置在兩個(gè)隔板(橫肋)之間，而隔板(橫肋)間距一般為1500mm～2500mm，會(huì)出現(xiàn)拼接口距離端隔板(橫肋)較遠(yuǎn)的情況，主梁拼接口分段平面示意見圖17。由于腹板厚度較?。?6mm），主梁節(jié)段拼接口處腹板橫向剛度較弱，主梁制造過程中腹板平面度不易控制，甚至出現(xiàn)拼接口腹板局部平面度超差的現(xiàn)象（見圖18）,返修難度很大。
圖17 主梁拼接口分段平面示意圖
圖18 槽形梁拼接口腹板平面度超差 為了避免槽形梁拼接口出現(xiàn)腹板平面度超差的情況，在槽形主梁設(shè)計(jì)或施工分段時(shí)，結(jié)合隔板間距、腹板厚度等因素，隔板（橫肋）距主梁節(jié)段拼接口不宜大于1000mm；當(dāng)隔板（橫肋）距節(jié)段拼接口過大時(shí)，宜在拼接口和隔板（橫肋）之間，增設(shè)一道隔板或橫肋（距離拼接口宜小于1000mm），作為主梁拼接口的加強(qiáng)構(gòu)造，以提高腹板局部剛度，從而減小腹板局部變形。槽形梁拼接口局部加強(qiáng)平面示意見圖19。
圖19 槽形梁拼接口局部加強(qiáng)平面示意圖 2.2.2箱形組合梁主梁構(gòu)造優(yōu)化 箱形組合梁主梁與一般匝道橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)相似，大多為單箱多室結(jié)構(gòu)。根據(jù)運(yùn)輸限界和鋼板軋制能力，橫向需進(jìn)行分塊、縱向需要分段。多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)文件要求縱向分段時(shí)，梁段對(duì)接口的頂板、底板、腹板橫向焊縫要錯(cuò)縫處理，一般錯(cuò)縫要求不小于200mm。箱形組合梁接口頂板、底板和腹板錯(cuò)縫立面示意見圖20。
圖20 箱形組合梁接口錯(cuò)縫立面圖 箱形組合梁縱向分段時(shí)，梁段對(duì)接口的焊縫進(jìn)行錯(cuò)縫設(shè)計(jì)，增加了腹板T形焊縫與對(duì)接口頂板、底板橫向?qū)雍缚p的焊縫交叉。在焊縫交叉處需進(jìn)行焊接工藝的特殊處理，也是容易出質(zhì)量缺陷的地方，宜盡量減少焊縫交叉的出現(xiàn)。目前，大型鋼箱梁的縱向分段，設(shè)計(jì)沒有錯(cuò)縫的要求，頂板、底板、腹板的橫向?qū)雍缚p在同一個(gè)斷面內(nèi)，可以減少焊縫交叉的出現(xiàn)，大型鋼箱梁對(duì)接縫立面示意見圖21。根據(jù)大型鋼箱梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建議：箱形組合梁主梁縱向分段時(shí)，頂板、底板、腹板的橫向?qū)雍缚p在同一個(gè)斷面內(nèi)，減少焊縫的交叉，有利于焊接質(zhì)量的控制，保證焊縫質(zhì)量。 圖21大型鋼箱梁梁段接口對(duì)接縫立面圖 3 結(jié)束語 鋼混組合梁橋在公路常規(guī)跨徑橋梁中的應(yīng)用日益廣泛，其鋼梁構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)，對(duì)提升鋼梁制造質(zhì)量，推動(dòng)鋼混組合梁的持續(xù)發(fā)展，降低鋼梁制造成本，有著積極的意義，值得探討和進(jìn)一步優(yōu)化。注釋：［1］PBL剪力鍵：新型剪力鍵,德文稱為PerfobondLeiste(PBL)。 參考文獻(xiàn)： 1.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范,JTG/T F50-2011 2.熱軋H型鋼和剖分T型鋼，GB/T 11263-2010 3.賀立新，宋雷.鋼-混結(jié)合梁橋的應(yīng)用，北方交通，2014年第7期 轉(zhuǎn)自寶橋橋梁技術(shù)交流
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