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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(guó) 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(shì)，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(guó)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(shì),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(guó)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(guó)家和交通運(yùn)輸部門(mén)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)，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(jiǎn)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(shì)，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(jiàn)圖1；鋼箱組合梁實(shí)例見(jiàn)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(guò)橫梁或橫撐相互連接，并通過(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(kāi)口箱形（槽形梁）或閉口箱形（箱形梁）結(jié)構(gòu)。開(kāi)口箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò)不同厚度的橡膠墊條進(jìn)行調(diào)整，墊條構(gòu)造示意見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖10。工形梁構(gòu)造一中（見(jiàn)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(guò)程焊接變形不可逆、噴砂除銹過(guò)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(guó)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(jiàn)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(wèn)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(jiàn)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(chǎng)安裝帶來(lái)不便。建議：縱梁與橫梁的連接螺栓孔，優(yōu)化為縱向長(zhǎng)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)圖15。箱形梁為整體頂板，腹板多為直腹板見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(méi)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(jiàn)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(yǔ) 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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