鋼-混組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用綜述趙君黎 劉曉娣 （中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 北京100088） 摘要：本文通過介紹鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用發(fā)展歷史，結(jié)合組合結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)發(fā)展情況，介紹了《公路鋼-混組合橋梁設(shè)計施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）編制情況，以及在我國“加強(qiáng)推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)”技術(shù)政策背景下組合結(jié)構(gòu)橋梁的推廣應(yīng)用情況，提出了在推廣應(yīng)用中一些值得關(guān)注的主要風(fēng)險問題。 關(guān)鍵詞：鋼-混組合橋梁 歷史 規(guī)范 推廣 1 組合結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展歷史1.1 國外發(fā)展歷史 組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性、鋼和混凝土材料特性均能發(fā)揮優(yōu)勢的合理性、施工方便性等方面的優(yōu)點而得到了推廣，從20m～25m的中小跨徑橋梁到近千米跨徑的斜拉橋都有應(yīng)用。 在20世紀(jì)四五十年代，歐美國家已經(jīng)對組合梁有了細(xì)致、深入、全面的研究和應(yīng)用。美國、英國、德國、加拿大及前蘇聯(lián)等國家都制定了有關(guān)組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的規(guī)范或規(guī)程，各國也相繼建成組合結(jié)構(gòu)橋梁，設(shè)計理論也逐漸完善。 20世紀(jì)六七十年代是組合結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要階段，一些國家組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展幾乎趕上了鋼結(jié)構(gòu)，且在一定領(lǐng)域能夠代替鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。1971年，在國際土木工程師協(xié)會聯(lián)合委員會主持下，由歐洲國家混凝土委員會、歐洲鋼結(jié)構(gòu)大會、國際預(yù)應(yīng)力聯(lián)盟和國家橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會組成了組合結(jié)構(gòu)聯(lián)合委員會，總結(jié)了20世紀(jì)六十年代組合結(jié)構(gòu)發(fā)展中所取得的經(jīng)驗，于1979年頒布了《組合結(jié)構(gòu)典型規(guī)程草案》，并于1981年正式頒布了《組合結(jié)構(gòu)規(guī)范》，進(jìn)一步促進(jìn)了組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。 1.2 國內(nèi)發(fā)展歷史 我國在20世紀(jì)五十年代學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的過程中開始接觸到組合結(jié)構(gòu)的概念，然而由于當(dāng)時鋼材匱乏，在公路橋梁建設(shè)中很少采用鋼橋，從而鋼-混凝土組合橋梁的應(yīng)用受到限制。但在當(dāng)年我國建成的武漢長江大橋、衡陽湘江大橋、川黔線烏江橋、東蘭紅水河橋的橋面結(jié)構(gòu)中已經(jīng)開始采用了組合梁的構(gòu)造方式，只是在設(shè)計過程中未考慮組合作用，而僅僅將其作為強(qiáng)度儲備。 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國橋梁上的真正應(yīng)用和發(fā)展主要體現(xiàn)在近20年以來。鋼-混凝土的組合結(jié)構(gòu)形式在橋梁上的應(yīng)用不僅僅局限于傳統(tǒng)的組合板梁、組合箱梁、組合桁梁等組合結(jié)構(gòu)形式（典型截面形式見圖1、圖2），還出現(xiàn)了波形鋼腹板組合箱梁、鋼梁和鋼筋混凝土梁在橋梁縱向組合的混合結(jié)構(gòu)形式等，應(yīng)用橋型也由開始的梁橋到斜拉橋、拱橋以及剛構(gòu)橋。各種結(jié)構(gòu)形式橋梁采用的組合形式也越來越多樣。  圖1 鋼板梁-混凝土組合橋截面  圖2 箱形鋼-混凝土組合梁橋截面 1991年上海市建成的南浦大橋是我國第一座鋼-混凝土組合斜拉橋。其后，在上海楊浦大橋、青州閩江大橋、重慶觀音巖長江大橋等均采用了同樣的結(jié)構(gòu)形式。 1993年，北京市國貿(mào)橋首次采用了鋼-混凝土疊合板組合梁，既保證了橋面的整體性，同時又大大加快了施工進(jìn)度，并保證了橋下交通，之后在深圳、長沙等多個城市均有這樣的工程建設(shè)實例。 2005年，我國建成了第一座波形鋼腹板組合連續(xù)箱梁人行橋——長征橋，之后逐漸推廣，成為近年來發(fā)展的一種重要的組合結(jié)構(gòu)橋型。 2006年8月重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋建成通車，該橋為連續(xù)剛構(gòu)，其330m跨的中部108m采用了鋼箱梁，實現(xiàn)了橋梁縱向的鋼-混凝土組合，即“混合梁”。 從統(tǒng)計資料看，我國公路領(lǐng)域建成的組合、混合結(jié)構(gòu)橋梁1293座（2015年數(shù)據(jù)），占當(dāng)年公路橋梁總數(shù)量的0.17%，其中大跨徑斜拉橋主梁應(yīng)用較多，比如香港昂船洲大橋、湖北鄂東長江大橋等（表1），在目前世界排名前10位的斜拉橋中，共有7座為組合結(jié)構(gòu)橋梁；再就是中小跨徑的公路梁橋中，組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，包括近年來發(fā)展迅猛的波紋鋼腹板組合梁橋。 表1 世界排名前10位的斜拉橋  序號橋名主跨/m 國家建成時間主梁主材1 Russky 1104俄羅斯2012鋼-混混合2蘇通大橋1088中國2008鋼混混合4鄂東長江大橋926中國2010鋼-3昂船洲大橋1018中國2009鋼-混混合5多多羅大橋890日本1999鋼-混混合6諾曼底大橋856法國1995鋼-混混合7九江長江大橋818中國2012鋼-混混合8荊岳長江大橋816中國2010鋼-混混合9 Incheon-2 800韓國2009鋼10 Zolotoy 737俄羅斯2009鋼 因為組合結(jié)構(gòu)橋梁具有施工快速、便捷、不影響橋下交通等混凝土橋梁不可比擬的優(yōu)勢，從而在市政領(lǐng)域發(fā)展一直較快，其技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗也一直相對領(lǐng)先，但具體統(tǒng)計數(shù)量還需要從分散在各地的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)一步發(fā)掘。 2 組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用技術(shù)新發(fā)展2.1 波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁 波形鋼腹板組合梁橋與傳統(tǒng)混凝土梁相比，具有自重輕、改善結(jié)構(gòu)受力性能、便于裝配施工、造價低、耐久性好等優(yōu)點（構(gòu)造見圖3）。在我國波形鋼腹板組合梁橋的應(yīng)用起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。2005年建成的拔河大橋是國內(nèi)建成的首座公路波形鋼腹板組合箱梁橋，之后在不同地區(qū)逐漸推廣應(yīng)用，迄今已建和在建的波形鋼腹板組合橋梁已達(dá)40多座。隨著工程經(jīng)驗的積累和設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步，波形鋼腹板組合梁已開始向大跨、復(fù)雜橋型發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式有簡支梁、連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、斜拉橋。波形鋼腹板組合橋梁設(shè)計理論、構(gòu)造要求、產(chǎn)品加工、構(gòu)件連接、施工方法等已形成一套成熟的應(yīng)用體系。 廣東、河南、江蘇、山西等地已編寫并頒布實施了當(dāng)?shù)氐胤綐?biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)程，以進(jìn)一步推廣波形鋼腹板組合梁橋的應(yīng)用。并且，已于2010年頒布實施的行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《組合結(jié)構(gòu)橋梁用波形鋼腹板》（JT/T 784）對橋梁用波形鋼腹板的生產(chǎn)、加工制造、產(chǎn)品質(zhì)量、加工工藝等方面提出了要求，對波形鋼腹板組合橋梁的工程質(zhì)量提供了必要保障。國內(nèi)一些波紋鋼板企業(yè)的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平也在不斷發(fā)展和提升，支撐了這種橋型的迅猛發(fā)展。  圖3 波形鋼腹板箱梁構(gòu)造示意 從應(yīng)用實踐和科研結(jié)論看，這種橋型在波形腹板與頂、底板的連接模式上還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)，在使用PBL鍵或剪力釘連接、或混合連接方面，還需要更多的研究和實踐支持，以保證連接的安全和耐久，保證這種橋型能更廣泛的應(yīng)用。 2.2 抗拔不抗剪連接件 連續(xù)組合梁橋中間支座附近的負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板開裂難題一直以來制約著鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。各國對這一問題的處理方式也有很大差別。我國《公路鋼-混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）中推薦采用施加預(yù)應(yīng)力的方法。但由于收縮徐變的影響，預(yù)應(yīng)力損失的影響比較明顯。 抗拔不抗剪連接件是為解決這個問題而研發(fā)的一項新技術(shù)。該連接件的主體由螺桿和螺帽組成，材質(zhì)和傳統(tǒng)栓釘連接件相同，施工時，先將螺桿焊接在鋼梁翼緣上，然后在螺桿周圍套上低彈模材料（如泡沫塑料、EVA泡棉、橡膠等），最后再擰上螺帽（圖4）。 采用這種連接件可以有效釋放負(fù)彎矩區(qū)混凝土板中的拉應(yīng)力，同時保證組合界面緊密貼合，保留了傳統(tǒng)栓釘連接件抗混凝土板掀起的功能，而且構(gòu)造簡單、施工方便。 節(jié)段模型試驗結(jié)果表明，抗拔不抗剪新型連接件在幾乎不削弱負(fù)彎矩區(qū)組合梁整體剛度和極限承載力的同時，可顯著提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的抗裂性能?？拱尾豢辜暨B接新技術(shù)已應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)實際工程，成功解決了連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)抗裂設(shè)計難題。  圖4 抗拔不抗剪栓釘 3 組合橋梁規(guī)范編制過程3.1 組合梁規(guī)范歷史 在1974年頒布試行的《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》中有對組合梁橋設(shè)計的一節(jié)設(shè)計規(guī)定，稱之為“聯(lián)合梁”。該規(guī)范對混凝土和鋼梁結(jié)合面的縱向剪力計算、橋面板和剪力連接件構(gòu)造要求、溫差和徐變作用要求等內(nèi)容進(jìn)行了基本規(guī)定。 在之后1986年頒布實施的《公路鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025-86）中亦有“聯(lián)合梁”一節(jié)內(nèi)容，技術(shù)要求在原規(guī)定基礎(chǔ)上增加鋼筋混凝土橋面板的計算。至2015年，該規(guī)范一直是我國近30年公路工程行業(yè)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計執(zhí)行的唯一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 在這段歷史時期，我國公路工程建設(shè)開始進(jìn)入了高速發(fā)展的階段，鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)快速發(fā)展以及設(shè)計施工技術(shù)的日益完善，逐漸出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)橋梁基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程建設(shè)的尷尬局面，技術(shù)規(guī)范不能滿足設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)的需求，進(jìn)而限制了組合結(jié)構(gòu)橋梁的進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展。 3.2 規(guī)范現(xiàn)狀 《公路鋼-混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）是我國公路行業(yè)第一本完全屬于鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計規(guī)范，該規(guī)范在公路工程標(biāo)準(zhǔn)體系中定位為推薦性規(guī)范，其從屬于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）的下位規(guī)范，有關(guān)技術(shù)要求應(yīng)符合上位規(guī)范的規(guī)定，并在上位規(guī)范內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化、擴(kuò)展，做出了更詳細(xì)的具有指導(dǎo)意義的規(guī)定。該規(guī)范對組合梁設(shè)計計算、組合梁橋面板、連接件、混合結(jié)構(gòu)等重點設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定，并包括了不同組合結(jié)構(gòu)型式的施工要求。 2015年由交通運輸部頒布實施的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）和《公路鋼-混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》解放了30年來制約鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)發(fā)展的束縛，為新的歷史條件下鋼結(jié)構(gòu)橋梁推廣應(yīng)用提供了必要的技術(shù)條件。另外，在市政行業(yè)進(jìn)行的鋼-混組合橋梁設(shè)計主要遵照《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917 -2013）進(jìn)行。 對于本規(guī)范未涵蓋的內(nèi)容（如波形鋼腹板），部分省區(qū)也研發(fā)編制了自己的地方標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計規(guī)程，也在各自的領(lǐng)域中開始應(yīng)用。 3.3 規(guī)范的不足 由于各種因素導(dǎo)致的行業(yè)規(guī)范編制周期較長和規(guī)范對技術(shù)成熟度要求等方面原因，在編寫過程中出現(xiàn)的一些新技術(shù)并不能納入規(guī)范中。 在2007年開始編制行業(yè)規(guī)范時，波形鋼腹板組合橋梁開始應(yīng)用時間不長，建成運營效果并不能完全顯現(xiàn)，還不具備進(jìn)入行業(yè)規(guī)范的成熟度，所以規(guī)范中沒有納入這部分內(nèi)容。 抗拔不抗剪連接件設(shè)計新技術(shù)也是近幾年來的研究成果，進(jìn)入規(guī)范也還需更多的實踐支持。另外從產(chǎn)品屬性方面衡量，抗拔不抗剪連接件作為公路工程行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編寫更為適合，但其連接方式作為一種新技術(shù)，進(jìn)入新一輪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是指日可待的。 4 組合橋梁推廣應(yīng)用情況至2015年底，我國已建公路橋梁77.92萬座，總長4.6萬公里，其中鋼（包括鋼-混組合）結(jié)構(gòu)長度占比僅為1%，其中鋼、鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁分別只有584座和1293座，數(shù)量占比僅為0.08%和0.17%。而法國近年建造的橋梁中有85%采用了鋼-混組合技術(shù)。 2016年交通運輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》（交公路發(fā)〔2016〕115號，下稱《意見》），在甘肅、河北、湖南、北京等省市先后組織召開了鋼結(jié)構(gòu)橋梁研討會，受到行業(yè)各方面的高度關(guān)注，部分省區(qū)已經(jīng)或超前開始了主動性的通用圖研發(fā)工作。 4.1 應(yīng)用 對平原地區(qū)中小跨徑橋梁的情況，有的設(shè)計院提出了：鋼-混工字組合梁、鋼-混組合箱梁、波形鋼腹板PC組合箱梁、鋼桁腹組合梁橋以及鋼波紋管涵等橋梁型式，開展了《公路鋼-混凝土工字組合梁的技術(shù)研究》等課題、地方標(biāo)準(zhǔn)和通用圖的研究和編制。同時加大在工程中應(yīng)用的推廣力度，在太行山高速某路段共設(shè)20座大橋采用了鋼-混工字鋼組合梁，鋼橋占比達(dá)1/3。對于鋼材不同價格時期，30m跨徑采用鋼-混組合梁橋上部經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比預(yù)應(yīng)力混凝土T梁高15%～30%，但是能有效地節(jié)省下部工程量，同時能夠降低后期運營養(yǎng)護(hù)費用。 采用多主梁組合結(jié)構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合地域環(huán)境、交通等特點，在上部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的安全儲備上有滿足當(dāng)?shù)匾蟮目紤]，在橋梁上部結(jié)構(gòu)安全儲備、平米材料指標(biāo)、建設(shè)造價和全壽命周期成本之間有綜合考量，非常務(wù)實。 4.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 鋼-混組合板梁的輕型化也是在中小跨徑橋梁推廣應(yīng)用中的一個發(fā)展趨勢。通過對傳統(tǒng)的鋼梁體系進(jìn)行大幅簡化，減少主梁片數(shù)，減少橫撐、腹板和加勁肋，采用預(yù)應(yīng)力混凝土板，把兩車道橋的主梁減少到2根，三車道減少到3～4根，被認(rèn)為是非常經(jīng)濟(jì)的一種橋梁形式，可能會成為新建組合板梁橋的主流。 在結(jié)構(gòu)簡化創(chuàng)新方面，華東某省份依托“標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、工廠化、信息化”為核心的公路工業(yè)化建造技術(shù)研究，形成中小跨徑鋼板組合梁結(jié)構(gòu)的規(guī)?；瘧?yīng)用。相繼研發(fā)了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)，適用于各類公路橋梁和市政橋梁，開創(chuàng)了國內(nèi)鋼板組合梁應(yīng)用的先河。目前該省新建高速公路項目中鋼結(jié)構(gòu)橋梁比例已超過10%。 減少鋼主梁片數(shù)的組合結(jié)構(gòu)橋梁型式能夠很大程度上降低組合結(jié)構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)的平米指標(biāo)和建設(shè)造價，但在國內(nèi)的發(fā)展初期其主要構(gòu)件安全冗余值得進(jìn)一步關(guān)注，以為公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用提供更安全、扎實和強(qiáng)勁的推動力。 4.3 戰(zhàn)略推廣 2016年11月1日，國內(nèi)首家裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立，聯(lián)盟成員單位包括鋼鐵企業(yè)、制造企業(yè)、裝備企業(yè)、產(chǎn)品企業(yè)、橋梁設(shè)計和施工企業(yè)以及有關(guān)高等院校等共32家，具備全產(chǎn)業(yè)鏈一體化服務(wù)能力。該聯(lián)盟致力于成為推動鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)行業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向的引領(lǐng)者、行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定者、鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的推動者，全力支持聯(lián)盟發(fā)展和示范工程落地，發(fā)展成為行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)品牌，成為引領(lǐng)我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)發(fā)展的旗幟。該聯(lián)盟積極開展常規(guī)橋梁通用圖紙的研發(fā)編制工作，在安全、耐久、造價和全壽命周期成本領(lǐng)域都有不俗的考慮。 5 總結(jié)《意見》發(fā)布后，各地公路管理、設(shè)計、科研、施工、制造等單位積極動員、緊抓落實，通過開展相關(guān)課題研究、編制典型結(jié)構(gòu)通用圖、創(chuàng)建產(chǎn)業(yè)發(fā)展平臺等方式，促進(jìn)公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)的推廣，并取得了良好的效果，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)呈現(xiàn)出一片欣欣向榮、方興未艾的蓬勃發(fā)展景象。但很多專家和有識之士也非常擔(dān)憂“大波轟”、“一哄而上”帶來的鋼結(jié)構(gòu)橋梁、組合結(jié)構(gòu)橋梁的質(zhì)量、安全和耐久問題，擔(dān)心各類橋梁病害大規(guī)模爆發(fā)，這一點，在指導(dǎo)意見中也有明確表達(dá)，希望能引起各地和各項目的高度關(guān)注，將推廣鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)橋梁這件事做好做實。 參考文獻(xiàn)： 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KEYWORDS：Composite steel concrete Bridges History Specifications Promotion |
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