钢混组合桥面板的发展概况及设计维护要点

邢 昕，冯克岩

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300457）

1 新型组合桥梁对桥面板性能的要求

从20世纪60年代起，组合结构以其整体受力的经济性，发挥材料各自优势的合理性及便于施工的突出优点得到广泛应用。进入20世纪80年代，组合结构有了新的发展，组合结构从理论研究到设计施工日趋成熟，法国、德国、日本等国对传统钢桥结构体系进行了大幅简化，开发了不同形式的组合结构桥梁，其中2根主梁的组合钢板梁桥已经成为中小跨新建桥梁的主流，被认为是极其经济的桥梁形式之一。通过大量基础性理论研究和试验，各国制定了相应规范，促使结构体系的简化与统一。改进后的组合结构以构造合理化、工厂预制化及高耐久性为特征，不仅降低加工及施工费用，而且从全寿命费用考虑，在提高耐久性、削减维护管理费用等方面优势明显[1][2]。

伴随着主梁根数减少、间距扩大，要求桥面板具有更高的跨越能力，传统的钢筋混凝土桥面板已经不能满足要求。欧美等国大多使用高强混凝土及施加横向预应力的方法，并进一步采用预制预应力混凝土桥面板，提高混凝土品质，降低收缩徐变的不利影响。但预应力混凝土桥面板存在重量大、施工质量要求高等问题。从20世纪80年代末期，日本对钢混组合桥面板进行了开发，通过车轮行车疲劳试验、有限元分析等理论研究和试验，证明组合桥面板不仅具有与预应力混凝土桥面同等的承载能力和耐久性，并且具有重量轻、施工方便和翻新拓宽费用低等优势。本文重点介绍组合桥面板的发展历程、特点和设计管理要点。

2 组合桥面板的发展历程及研究方法[3]

历史早期没有组合结构的概念，如日本建于1902年跨越津野川的旧明治桥，桥面板采用折形钢板作为底模，利用刚度大的混凝土传递车轮载荷。钢板与混凝土组合效应的积极利用是源于20世纪50年代，1959年法国Tancarville悬索桥建造中为了减少桥面板的重量开发了罗宾逊式组合桥面板。这一时期，由于不设或少设加劲肋，组合桥面板跨径与混凝土桥面板相当，并且由于成本高，只限定在特殊条件下采用，如施工空间受限的跨线桥和旧桥面板更替。

20世纪80年代，日本大阪大学开始采用车轮动荷载试验机进行各种桥面板耐久性研究，见图1。该试验方法可以使试件产生与实桥相似的纵横裂缝，对研究桥面板的疲劳损伤具有重要意义。同时，组合桥面板不同类型连接件的开发也继续进行。1997年日本土木工程师学会钢结构设计准则B部分公布，包括了组合桥面板最小厚度和桥面板剪力设计等规定。随着1997年日本基础设施和运输部提出了“公共工程的费用缩减行动计划”，以此为契机推广合理化组合桥梁，跨径长高耐久桥面板需求增加，组合桥面板受到重视，其应用实例逐年增加，见图2。

1997年起连续4年在日本土木研究所实施的“道路桥面板轮载行车试验疲劳耐久性评价手法的开发共同研究”，由日本桥梁建设协会对各公司开发的桥面板实施了统一的试验，对组合桥面板组合梁的裂缝控制性能、膨胀混凝土的长期暴露等进行了测试。并于2001年制定了“桥建协标准组合桥面板”，规范了组合桥面板厚度和桥面板重量等，于2005年为桥建协会员发刊了“组合桥面板设计·施工指导(初版)”，于2006年发刊“钢·混凝土组合桥面板计划资料”。

图1 板轮载行车试验机及桥面板裂缝分布

图2 日本组合桥面板历年应用规模

开发一种新的组合桥面板，通常需要进行桥面板正负弯矩静载试验以确认其承载能力；与主梁一起进行中支点负弯矩静载试验以确认其抗裂能力；进行轮载行车试验确认疲劳耐久性；以及混凝土填充性、加劲肋焊接细节疲劳耐久性等一系列工艺试验。通过总结试验结果，进行有限元分析计算，最终形成整套设计参数，编制设计指南、加工施工方法、费用明细等资料。

3 组合桥面板的特点及分类

组合桥面板钢结构通常由底钢板、加劲肋、连接件及接头板等组成，只配置上缘钢筋，见图3。其中加劲可采用多种型钢或钢板，如截成两半的工字钢、槽钢、扁球钢、U肋等。也有桁架类组合桥面板，采用钢筋或波形钢板作为加劲，见图4（a）。还有使用预先浇注高性能混凝土作为加劲的组合桥面板，见图4（c）。钢混连接方面，型钢的翼缘等构造可以起到连接件的效果，不过通常采用在加劲腹板上开孔形成开孔板，或在底钢板上设置焊钉连接件。

图3 组合桥面板概念示意

图4 组合桥面板不同的构造细节

与钢筋混凝土桥面板相比，组合桥面板有如下优点：

（1）跨径大：组合桥面板的最大跨径达10 m，可以满足少主梁体系的要求。

（2）施工安全快速：钢结构为工厂制造，现场作业只有架设、配置钢筋和混凝土打设。可以省略全部模板、脚手架安装拆除作业，施工工序大幅度减少。底钢板的预制装配化构造形成了安全的施工平台，不占用主梁以下空间，适合城市跨线桥梁。

（3）恒载降低：底钢板作为下层钢筋承担拉应力，减少板厚，降低桥面板自重。

（4）疲劳耐久性高：通过轮载行车试验等各种实验确认具有与预应力桥面板等同的高耐久性，并且由于存在底钢板，不用担心混凝土片剥离落下。

（5）使用期间出现问题，钢面板也可以替换。进行局部交通限制，可以不断交完成修复。

组合桥面板的成本与现浇预应力混凝土桥面板相同，但工期缩短程度可比预制混凝土板，此外，与预应力混凝土桥面板相比，组合桥面板还有如下优点：

（1）轻量的钢结构板运输容易，根据现场搬运条件制约的不同，面板分割自由度较大。

（2）跨线桥和跨道桥施工期间脚手架的设置、梁下空间的利用上受到制约，可以采用钢梁钢面板一起顶推施工方法或整跨吊装施工方法。例如与槽型钢箱梁一起使用，不需额外横撑就提高了施工期间稳定性，使得组合桥面板的好处最大限度发挥。

（3）适用阶段性地分割施工容易，例如对进行一期施工完成的桥进行二期施工拓宽。而预应力桥面板拓宽需二次张拉，施工难度较大。

4 组合桥面板的设计和维护

组合桥面板是一种将带有加劲的钢板在钢梁上架设后，现场配筋并浇注混凝土使之一体化的结构。该结构作为钢和混凝土组合结构设计。在一般情况下，组合前的荷载由钢板承担，组合后由钢混组合断面承担。组合桥面板的设计，与钢筋混凝土桥面板和预应力桥面板一样，假设为各向同性、满足平截面法则，适用于边长比1：2以上。以下为一些设计参数选取方法，桥建协标准组合桥面板设计参数见表1。

（1）桥面板最小板厚：取公式（1）计算结果和160 mm中的较大值。

hc=25L+110 （1）式中：hc为包括底钢板的桥面板最小厚度（mm）；L为板跨径（m）。

（2）主梁间距：最大可达10 m，但一般宜小于8 m，主梁间距与悬臂长度比宜在1:0.4以下。悬臂长度大于2.5～3.0 m时，宜设置小纵梁和斜撑。

（3）承托高度：出于混凝土填充性考虑，承托高度一般取100 mm。在横坡大且曲率半径小的场合，高低端承托高度最好相同。

（4）混凝土：由于受到底钢板、加劲肋等的约束，考虑补偿初始收缩，组合桥面板应采用膨胀混凝土。混凝土σck≥30 MPa、粗骨料直径不大于20 mm、塌落度不小于8 cm，填充性应由施工试验证实。

（5）配筋：为了控制连续组合梁中支点负弯矩区裂缝宽度，所需配筋率大于1.3%，钢筋应力低于120 MPa。

（6）钢结构防腐：组合桥面板表面防腐一般有富锌涂料、热镀锌、锌铝、锌镁合金热喷涂和无漆的耐候钢四种类型。应考虑全寿命费用后决定防腐类型，桥面板应该采取与主梁相同样式。如果适用在寒冷地区等撒播防冻剂和融雪剂的地域应采取热镀锌并在浇注混凝土前在底钢板顶面涂装厚膜的聚合物水泥材料等[4][5]。

维护管理方面，与钢筋混凝土板及预应力桥面板一样，雨水渗透将减少组合桥面板耐久性。因此，适当的排水系统位置和防水层施工质量很重要。另外还应重视雨水渗入的早期监测，应积极在钢面板上设置监测孔，特别是在容易渗水的连续梁中支点处，及桥面板混凝土浇注接缝处，及时发现并修复损坏的防水层。

为确定是否必须修理时，把活载挠度大于组合桥面板跨径L/1000作为刚度降低的评定标准。组合桥面板可采用各种无损检测方法进行健康检测，如混凝土内部空隙的检测方法如锤击振动检测、超声波探伤、红外线摄像法等；桥面板损伤的挠度检测方法有FWD方法、行车荷载激光多普勒测振仪变形动态测试方法。如需修补桥面板，可在单侧交替通行条件下采用射水方法切除混凝土，这种方法已有施工实例。一些公司正在开发专门吊装设备以加快维修速度。

5 结语

我国组合桥面板的已有初步研究和应用，广东佛山市东平大桥采用了开孔钢板加劲肋的组合桥面板，并进行了板结构正负弯矩静载试验[6]。西安建筑科技大学杨勇等学者采用简支梁的加载方法对一组不同参数的组合桥面板进行的动静载试验[7]。但对设计参数及试验方法的研究仍在起步阶段。

总的来看我国在钢-混凝土组合桥梁结构研究及应用方面相对落后，相关研究很不深人，特别是基础理论研究滞后。至今需要开展的工作量大、涉及面广，目前组合结构桥梁设计指南或规范尚不完善，设计和推广这种结构存在很大困难。鉴于以上情况，即使采用组合结构桥梁，往往经济指标偏高，不能充分体现组合结构的技术经济优势[8]。

表1 桥建协标准组合桥面板设计参数(主梁间距6 m，桥宽11.5 m)

中国未来的交通发展仍然需要修建大量的桥梁，迫切需要提高桥梁耐久性、使用性、环保性和景观性，并降低工程造价。组合桥面板与目前采用的混凝土桥面板和预应力桥面板相比，结构设计、施工、维修更趋合理并且全寿命费用低，应该抓住大好时机在未来城市桥梁等的建设中大力发展。

[1]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.[2]日本桥梁建设协会.新钢桥的诞生II改订版[M].2004.

[3]日本桥梁建设协会技术委员会桥面板小委员会.组合桥面板的期望-开发的历史、现状和未来[R].2006.

[4]道桥示方书II钢桥篇[S].2002.

[5]Yoshihiro TACHIBANA,Fumisato TAKAYAMA.The Relationship between the SC Deck's Structural Details and Internal Stresses[J].川田技报,2008,27.

[6]占玉林,赵人达,毛学,等.钢-混凝土组合桥面板试验研究与理论分析[J].西南交通大学学报,2006(3).

[7]杨勇,周丕健,聂建国,等.钢板-混凝土组合桥面板静力与疲劳性能试验[J].中国公路学报,2009(4).

[8]邵长宇.城市高架组合结构桥梁国际发展概况[J].上海公路,2008(1).