公路钢结构桥梁设计及思考、设计经验总结

钢结构桥梁优势：

钢结构拥有轻型化、抗震性能好;

工业化和装配化程度高、可循环利用等优点;

随着大跨桥梁的大规模应用，大量采用钢结构是我国交通基础设施未来发展的必然趋势.

钢结构桥梁劣势：

钢结构造价偏高;

耐腐蚀性能不足等；

桥梁造价应综合考虑建设成本、安全耐久、管理养护等各种因素，钢结构桥梁自重较轻，节约了下部结构造价，同时施工速度较快，工期较短。        

钢结构耐腐蚀性能不足的问题可采取涂装长效高性能防腐涂料、采用耐候钢等方法解决。

全钢结构含 钢箱梁、钢桁梁。

钢混组合梁 结构含：钢板组合梁桥、钢箱组合梁桥、波形钢腹板桥梁。

>>>钢桁梁桥案例

贵阳高速公路：鸭池河大桥---主跨800m钢桁梁斜拉桥

  (72+72+76+800+76+72+72)=1240m双塔双索面半漂浮体系的混合梁斜拉桥，边跨为预应力混凝土箱梁，中跨为钢桁梁结构，边中跨比为0.275。钢桁梁结构采用“N”型桁架，横向两片主桁，中心间距为27.0m，桁高7.0m，节间长度为8.0m。

湖北宜昌至张家界高速公路：白洋长江公路大桥---主跨1000m钢桁梁悬索桥

主桥采用单跨1000m双塔钢桁梁悬索桥。

主桁架采用华伦式，中心距36m，桁高7.5m，小节间长度7.5m，两节间设一吊点，4节间作为一节段整体吊装，标准吊装节段长度30m，端吊装节段14.2m，跨中吊装节段10.58m。

>>>钢混组合梁桥

材料优势： 充分利用钢材和混凝土的材料优势，混凝土提高了钢梁的稳定性。

结构优势： 减小结构高度、提高结构刚度、减小结构在活荷载下的挠度。

施工便捷： 工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快。

环保节能： 大幅减少水泥用量，减小对环境污染。

缺点： 存在抗扭刚度较弱、适用跨度不大的缺点。

1、钢板组合梁桥

云南某高速公路项目全长107Km，所在区域位于高烈度地震区，基本地震动峰值加速度.3~0.4g,多座桥梁采用30m~50m钢混组合梁通用图设计。

? 结构形式设计选择

? 组合小箱梁断面存在梁高矮，钢结构后期养护不便利问题；

? 工字梁组合断面施工过程中梁的侧倾及钢腹板的稳定问题较为突出；

? 设计优化组合箱梁和工字梁的优势，将工字钢梁两片组合为一榀一起预制吊装，形成工字梁组合断面。

? 架设方案

施工：采用桥面吊机将两片钢梁和桥面板组成一榀后，整体预制吊装架设。

? 负弯矩区结构设计关键技术

? 抗拔不抗剪连接新技术

对于负弯矩区段，应用清华大学聂建国院士的创新技术--- 抗拔不抗剪连接新技术 ，有效解决负弯矩区开裂的难题。

2、波形钢腹板组合梁桥

目前，湖北境内公司已完成波形钢腹板组合梁桥共计6座，主跨跨径范围为70m~110m，在甘肃、广东珠海分别完成各一座，主跨跨径分别为100m和160m，组合箱梁均为变截面，悬臂浇筑施工。

? 波形钢腹板组合梁桥设计关键技术

1、根据抗剪强度与剪切屈曲稳定性合理选择波形钢腹板的厚度与形状。

波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度小，故设计时认为波形钢腹板不承受轴向力：即 近似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板，而剪力则完全由钢腹板承担，且剪应力在腹板上作均匀分布 。

2、折形腹板间的连接

临时栓接 + 焊接形 式

3、波形钢腹板与混凝土顶板的连接： 波形钢板与混凝土顶板的连接采用埋入式连接，即在波形钢板的顶端焊接钢板，钢板上焊接穿孔板，使之与混凝土板结合在一起。

4、波形钢腹板与混凝土底板的连接： 目前我院设计采用了两种方式：一是常规的埋入式；另一种为托底式连接。

波形钢腹板与混凝土底板的连接-埋入式

波形钢腹板与混凝土顶板的连接

波形钢腹板与混凝土底板连接-托底式

u 对部版预制 T 梁和小箱梁指标统计：

云南、陕西等高速 组合梁 指标统计：

一组 高速钢板组合梁与 T 梁、小箱梁上部结构重量比较表：

通过以上表对比可看出： 30m 跨组合梁总重相比 T 梁减轻 36% ， 40m 跨组合梁总重相比 T 梁减轻 41% ， 50m 跨组合梁总重相比 T 梁减轻 43% 。

同时 高速抗震结构内力分析对比：

由上表可知，相比混凝土 T 梁，上构采用组合梁 ,E1 、 E2 地震作用下桥墩内力大幅降低，降低比例为 11.5%~26.8% 。因此 , 在高烈度地区，上部结构采用组合梁形式更具优势。

u 高烈度地震区高速钢混组合梁经济性：

从 经济性上看，对于地震动峰值加速度 0.4g 的情况，由于上部组合梁支承反力的减小，地震作用下结构内力大幅减少，总体上组合梁造价低约 8.2% 左右，具有优势。

u 一般地区陕西高速钢混组合梁经济性：

综合上、 下部结构后，总体上 40m 、 50m 钢混组合梁较预制 T 梁造价分别增加了 13.1% 、 18.9% 。

u 70~160m 波形钢腹板经济性分析：

u 与常规混凝土梁相比，波形钢腹板混凝土用量减少10%~25%，预应力用量减少15%左右，钢材用量增加40%左右，同时下部结构总量可减少20%左右;

u 在 75~130m 跨径范围内，波形钢腹板与连续刚构经济性相当 ;

u 在 130~160m 范围内，波形钢腹板造价高约 13%;

u 另外考虑到波形钢腹板桥梁抗扭性能较弱，对跨径 90 ～ 160m 范围的曲线桥梁，建议仍采用预应力混凝土连续刚构桥。

优先选用钢结桥梁的工程：

? 钢结构桥梁自重轻，尤其在特大跨径桥梁、高地震烈度区桥梁中优势明显、应该优先选用

? 弯坡斜等特殊形状的桥梁，受力条件复杂、适宜钢材各向同性的优势发挥，应优先采用

u 加强钢结构桥梁的构造设计：

钢结构桥梁断面尺寸小，构造设计对桥梁结构的安全和耐久性影响显著。应针对钢结构桥梁的构造特点， 重点做好细部构造设计 。

1. 基本构造

1)钢箱梁由顶板、底板、腹板、中隔板（含横肋）、支点隔板、及其相应的加劲肋组成，对于平曲线半径大的桥梁，顶板一般采用U型加劲肋，底板采用开口T肋或板肋，一般对于半径小的桥梁、因U肋加工难度较大，故一般顶底板采用开口加劲肋， 钢箱梁梁高取跨径的1/20～1/30，简支梁一般取大值 。

2)顶板的作用是直接承受荷载（第二体系和第三体系），作为钢箱梁的上翼缘共同抵抗外力（纵向），作为支点横梁的上翼缘共同抵抗外力（横向）， 规范要求顶板厚大于14mm，结合参考图纸一般取16～20mm ，在连续梁负弯矩区存在局部加厚，根据计算确定。

3)  底板作为钢箱梁的下翼缘共同抵抗外力（纵向），作为支点横梁的下翼缘共同抵抗外力（横向）， 板厚大于12mm 。

4) 顶板加劲肋、 一般采用U肋或开口加劲肋，U肋间距约为600mm，开口肋间距约为300mm ，与钢箱梁上翼缘板共同承受外力，等效顶板厚约为8mm（也有取6mm的），作为桥面板的弹性支撑，将荷载传递给横隔板，减少顶板宽厚比，增加局部稳定的容许压应力，下图列出了加劲肋开口肋与闭口肋优缺点，加劲肋构造尺寸要满足规范5.1.5条、5.1.6条规定。

5)底板加劲肋间距不传递车辆荷载 ，间距可以比顶板加劲肋大，加劲肋构造尺寸要满足规范5.1.5条、5.1.6条规定。

6)腹板及其加劲肋： 连接顶底板平面形成整体断面，主要起抗剪作用，在弯矩、剪力和集中荷载作用下，腹板受力与钢板梁类似，需要设置横向加劲肋和纵向加劲肋，抵抗腹板的弯剪失稳和局部压皱， 腹板板厚一般为14mm～22mm腹板间距为3m～6m，不建议大于6m，纵向加劲肋一般采用板肋 ，布置方式参见《公路钢结构桥梁设计规范》JTGD64-2015第5.3.3条的规定， 横向加劲肋一般采用T肋，一般在每个横隔板之间布置一道 ，加劲肋构造尺寸要满足规范5.1.5条、5.1.6条规定。

7)中横隔板有框架式、实腹式横隔板及桁架式横隔板，隔板刚度需满足《公路钢结构桥梁设计规范》JTGD64-2015第8.5条的规定， 板厚一般为10mm～20mm，对于小跨桥梁，一般多采用实腹式横隔板，间距为2～3.5m，梁高小于2m的间距可以采用2m，梁高大于2m，间距可以采用2～3.5m ，根据《现代钢桥》（上册）吴冲著）参考书籍得知横隔板定义开口率 ，横隔板可视为实腹式， 主要考虑剪应力 ； ， 可简化为仅受轴力的杆件 ； 横隔板受力性质介于实腹式和桁架式之间，作为框架处理，考虑轴力和抗弯。实腹式横隔板适用于尺寸较小的钢箱梁，制作简单，应用最广。 桁架式适用于截面较大的箱梁，可以减轻横隔板的自重。

8)支点隔板主要是横向传递荷载给支座，支点隔板须连续， 边支点布置2～3道支点隔板、中支点布置3～4道横隔板，板厚一般取24mm～30mm。

9)悬臂挑梁， 当横隔板间距为3m时，在1.5m处增加一道 ， 当横隔板间距为2m时，悬臂挑梁间距同隔板间距 ，有些设计院的将悬臂挑梁之间采用装饰板密封，不过大部分桥，都是外露出来。

10)支撑加劲肋需要满足15规范5.3.4条规定。

2.传力途径

受力体系划分：

第一体系：结构整体体系，传力途径为4和5，与该变形对应的应力称之为第一体系应力。

第二体系：对应的传力途径为2和3，与该变形对应的应力称之为第二体系应力。

第三体系：对应传力途径1，即支撑在两邻顶板纵肋之间的桥面板的横向变形，与该变形对应的应力称之为第三体系应力。

传力路径1： 即第三体系，由于薄膜应力效应，本体系应力一般不考虑。

传力路径2： 属于第二体系，忽略横隔板对纵肋的转角约束影响，按简支梁和多跨连续梁包络计算，局部加载冲击系数取1.4，本体系应力不应超过60Mpa。

传力路径3： 属于第二体系，按横肋模型和横隔板模型分别计算，局部加载冲击系数取1.4，本传力途径应力计算一般较小，可忽略。

传力路径4： 主梁纵向受力体系，为第一体系，顶底板有效宽度根据15钢结构规范5.1.8条计算，冲击系数根据自振频率计算，顶板本体系顶板应力需要考虑2号途径应力б，将两者进行组合相加（偏安全考虑），如顶板第一体系应力为87Mpa，第二体系应力为49MPa，两者叠加为1.1×（87+49×1.8）=175MPa（偏保守考虑），底板应力为100Mpa，综合设计经验组合应力一般不超过240MPa（规范要求对于16mm以下的钢板是275Mpa，16mm～40mm是270Mpa），对于小曲线半径桥梁需要考虑扭转剪应力与弯曲应力的组合。

传力路径5： 主梁横向受力体系，为第一体系，顶底板有效宽度根据15钢结构规范5.1.8条计算，应进行横隔梁的验算及支座顶加劲板局部计算。

3.钢箱梁部分细节设计

1)U肋的选取 ，目前中国钢结构规范对U肋的选取没有相关参数，可以参考的是《桥梁钢结构用U形肋冷弯型钢》（中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T 4624-2017）的行业标准， U肋为现场板单元加工构件，也可以自行设计。

过焊孔参考欧标，其与美国标准和日本标准有点区别，这里不再阐述。

图5. U形肋过焊孔示意图

2)连接方式

钢箱梁目前主要是焊接与栓接两种工艺，目前而言，焊接相对多些，但是焊接质量控制是个问题，焊接参考《焊缝符号表示法》GB/T 324-2008要求，同时满足15版桥梁钢结构设计规范第6章 连接的构造与计算章节要求，栓接一般在U肋分段处采用，防止桥面疲劳破坏，需要计算螺栓个数，一般采用等强度理论计算，可参考86版钢结构及木结构规范。

3)检修人孔的布置

为保证后期维修方便，确保钢箱梁每个位置都能达到，一般需要设置检修人孔，检修人孔设置在受力较小处， 底板人孔尽量设置在梁端，腹板人孔尽量设置在跨中。

4)桥面铺装 规范要求 不宜超过8cm ，考虑桥面板的耐久性，目前普遍的做法是采用混凝土现浇层+沥青铺装，现浇层与钢箱梁顶板通过剪力钉连接。

5)疲劳细节设计

疲劳细节设计，比较复杂，参考15规范附录C表C.0.2～表C.0.4选取参数，结合不同部位焊接方式的及规范5.5条（P28～P32页及P117～P118页）进行计算。

6)钢箱梁的节段划分

一般节段划分不大于13m，宽度不大于一个车道宽度3.75m ，且节段线要避开受力最大位置，横向分块尽量避开车轮轮迹线。

5.桥梁涂装设计

桥梁涂装设计参考《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》JT/T 722-2008的要求。