引言

近二十年来，随着计算水平的提升和施工工艺的进步，钢板组合梁桥的构造得到了极大的简化，当桥面宽度不是很大时，钢板组合梁桥向着少主梁甚至是两主梁的形式设计，使得现场工作量大幅降低。使其在施工性能和管养维护方面，相比预应力混凝土桥梁及钢筋混凝土桥梁具有极大的竞争力。在用钢量方面，钢板组合梁桥也要优于钢箱梁桥。

图1 钢板组合梁桥主梁形式演变

Figure. 1  Evolution of main girder form of steel plate composite girder bridge

而钢板组合梁桥少主梁体系相对于多主梁，有构件数量少、焊接量小、建造成本低、易维护等优势，但结构强健性较低。表1为少主梁与多主梁桥的详细对比：

表1 少主梁与多主梁桥对比

Table.1  Comparison of few main girders and multi-main girder bridges

1  钢板组合梁桥断面总体概况

对于四车道和六车道高速公路，桥面宽度分别为12.5m和16.25m。一般主梁可以设计为双主梁、三主梁及四主梁断面形式。对于桥面宽度12.5m的四车道高速公路，双主梁梁间距约6.5m，桥面板采用预应力混凝土结构；三主梁梁间距约4.2m，桥面板可采用普通钢筋混凝土结构；四主梁梁间距约3m，梁间距太小、主梁过密、构件多、焊缝多、维护工作量大，一般设计不考虑。

图2 四车道双主梁钢板组合梁断面图

Figure. 2  Section diagram of steel plate composite beams with four lanes and double main girders

图3 四车道三主梁钢板组合梁断面图

Figure. 3 Section diagram of steel plate composite beams with four lanes and three main girders

对于桥面宽度16.25m的六车道高速公路，双主梁梁间距约9m，桥面板采用预应力混凝土结构；三主梁梁间距约6m，桥面板也采用预应力混凝土结构；四主梁梁间距约4.5m，桥面板采用普通钢筋混凝土结构。考虑到双主梁梁间距较大，结构强健性较差，安全冗余度不高，一般设计不考虑。

图4 六车道三主梁钢板组合梁断面图

Figure. 4  Section diagram of steel plate composite beams with six Lanes and three main girders

图5 六车道四主梁钢板组合梁断面图

Figure. 5  Section diagram of steel plate composite beams with six Lanes and four main girders

2  钢板组合梁桥四车道断面分析

2.1结构受力性能分析

在主梁断面形式中，主梁数量和主梁间距是影响混凝土桥面板横向受力性能的重要参数。对于双主梁的断面形式，在12.5m的桥宽中，主梁横向间距达到6~7m，如此大的主梁间距，桥面板需满足结构的受力性能，必须在横向上布置预应力，为桥面板提供横向的预压力。对于三主梁的断面形式，主梁的横向间距3.5~4.5m，较双主梁截面形式相比，主梁间距减小很多，可考虑采用钢筋混凝土桥面板。为确保混凝土桥面板的长期性能，需控制混凝土桥面板的裂缝宽度和钢筋应力，确保结构耐久性。

从受力性能的角度分析，三主梁的截面形式结构受力性能会明显优于双主梁的结构形式。采用三根主梁截面形式后，各主梁之间的间距大幅度减小，主梁之间的联系更加可靠，因而结构的整体性更好；此外，三主梁的形式大大减小了混凝土桥面板的横向跨度，避免了桥面板横桥向跨越较大的横向距离，对桥面板的横向受力性能有明显的改善；在结构纵向上，三主梁的截面形式相对于双主梁的截面形式，截面惯性矩有一定程度的增加，因此结构的刚度更大，结构承受荷载的能力更强，冗余度大，安全储备较高。

双主梁的截面形式，由于施加横向预应力，也可以满足结构使用性能的要求，但混凝土桥面板在横向上跨越了较大的距离，使得桥面板的受力性能相对较差，结构的安全储备较低。

2.2工程量与经济性分析

对于双主梁和三主梁的断面形式，二者对应的工程量之间有较大的差别。主要从混凝土及钢材两方面比较，两种截面形式的混凝土材料用量相差不大，钢材的材料用量相差较多。

对于预应力混凝土桥面板，厚度可取为25cm；对于普通钢筋混凝土桥面板，厚度可取28cm。与双主梁截面相比，三主梁截面在中主梁上缘的混凝土桥面板中多设置一个承托，其混凝土用量较双主梁截面会略微增加，但增加数量不大。双主梁桥面板需配置预应力钢束，三主梁桥面板不需配置预应力钢束，但钢筋数量较双主梁桥面板多。综合比较，在桥面宽度相同的情况下，二者的混凝土材料用量相差不大。

从钢材工程量方面来看，三主梁截面形式与双主梁截面形式钢材用量相差较大。尽管三主梁截面形式中多设置一根钢主梁，主梁钢板的厚度可进行一定的优化，但钢梁截面的梁高并不能改变太多，因而增加了较多的钢主梁工程量，从而增加了建设费用。表2给出35m跨径双主梁截面和三主梁截面的钢主梁工程量对比表，其中用钢量指标表示桥面单位面积的钢材用量。从表2中可以看出，相比于双主梁的截面形式，三主梁截面形式的钢材用量增加了20%左右，钢材用量增加较多，经济性较差。

表2 不同截面形式工程数量表

Table.2  Quantitative table of engineering with different section forms

2.3施工及养护便利性分析

施工便利性是考量一个项目可行性的重要因素，对于钢板梁桥来说，其构件绝大部分是工厂预制构件，其目的是在保证结构质量和安全的基础上，提高结构施工效率，减少现场施工的工作量，因而施工的便利性对钢板梁桥的建设来说极其重要。

从施工便利性的角度来看，双主梁截面形式要优于三主梁截面形式。首先对于钢主梁的预制，三主梁截面形式主梁的制作较为繁琐。三主梁截面形式由于多一根钢主梁，主梁的制造、相应加劲肋焊接以及横梁的制造和连接都增加了较多工作量，其中加劲肋焊接的工作量也成倍增加。其次，三主梁截面形式对于钢主梁制造精度要求更高，在钢主梁的制作中，三主梁的上缘需在同一平面内，否则会影响预制混凝土桥面板的架设工作，更高的精度要求对人员的操作要求更高，人为误差对结构的影响更大。此外，三主梁截面形式在运输和现场施工过程的方便程度更差。三主梁截面形式主梁自重较大，因而对运输和吊装的设备要求更高。增加一根钢主梁，现场施工的工作量也有所增加。

从运营养护便利性来看，双主梁截面形式的结构运营养护更加方便。钢板梁运营养护的工作主要体现在钢梁上，三主梁截面形式由于增加一根钢主梁，钢梁的养护维修工作增加很多，包括钢主梁的涂漆、检修等工作。此外，钢梁中的焊缝数量增加，也增加了焊缝处破坏、疲劳等发生的可能性，给钢板梁结构的运营养护带来更多不便。

2.4四车道断面的综合比选

对钢板组合梁双主梁及三主梁断面形式，结合钢板组合梁的施工方式、加工便利性、与下部结构的协调性、施工工期及设备、结构耐久性及后期管养等方面进行综合比选，详见表3^[1]-[3]：

表3 方案综合比较表

Table.3  Comprehensive comparison table of schemes

3  钢板组合梁桥六车道断面分析

3.1结构受力性能分析

与四车道类似，主梁数量和主梁间距是影响混凝土桥面板横向受力性能的重要参数。对于三主梁的断面形式，在16.25m的桥宽中，主梁横向间距达到6.1m，为满足桥面板结构的受力性能，必须在横向上布置预应力，为桥面板提供横向预压力。对于四主梁的断面形式，主梁的横向间距约4.5m，较三主梁截面形式相比，主梁间距减小很多，可考虑采用钢筋混凝土桥面板。为确保混凝土桥面板的长期性能，需控制混凝土桥面板的裂缝宽度和钢筋应力，确保结构耐久性。

从受力性能的角度分析，四主梁截面形式结构受力性能会明显优于三主梁结构形式。采用四主梁截面形式后，各主梁之间的间距大幅度减小，主梁之间的联系更加可靠，因而结构的整体性更好；此外，四主梁形式大大减小了混凝土桥面板的横向跨度，避免了桥面板横桥向跨越较大的横向距离，对桥面板的横向受力性能有明显的改善；在结构纵向上，四主梁截面形式相对于三主梁截面形式，截面惯性矩有一定程度的增加，因此结构的刚度更大，结构承受荷载的能力更强，冗余度大，安全储备较高。

三主梁截面形式由于施加横向预应力，也可以满足结构使用性能的要求，但混凝土桥面板在横向上跨越了较大距离，使得桥面板的受力性能相对较差，结构的安全储备较低。

3.2工程量与经济性分析

对于三主梁和四主梁的断面形式来说，二者对应的工程量之间有较大的差别，主要体现在混凝土及钢材上。从工程量的对比上来看，两种截面形式的混凝土材料用量相差不大，钢材的材料用量相差较多。

对于预应力混凝土桥面板，厚度可取为25cm；对于普通钢筋混凝土桥面板，厚度可取28cm。与三主梁截面相比，四主梁的截面桥面板中多设置一个承托，其混凝土用量较双三梁截面来说会略微增加。三主梁桥面板需配置预应力钢束，四主梁桥面板虽不需配置预应力钢束，但钢筋数量较三主梁桥面板多。综合比较，在桥面宽度相同的情况下，二者的混凝土材料用量相差不大。

从钢材的工程量方面来看，四主梁截面形式与三主梁截面形式的钢材用量相差较大。尽管四主梁截面形式中多设置一根钢主梁，主梁钢板的厚度可进行一定的优化，但钢梁截面的梁高并不能改变太多，因而增加了较多的钢主梁工程量，从而增加了建设费用。表4给出35m跨径三主梁截面和四主梁截面的钢主梁工程量对比表，其中用钢量指标表示桥面单位面积的钢材用量。从表4中可以看出，相比于三主梁的截面形式，四主梁截面形式的钢材用量增加了18%，钢材用量增加较多，经济性较差。

表4 不同截面形式工程数量表

Table.4  Quantitative table of engineering with different section forms

3.3施工及养护便利性分析

施工便利性是考量一个项目可行性的重要因素，对于钢板梁桥来说，其构件绝大部分是工厂预制构件，其目的是在保证结构质量和安全的基础上，提高结构施工效率，减少现场施工的工作量，因而施工的便利性对钢板梁桥的建设来说是一个重要的方面。

从施工便利性的角度来看，三主梁截面形式的施工便利性要优于四主梁截面形式。首先对于钢主梁的制作，四主梁截面形式主梁的制作更加繁琐。四主梁截面形式由于多了一根钢主梁，主梁的制造、相应加劲肋焊接以及横梁的制造和连接都增加了很多工作量，其中加劲肋焊接的工作量增加约50%。其次，四主梁的截面形式对于钢主梁制造精度要求更高，对人员的操作要求更高，人为误差对结构的影响更大。此外，四主梁的截面形式在运输和现场施工过程的方便程度更差。四主梁截面形式主梁自重较大，因而运输和吊装对设备的要求更高，增加一根钢主梁，现场施工的工作量也有所增加。

从运营养护便利性来看，三主梁截面形式的结构运营养护更加方便。钢板梁运营养护的工作主要体现在钢梁上，四主梁截面形式由于增加一根钢主梁，钢梁的养护维修工作增加很多，包括钢主梁的涂漆、检修等工作。此外，钢梁中的焊缝数量增加，也增加了焊缝处破坏、疲劳等发生的可能性，给钢板梁结构的运营养护带来更多的不便。

3.4六车道断面的综合比选

对钢板组合梁三主梁及四主梁断面形式，结合钢板组合梁的施工方式、加工便利性、与下部结构的协调性、施工工期及设备、结构耐久性及后期管养等方面进行综合比选，详见表5^[1]-[3]：

表5 方案综合比较表

Table.5  Comprehensive comparison table of schemes

4  日本桥梁建设协会建议

结合国内外钢板组合梁发展情况，无论是欧洲的德国、法国、瑞士等国家，还是亚洲的日本，钢板组合梁发展趋势是多主梁逐渐被少主梁代替。日本桥梁建设协会在《新型钢桥的诞生II(改订版)》中建议以桥宽12m为界，大于12m建议采用3～4片主梁，小于12m建议采用双主梁。此外该协会还对双主梁和四主梁进行了比选，从图7可以看出，双主梁的大型构件数量仅为四主梁的40%，小型构件数量为其60%，焊缝长度为其40%，涂装面积为其60%。

图6 日本桥梁建设协会建议

Figure.6  Recommendations of Japan Bridge Construction Association

图7 日本桥梁建设协会主梁形式比选

Figure.7  Comparison and selection of main girder forms of Japan Bridge Construction Association

5  结语

本文系统阐述了四车道及六车道高速公路断面钢板组合梁主梁根数的影响因素，结合日本桥梁建设协会建议，总体来说当桥面宽度不是很大时，钢板组合梁桥向着少主梁甚至是两主梁的形式设计发展。考虑到多主梁体系梁高较低，对桥下净高受限制的特殊场合，如上跨高等级公路、航道时，多主梁体系可以发挥其梁高低的特点，尽管其用钢量较少主梁高出15%左右，但也可作为特殊设计采用多主梁体系钢板组合梁。