当前公路钢结构桥梁设计现状

           

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。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。

钢结构桥梁分钢箱梁、钢桁梁全钢结构，钢混组合梁结构（钢板组合梁桥、钢箱组合梁桥、波形钢腹板桥梁）

1.钢桁梁桥

贵阳至黔西高速公路：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。

2.钢混组合梁桥

多座桥梁采用30m~50m钢混组合梁通用图设计。

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。

减小结构高度、提高结构刚度、减小结构在活荷载下的挠度。工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快。

大幅减少水泥用量，减小对环境污染。存在抗扭刚度较弱、适用跨度不大的缺点。

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。

3.钢板组合梁桥

多座大桥采用40m、50m钢混组合梁桥设计。

负弯矩区结构设计关键技术↓↓↓

1 配筋限制裂缝宽度法

2 支座顶升法

3 预加荷载法

4 施加预应力筋法

5 抗拔不抗剪连接新技术

4.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。

5.波形钢腹板组合梁桥

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顶板的连接

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底板连接-托底式

对部版预制T梁和小箱梁指标统计：

组合梁指标统计：

几座高速钢板组合梁与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% 。

几座高速抗震结构内力分析对比L：

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。

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。

一般地区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%。

70~160m波形钢腹板经济性分析：

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;

在75~130m跨径范围内，波形钢腹板与连续刚构经济性相当;

在130~160m范围内，波形钢腹板造价高约13%;

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。

1、加强推动高性能结构钢的应用

在中小型桥梁中，桥梁钢结构的应用面临PC桥的竞争，为提高竞争力，高性能钢结构钢的应用成为国际钢桥发展的重要措施。

我国铁路钢桥多采用《桥梁结构用钢》（GB/T714-2015）,而建筑钢结构、公路钢桥则多采用《低合金高强度结构钢》（ GB/T 1591）。目前耐候钢的材料性能基本达到了桥梁钢结构标准，应当大力推广应用。

2.加强桥梁结构方案比选：

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。

3.做好钢结构桥梁的选型工作：

每一类结构，根据细部结构差异又可以分为多种结构类型，每种结构有其各自的特点和适用范围。

4.加强钢结构桥梁的构造设计：

细部设计

加强节点、截面过渡和连接部的细部设计，做到结构连续均衡，避免断面突变和过分应力集中，减少结构疲劳损伤。

防腐设计

完善排水设计，切实做到不渗不漏，防止桥面水对钢结构的腐蚀，强化排水系统材料选择、结构设计和施工安装等精细化设计。

稳定设计

加强上部结构的抗倾覆构造设计和验算，保证结构稳定性，对于箱型整体性断面，支点间距不宜小于结构宽度的60%.

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。

钢结构桥梁适宜工厂化制造、工业化生产，应通过结构标准化、加工只能化，更好地提升钢结构桥梁建造品质，降低建设成本，提高生产效率。

设计师：统筹考虑钢结构桥梁标准化设计、工厂化制造等问题，合理划分构件和节段。

施工现场工程师：钢结构拼装方案要进行专项设计，现场拼装可以采用焊接连接，也可以采用栓接、铆接等方式，尽量减少施工现场焊接、防腐涂装，增加施工操作的便利性，保证质量耐久性。