赵君黎 刘晓娣
（中交公路规划设计院有限公司 北京100088）
摘要：本文通过介绍钢-混凝土组合结构在桥梁中的应用发展历史，结合组合结构桥梁技术发展情况，介绍了《公路钢-混组合桥梁设计施工规范》（JTG/T D64-01-2015）和《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）编制情况，以及在我国“加强推进公路钢结构桥梁建设”技术政策背景下组合结构桥梁的推广应用情况，提出了在推广应用中一些值得关注的主要风险问题。
关键词：钢-混组合桥梁 历史 规范 推广
1.1 国外发展历史
组合结构以其整体受力的经济性、钢和混凝土材料特性均能发挥优势的合理性、施工方便性等方面的优点而得到了推广，从20m～25m的中小跨径桥梁到近千米跨径的斜拉桥都有应用。
在20世纪四五十年代，欧美国家已经对组合梁有了细致、深入、全面的研究和应用。美国、英国、德国、加拿大及前苏联等国家都制定了有关组合结构桥梁设计的规范或规程，各国也相继建成组合结构桥梁，设计理论也逐渐完善。
20世纪六七十年代是组合结构发展的一个重要阶段，一些国家组合结构的发展几乎赶上了钢结构，且在一定领域能够代替钢结构和钢筋混凝土结构。1971年，在国际土木工程师协会联合委员会主持下，由欧洲国家混凝土委员会、欧洲钢结构大会、国际预应力联盟和国家桥梁及结构工程协会组成了组合结构联合委员会，总结了20世纪六十年代组合结构发展中所取得的经验，于1979年颁布了《组合结构典型规程草案》，并于1981年正式颁布了《组合结构规范》，进一步促进了组合结构桥梁的发展。
1.2 国内发展历史
我国在20世纪五十年代学习前苏联的过程中开始接触到组合结构的概念，然而由于当时钢材匮乏，在公路桥梁建设中很少采用钢桥，从而钢-混凝土组合桥梁的应用受到限制。但在当年我国建成的武汉长江大桥、衡阳湘江大桥、川黔线乌江桥、东兰红水河桥的桥面结构中已经开始采用了组合梁的构造方式，只是在设计过程中未考虑组合作用，而仅仅将其作为强度储备。
钢-混凝土组合结构在我国桥梁上的真正应用和发展主要体现在近20年以来。钢-混凝土的组合结构形式在桥梁上的应用不仅仅局限于传统的组合板梁、组合箱梁、组合桁梁等组合结构形式（典型截面形式见图1、图2），还出现了波形钢腹板组合箱梁、钢梁和钢筋混凝土梁在桥梁纵向组合的混合结构形式等，应用桥型也由开始的梁桥到斜拉桥、拱桥以及刚构桥。各种结构形式桥梁采用的组合形式也越来越多样。
图1 钢板梁-混凝土组合桥截面
Fig.1 Section of steel plate girder-concrete composite bridge
图2 箱形钢-混凝土组合梁桥截面
Fig.2 Section of box steel-concrete composite girder bridge
1991年上海市建成的南浦大桥是我国第一座钢-混凝土组合斜拉桥。其后，在上海杨浦大桥、青州闽江大桥、重庆观音岩长江大桥等均采用了同样的结构形式。
1993年，北京市国贸桥首次采用了钢-混凝土叠合板组合梁，既保证了桥面的整体性，同时又大大加快了施工进度，并保证了桥下交通，之后在深圳、长沙等多个城市均有这样的工程建设实例。
2005年，我国建成了第一座波形钢腹板组合连续箱梁人行桥——长征桥，之后逐渐推广，成为近年来发展的一种重要的组合结构桥型。
2006年8月重庆石板坡长江大桥复线桥建成通车，该桥为连续刚构，其330m跨的中部108m采用了钢箱梁，实现了桥梁纵向的钢-混凝土组合，即“混合梁”。
从统计资料看，我国公路领域建成的组合、混合结构桥梁1293座（2015年数据），占当年公路桥梁总数量的0.17%，其中大跨径斜拉桥主梁应用较多，比如香港昂船洲大桥、湖北鄂东长江大桥等（表1），在目前世界排名前10位的斜拉桥中，共有7座为组合结构桥梁；再就是中小跨径的公路梁桥中，组合结构应用较多，包括近年来发展迅猛的波纹钢腹板组合梁桥。
表1 世界排名前10位的斜拉桥
Tab.1 Top 10 cable-stayed bridge in the world
序号桥名主跨/m 国家建成时间主梁主材1 Russky 1104俄罗斯2012钢-混混合2苏通大桥1088中国2008钢混混合4鄂东长江大桥926中国2010钢-3昂船洲大桥1018中国2009钢-混混合5多多罗大桥890日本1999钢-混混合6诺曼底大桥856法国1995钢-混混合7九江长江大桥818中国2012钢-混混合8荆岳长江大桥816中国2010钢-混混合9 Incheon-2 800韩国2009钢10 Zolotoy 737俄罗斯2009钢
因为组合结构桥梁具有施工快速、便捷、不影响桥下交通等混凝土桥梁不可比拟的优势，从而在市政领域发展一直较快，其技术发展和经验也一直相对领先，但具体统计数量还需要从分散在各地的数据库中进一步发掘。
2.1 波形钢腹板组合结构桥梁
波形钢腹板组合梁桥与传统混凝土梁相比，具有自重轻、改善结构受力性能、便于装配施工、造价低、耐久性好等优点（构造见图3）。在我国波形钢腹板组合梁桥的应用起步较晚，但近年来发展迅速。2005年建成的拔河大桥是国内建成的首座公路波形钢腹板组合箱梁桥，之后在不同地区逐渐推广应用，迄今已建和在建的波形钢腹板组合桥梁已达40多座。随着工程经验的积累和设计技术的进步，波形钢腹板组合梁已开始向大跨、复杂桥型发展，结构形式有简支梁、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥。波形钢腹板组合桥梁设计理论、构造要求、产品加工、构件连接、施工方法等已形成一套成熟的应用体系。
广东、河南、江苏、山西等地已编写并颁布实施了当地地方标准或技术规程，以进一步推广波形钢腹板组合梁桥的应用。并且，已于2010年颁布实施的行业产品标准《组合结构桥梁用波形钢腹板》（JT/T 784）对桥梁用波形钢腹板的生产、加工制造、产品质量、加工工艺等方面提出了要求，对波形钢腹板组合桥梁的工程质量提供了必要保障。国内一些波纹钢板企业的生产能力和技术水平也在不断发展和提升，支撑了这种桥型的迅猛发展。
图3 波形钢腹板箱梁构造示意
Fig.3 Structure schematic of box girder with corrugated steel web
从应用实践和科研结论看，这种桥型在波形腹板与顶、底板的连接模式上还有待进一步研究和改进，在使用PBL键或剪力钉连接、或混合连接方面，还需要更多的研究和实践支持，以保证连接的安全和耐久，保证这种桥型能更广泛的应用。
2.2 抗拔不抗剪连接件
连续组合梁桥中间支座附近的负弯矩区混凝土桥面板开裂难题一直以来制约着钢-混凝土组合结构体系的发展。各国对这一问题的处理方式也有很大差别。我国《公路钢-混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015）中推荐采用施加预应力的方法。但由于收缩徐变的影响，预应力损失的影响比较明显。
抗拔不抗剪连接件是为解决这个问题而研发的一项新技术。该连接件的主体由螺杆和螺帽组成，材质和传统栓钉连接件相同，施工时，先将螺杆焊接在钢梁翼缘上，然后在螺杆周围套上低弹模材料（如泡沫塑料、EVA泡棉、橡胶等），最后再拧上螺帽（图4）。
采用这种连接件可以有效释放负弯矩区混凝土板中的拉应力，同时保证组合界面紧密贴合，保留了传统栓钉连接件抗混凝土板掀起的功能，而且构造简单、施工方便。
节段模型试验结果表明，抗拔不抗剪新型连接件在几乎不削弱负弯矩区组合梁整体刚度和极限承载力的同时，可显著提高负弯矩区混凝土板的抗裂性能。抗拔不抗剪连接新技术已应用于组合结构实际工程，成功解决了连续组合梁负弯矩区抗裂设计难题。
图4 抗拔不抗剪栓钉
Fig.4 Uplift-restricted and slip-permitted stud
3.1 组合梁规范历史
在1974年颁布试行的《公路桥涵设计规范》中有对组合梁桥设计的一节设计规定，称之为“联合梁”。该规范对混凝土和钢梁结合面的纵向剪力计算、桥面板和剪力连接件构造要求、温差和徐变作用要求等内容进行了基本规定。
在之后1986年颁布实施的《公路钢结构及木结构桥梁设计规范》（JTJ 025-86）中亦有“联合梁”一节内容，技术要求在原规定基础上增加钢筋混凝土桥面板的计算。至2015年，该规范一直是我国近30年公路工程行业进行钢结构桥梁设计执行的唯一技术标准。
在这段历史时期，我国公路工程建设开始进入了高速发展的阶段，钢结构桥梁建设快速发展以及设计施工技术的日益完善，逐渐出现了钢结构以及组合结构桥梁基础理论研究和技术规范远远落后于工程建设的尴尬局面，技术规范不能满足设计、施工与养护的需求，进而限制了组合结构桥梁的进一步应用发展。
3.2 规范现状
《公路钢-混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015）是我国公路行业第一本完全属于钢-混组合结构桥梁的设计规范，该规范在公路工程标准体系中定位为推荐性规范，其从属于《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）的下位规范，有关技术要求应符合上位规范的规定，并在上位规范内容的基础上进行细化、扩展，做出了更详细的具有指导意义的规定。该规范对组合梁设计计算、组合梁桥面板、连接件、混合结构等重点设计内容进行了规定，并包括了不同组合结构型式的施工要求。
2015年由交通运输部颁布实施的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）和《公路钢-混组合桥梁设计与施工规范》解放了30年来制约钢结构桥梁建设发展的束缚，为新的历史条件下钢结构桥梁推广应用提供了必要的技术条件。另外，在市政行业进行的钢-混组合桥梁设计主要遵照《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917 -2013）进行。
对于本规范未涵盖的内容（如波形钢腹板），部分省区也研发编制了自己的地方标准或设计规程，也在各自的领域中开始应用。
3.3 规范的不足
由于各种因素导致的行业规范编制周期较长和规范对技术成熟度要求等方面原因，在编写过程中出现的一些新技术并不能纳入规范中。
在2007年开始编制行业规范时，波形钢腹板组合桥梁开始应用时间不长，建成运营效果并不能完全显现，还不具备进入行业规范的成熟度，所以规范中没有纳入这部分内容。
抗拔不抗剪连接件设计新技术也是近几年来的研究成果，进入规范也还需更多的实践支持。另外从产品属性方面衡量，抗拔不抗剪连接件作为公路工程行业产品标准编写更为适合，但其连接方式作为一种新技术，进入新一轮标准规范是指日可待的。
至2015年底，我国已建公路桥梁77.92万座，总长4.6万公里，其中钢（包括钢-混组合）结构长度占比仅为1%，其中钢、钢-混组合结构桥梁分别只有584座和1293座，数量占比仅为0.08%和0.17%。而法国近年建造的桥梁中有85%采用了钢-混组合技术。
2016年交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》（交公路发〔2016〕115号，下称《意见》），在甘肃、河北、湖南、北京等省市先后组织召开了钢结构桥梁研讨会，受到行业各方面的高度关注，部分省区已经或超前开始了主动性的通用图研发工作。
4.1 应用
对平原地区中小跨径桥梁的情况，有的设计院提出了：钢-混工字组合梁、钢-混组合箱梁、波形钢腹板PC组合箱梁、钢桁腹组合梁桥以及钢波纹管涵等桥梁型式，开展了《公路钢-混凝土工字组合梁的技术研究》等课题、地方标准和通用图的研究和编制。同时加大在工程中应用的推广力度，在太行山高速某路段共设20座大桥采用了钢-混工字钢组合梁，钢桥占比达1/3。对于钢材不同价格时期，30m跨径采用钢-混组合梁桥上部经济指标比预应力混凝土T梁高15%～30%，但是能有效地节省下部工程量，同时能够降低后期运营养护费用。
采用多主梁组合结构桥梁上部结构设计，结合地域环境、交通等特点，在上部结构主要构件的安全储备上有满足当地要求的考虑，在桥梁上部结构安全储备、平米材料指标、建设造价和全寿命周期成本之间有综合考量，非常务实。
4.2 结构创新
钢-混组合板梁的轻型化也是在中小跨径桥梁推广应用中的一个发展趋势。通过对传统的钢梁体系进行大幅简化，减少主梁片数，减少横撑、腹板和加劲肋，采用预应力混凝土板，把两车道桥的主梁减少到2根，三车道减少到3～4根，被认为是非常经济的一种桥梁形式，可能会成为新建组合板梁桥的主流。
在结构简化创新方面，华东某省份依托“标准化、系统化、工厂化、信息化”为核心的公路工业化建造技术研究，形成中小跨径钢板组合梁结构的规模化应用。相继研发了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型钢板组合梁结构，适用于各类公路桥梁和市政桥梁，开创了国内钢板组合梁应用的先河。目前该省新建高速公路项目中钢结构桥梁比例已超过10%。
减少钢主梁片数的组合结构桥梁型式能够很大程度上降低组合结构桥梁上部结构的平米指标和建设造价，但在国内的发展初期其主要构件安全冗余值得进一步关注，以为公路钢结构桥梁的应用提供更安全、扎实和强劲的推动力。
4.3 战略推广
2016年11月1日，国内首家装配化钢结构桥梁产业技术创新战略联盟成立，联盟成员单位包括钢铁企业、制造企业、装备企业、产品企业、桥梁设计和施工企业以及有关高等院校等共32家，具备全产业链一体化服务能力。该联盟致力于成为推动钢结构桥梁建设行业产业技术发展方向的引领者、行业相关领域标准的制定者、钢结构桥梁建设的推动者，全力支持联盟发展和示范工程落地，发展成为行业的钢结构品牌，成为引领我国钢结构桥梁产业发展的旗帜。该联盟积极开展常规桥梁通用图纸的研发编制工作，在安全、耐久、造价和全寿命周期成本领域都有不俗的考虑。
《意见》发布后，各地公路管理、设计、科研、施工、制造等单位积极动员、紧抓落实，通过开展相关课题研究、编制典型结构通用图、创建产业发展平台等方式，促进公路桥梁钢结构的推广，并取得了良好的效果，公路钢结构桥梁建设呈现出一片欣欣向荣、方兴未艾的蓬勃发展景象。但很多专家和有识之士也非常担忧“大波轰”、“一哄而上”带来的钢结构桥梁、组合结构桥梁的质量、安全和耐久问题，担心各类桥梁病害大规模爆发，这一点，在指导意见中也有明确表达，希望能引起各地和各项目的高度关注，将推广钢结构、组合结构桥梁这件事做好做实。
参考文献：
［1］朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理［M］.第2版.北京：建筑工业出版社，2006
［2］聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2011
［3］刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2005
［4］聂建国，陶慕轩，聂鑫，等.抗拔不抗剪连接新技术及其应用［J］.土木工程学报，2015，48（4）：7-14+58
［5］何勇海，李志聪，闫涛.河北：钢铁大省的钢桥发展［J］.中国公路，2016（11）：27-28
［6］胡可.安徽：系统化应用钢结构桥梁［N］.中国交通报，2016-8（6303）
Application Overview of Com posite Steel-concrete Structures in Bridge
Zhao Junli Liu Xiaodi
（CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）
ABSTRACT：The history of composite steel-concrete structures in bridges and the development of composite structure bridge technology are reviewed in this paper.The standards preparation background of JTG/TD64-01-2015“Highway steel concrete Composite Bridge Design and Construction Specifications”and JTG D64-2015“Specifications for Design of Highway Steel Bridge”are presented.Some important risk related problems in the promotion progress under the technical policy of“facilitating the construction of highway steel bridges”are put forward.
KEYWORDS：Composite steel concrete Bridges History Specifications Promotion
联系客服
