摘要：研究了组合梁桥的设计理念，对其设计计算理论、整体构造设计和局部连接设计进行了深入分析，从而明确了开展组合梁桥设计的基本方法和思路。探讨了组合梁桥设计的关键难题，即负弯矩区混凝土抗裂设计问题，并提出了相关改善措施和技术。最后，基于钢混组合梁桥的设计理念，以波形钢腹板组合梁桥为案例，分析了这一具体组合梁桥的设计方法和要点。
关键词：组合梁桥；设计理念；案例分析；计算理论；连接构造；负弯矩区抗裂
1 前言
组合结构在土木工程领域的应用越来越多，目前广泛采用的组合结构是钢筋混凝土与钢结构组合的结构型式，充分利用了钢材抗拉强度高、混凝土抗压性能好的优势，并通过混凝土约束钢构件的屈曲和疲劳问题，通过钢结构降低混凝土的材料使用并回避了抗裂性能差等问题，从而提升结构跨越能力，降低工程建设成本。目前钢混组合结构在桥梁工程中应用越来越广泛，典型的钢混组合梁桥、钢混组合桥塔、钢混组合桥梁体系等。
论文分析钢混组合梁桥的设计理念，并指出其设计需要考虑的主要问题和难题，最后结合波形钢腹板预应力组合梁桥的设计，分析设计要点和方法。促进组合梁桥结构体系在桥梁设计中的实践与应用。
2 组合梁桥的设计理念
组合梁桥的设计理念就是充分发挥钢材与混凝土材料各自的结构优势，具体而言就是充分利用钢材的抗拉强度高的特性，充分利用混凝土 受压稳定好、强度高及耐久性好的特性，并尽可能回避钢材与混凝土材料的技术劣势，如钢构件的受压屈曲问题、反复荷载疲劳问题、易受腐蚀问题等，混凝土材料抗裂性能差、结构自重大、容易碳化等。
具体而言，开展组合梁桥的设计需要考虑如下几个理念，即计算理论、整体构造、局部连接三个方面。
2.1设计计算理论
计算理论是指导钢混组合结构设计的基本理念，通过计算理论能够明确钢混组合结构梁桥的承载性能和抗裂性能，目前用于钢混组合梁设计的基本计算理论有全弹性和弹塑性理论。
全弹性理论认为极限承载状况下组合结构的破坏是边缘屈服准则，边缘应力状态超过材料的允许应力水平就会发生失效，认为钢材和混凝土都是弹性体直到梁体破坏失效，并且钢材与混凝土的连接完好。因此，钢构件和混凝土构件都可以基于刚度分配原理分别计算其承受的轴力、弯矩和剪力等，这种设计计算理念使得钢混受力非常明确，因此可以根据结构承载要求设计对应的钢材与混凝土截面配置。
弹塑性理论则考虑钢材和混凝土会达到弹塑性状态，挖掘结构的极限承载力，一般认为混凝土和钢材都是理想的弹塑性体，因此钢材受拉区全部进入屈服状态，混凝土受压区也全部进入极限压应力状态，同时钢材与混凝土之间的可以存在部分滑移，但不影响整体截面的受力承载。
无论是弹性还是弹塑性设计理念，都是基于简单梁理论的平截面假定进行设计，这是目前形成的普遍认识，不同设计理念下钢混连接的设计要求不同，全弹性理论要求钢混连接不能出现错开和明显滑移，而弹塑性理论则可以存在钢混滑移，但不影响截面整体承载的效果。
2.2整体构造设计
钢混组合梁桥相对于钢筋混凝土梁桥和钢梁桥都有其技术优势。相对于全钢梁桥，结构顶部桥面板设计变得简单，桥面板整体性能得到改善，回避了全钢梁顶部受压屈曲问题，降低与桥面板直接连接区域疲劳失效问题等；相对于钢筋混凝土梁桥，结构跨径显著提高、规避了混凝土开裂风险及提高了建造工业化。
在目前公路桥梁行业工业化建造背景下，实现桥梁构件产品化和建造手段机械化，成为行业发展的重要背景。钢混组合梁桥结构，将预先安装的钢梁作为支撑混凝土顶板施工的模板，而混凝土顶板可以通过纵向、横向或纵横向的快件分割，形成快速装配体系，能够显著提高建造效率。因此，钢板组合梁桥的整体构造设计，应该以方便开展工业化建造为目的进行。例如，将钢梁制造成标准化结构快件，将混凝土顶板和桥面板设计成标准化规格的产品；这些标准化的产品在工厂中通过几个模板体系能够快速制造加工，从而将现场作业转移到工厂施工中，显著提高了建设效率；规格化的产品通过运输到施工现场，利用机械进行构件装配，并采用少量的现场施工工艺将结构形成能够承载受力的整体。
这种工业化建造理念，使得桥梁的整体构造设计按照施工要求进行，从而促进桥梁建造产业升级，这里面，钢混组合梁桥是关键应用桥型。
2.3局部连接设计
钢混组合梁桥的局部连接设计中最为关键的就是钢与混凝土的连接问题，这是保证两种建造材料能够协同受力的关键。由于钢混连接区域受力的复杂性，使得实际运营条件下受外荷载作用，钢混连接区域的是否存在开裂、开裂程度及滑移情况等，均存在很大的不确定性。
在无法完全掌控钢混连接区的传力机理的情况下，目前的连接设计方法就是保证其协同受力、共同变形、安全承载，通过赋予较大的安全储备进行构造。下图1是钢混连接典型的构造连接模式，这些连接设计的理念：一方面是保证结构刚度过渡的平缓性，由于钢材与混凝土的弹性模量具有较大差异，因此需要设置过渡连接装置，使得钢材与混凝土之间的传力顺畅；另一方面是保证钢材与混凝土协同变形受力，通过赋予较大的安全储备，尽可能降低两者连接的滑移失效风险。
3 组合梁桥设计需要考虑的关键问题
组合梁桥相对混凝土梁桥和钢梁桥尽管有一定的受力优势，但同时带来一定的技术难题，其中最主要的就是负弯矩区的抗裂性问题。连续梁桥各类施工方法均存在负弯矩区，且随着结构的运营使用及徐变作用，负弯矩数值会越来越显著，负弯矩区仍然是混凝土作为抗压处于上层，钢梁作为受拉处于下层，这样就带来负弯矩区混凝土开裂问题，这一开裂问题不仅影响结构的承载安全，还对钢混组合梁结构的长期耐久性能产生显著影响，在设计中应该重视。
针对组合梁桥负弯矩区的抗裂性能，可以通过多种手段进行改善提升，常用的有支座位移法、桥面板滞后结合、增设中支点预应力钢筋等。
（1）支座位移法，在施工中通过人为调整支座的位移，使得负弯矩区混凝土形成预压施工效果，具体实施方法是：钢梁架设完成后，顶推中间支座使得中支座向上产生一定的位移；现浇混凝土桥面板，并进行养护施工，使得桥面板与钢梁连接；最后释放中支座的顶推位移，使得桥面板形成预压效果。该施工过程比较简单，就是在原有的施工流程上增加一道工序，但需要注意到顶推的位移需要考虑结构受力进行计算分析，此外还需要在中支座附近设置相关的顶推平台方便实施。
（2）桥面板滞后结合方法。滞后结合的机理是消除收缩徐变产生的次内力效果，从而降低支座处的负弯矩大小。首先安装钢梁结构，作为支撑混凝土桥面板施工的模板；其次，先浇筑施工跨中区域的桥面板，使得钢梁结构预先变形，同时消除跨中区域混凝土桥面板与钢梁结合的收缩徐变次内力；最后，施工浇筑负弯矩区的桥面板，从而降低支座负弯矩，同时减低收缩徐变产生的次负弯矩，降低结构开裂的风险。桥面板滞后结合的方法通过灵活调整建设工序实现，但同时也使得施工中工序调整较为复杂，同时该方法能够降低开裂风险，但无法全面消除。
（3）施加中支点预应力短束。开裂区增设预应力钢束是最直接最有效的方法，通过预应力给顶板储备一定的压应力，以抵抗运营期间的结构开裂风险。但是增加预应力短束需要对应的锚固构造，这使得桥面板的设计变得相对复杂，此外预应力短束的永存预应力及其运营中的损失较难估计。设计中需要考虑这些因素。
4 钢混组合梁设计案例分析
结合钢混组合梁桥的设计理念和方法，这里阐述波形钢腹板型式的钢混组合梁桥设计方法与要点，如图2所示。
设计理念：通过采用波形钢腹板代替传统的混凝土腹板，从而极大地降低了结构的自重，增加了跨度范围，实现了结构的轻型化。此外，由于波形钢板的褶皱效应，使得温度、混凝土收缩、徐变等作用下，混凝土的约束效应有限，从而结构的次内力和变形较小，使得预应力的施加效率很高，实现了结构与预应力设计的优化。
设计要点与方法：（1）波形腹板的尺寸与构造设计，在主梁弯矩作用下，腹板需要承担剪切作用，在剪力下波形钢腹板需要设计校核：钢板剪应力强度、剪应力下局部屈曲应力、剪应力下沿腹板高度的整体屈曲应力，才能保证腹板的屈曲稳定和承载安全。（2）体外预应力设计，波形钢腹板预应力组合梁桥中的体外预应力应该按照真实的连接模拟计算其极限承载力，并将梁桥按照压弯构件进行安全承载计算，分析中需要考虑体外预应力因几何位置改变所引起的二次效应。（3）钢腹板与混凝土连接，首先，钢腹板与混凝土顶底板的连接可以采用目前组合梁桥的典型连接模式，如栓钉连接、型钢连接、组合连接件、嵌入连接等模式；其次，钢腹板与横隔梁的连接需要保证腹板承受的剪力能够较好地传递到下部结构，常用的有栓钉连接和型钢连接两种，如下图3所示。
5 结论
组合梁桥是桥梁领域具有广泛发展前景的桥型结构，因其充分利用多种建筑材料的各自优势。论文探讨了组合梁桥设计理念，并分析了负弯矩区抗裂设计这一关键问题，提出了相关技术方法和措施。最后，结合组合梁桥的设计理念，以波形钢腹板组合梁桥为案例，分析了这一桥型的设计理念、设计要点和注意事项。
参考文献
[1] 邵长宇. 组合结构桥梁的发展与应用前景[J]. 城市道桥与防洪, 2016 (9): 11-15.
[2] 孙涛. 钢混组合梁桥的设计要点和方法[J]. 城市道桥与防洪, 2017 (4): 67-69.
论文作者:冯雷
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2017/12/15
标签：组合论文; 混凝土论文; 腹板论文; 弯矩论文; 结构论文; 桥面论文; 钢梁论文; 《基层建设》2017年第27期论文;