鋼混組合梁能充分發揮鋼和混凝土各自優點，結構自重輕、橋墩基礎規模小、架設方便、綠色環保，在國外應用較多，但在我國公路橋梁建設中的佔比不到1%。2016年，交通運輸部研究決定推進公路鋼結構橋梁建設。然而，鋼混組合梁的鋼梁採用鋼板焊接，工程造價高。
大規格H型鋼組合梁，採用大規格熱軋H型鋼代替傳統的焊接鋼板梁，通過研究發現，該方案可顯著降低工程造價，有利於鋼混組合梁的推廣，提高橋梁建設工業化水平。
鋼混組合梁的瓶頸
截至2018年底，我國公路總裡程已達484.6萬公裡，公路橋梁85萬座。據統計，鋼結構、鋼混組合結構橋梁長度佔比僅為1%，常用跨度橋梁基本為混凝土梁橋。
鋼混組合梁，鋼梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接成整體並共同受力，能夠充分發揮鋼及混凝土各自的優點，結構自重輕，橋墩基礎規模小，架設方便。與鋼梁相比，節省用鋼量且解決了鋼橋面鋪裝使用年限短的問題；與混凝土梁相比，自重輕且施工速度快。
鋼混組合梁組合形式多樣，鋼梁截面包括工字梁、箱梁、桁梁等。鋼混組合梁在我國公路大跨度拱橋、斜拉橋、懸索橋中均有應用。2015年開工建設的河北懷來官廳水庫特大橋，主橋採用720m單跨懸索橋，加勁梁採用免塗裝耐候鋼-混凝土組合梁。
圖1 懷來官廳水庫特大橋
鋼結構全壽命周期性能優異，可循環利用，綠色環保。2016年，為推進公路橋梁建設轉型升級，充分發揮鋼結構橋梁性能優勢，交通運輸部研究決定推進公路鋼結構橋梁建設，並出臺《關於推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》，推廣鋼混組合梁是行業發展的內在需求。由於目前鋼混組合梁的鋼梁採用鋼板焊接，工程造價高，30～40m的常用跨度鋼混組合梁，在我國公路、城市橋梁建設中的應用極少。
大規格熱軋H型鋼組合梁，採用熱軋H型鋼代替傳統的焊接鋼板梁，顯著降低工程造價，符合可持續發展的理念。大規格熱軋H型鋼組合梁技術可提高橋梁建設工業化水平，是符合節能環保產業政策的新技術。
造價與性能的突破
熱軋H型鋼廣泛應用於建築結構、海工結構、橋梁施工臨時結構，工廠分割，現場拼裝。與焊接鋼板梁相比，減少加工工序，節省人工和時間，力學性能好。通過研究發現，採用大規格熱軋H型鋼代替傳統的焊接工形梁，僅在縱梁支承加勁肋、橫梁連接位置有少量焊縫，降低工程造價。研究內容包括合理結構形式研究、結構承載能力研究、大規格熱軋H型鋼應用技術研究、快速施工架設工藝研究等。
a 焊接工字梁 b 熱軋H型鋼
圖2 焊接工字梁與熱軋H型鋼
鋼混組合梁採用大規格熱軋H型鋼，工程造價低；熱軋H型鋼，晶體組織均勻，疲勞性能提高；橋墩基礎規模小，裝配化施工，綠色、環保、節能；是落實交通運輸部《關於推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》的需要；是貫徹我國十三五「創新、協調、綠色、開放、共享」發展理念的需要。
熱軋H型鋼的優化
熱軋H型鋼相關的國家標準包括《熱軋型鋼》（GB/T 706-2016）、《熱軋H型鋼和部分T型鋼》（GB/T 11263-2017）。熱軋H型鋼現有規格最大腹板高度1118mm、最大翼緣寬500mm、最大翼緣厚度115mm，均為對稱截面。熱軋H型鋼用於公路常用跨度鋼混組合梁，型鋼斷面需進行優化，需軋制大規格H型鋼。
圖3 熱軋H型鋼最大規格現狀
結構形式研究
連續結構可減少伸縮縫設置、減小跨中正彎矩，但負彎矩區混凝土板受拉易開裂；簡支結構則充分利用鋼結構受拉、混凝土結構受壓的特性。因此，可採用結構簡支、橋面連續構造，提高行車的舒適性。大規格H型鋼組合梁，採用密縱梁體系，H型鋼縱梁的橫向布置間距2.5～3.5m；在支點位置設置端橫梁，按間距6～8m設置中橫梁，均採用H型鋼。抗剪連接件採用剪力釘，採用預製混凝土橋面板，在縱梁、橫梁上翼緣設置溼接縫，混凝土板厚22～25cm。
圖4 大規格H型鋼組合梁橫斷面圖
根據受力特點，大規格H型鋼採用上翼緣窄薄、下翼緣寬厚的經濟斷面。H型鋼採用無肋構造，通過適當加大腹板厚度滿足局部穩定性要求，僅在梁端設置支承加勁肋。上翼緣寬度需滿足布置剪力釘的構造寬度要求，根據計算確定下翼緣的寬度、厚度。大規格H型鋼採用萬能軋機軋制。
圖5 大規格熱軋H型鋼斷面圖
主要計算結果
選取雙向四車道高速公路簡支組合梁進行計算，單幅橋面寬度12.25m，跨度包括30m、35m、40m，鋼梁材質採用Q345q、Q420q、Q500q，混凝土橋面板採用C50。根據強度、剛度計算，確定滿足受力需要、經濟合理的截面高度。《公路鋼結構橋梁設計規範》（JTG D64-2015），活載撓度限值為L/500；《鋼-混凝土組合橋梁設計規範》（GB 50917-2013），活載撓度限值為L/600；《公路鋼結構橋梁設計規範》（JTG D64-2015）未包含Q500鋼材，強度設計值按材料分項係數1.25計算。主要計算結果如圖6-9。
圖6 大規格H型鋼計算高度
圖7 大規格H型鋼組合梁活載跨撓比
圖8 腹板不設豎肋的用鋼量指標
圖9 腹板設置豎肋的用鋼量指標
根據計算，常用跨度大規格H型鋼組合梁強度控制設計，活載撓度均小於L/600。大規格H型鋼截面高度800～1600mm，採用高強鋼材可降低梁高。腹板設置豎肋，可減少腹板厚度，用鋼量節省10%左右，但增加了焊接工作量。熱軋H型鋼採用無肋構造，與焊接鋼板梁相比，用鋼量有所增加，但增加腹板厚度提高了結構耐久性，減少了焊接成本，應綜合分析比較。
技術經濟比較
對30m跨度的混凝土小箱梁、大規格H形鋼組合梁兩種結構進行工程費用估算，按地震設防烈度為8度、基礎為鑽孔灌注樁考慮，大規格H型鋼組合梁可降低造價5%左右。
與常規的混凝土小箱梁橋相比，大規格H型鋼組合梁橋具有以下優勢：
（1）鋼結構自重輕、強度高，梁高降低；
（2）橋墩基礎規模小，抗震性能好；
（3）快速裝配，工業化程度高；
（4）工程造價低；
（5）技術先進，順應行業發展趨勢。
大規格H型鋼組合梁發展可期
公路常用跨度鋼混組合梁的發展趨勢：減少橫聯、腹板加勁肋設置，簡化結構構造；採用高強鋼材，節省用鋼量；推廣高性能耐候橋梁鋼，減少後期維護；研究應用大規格熱軋H型鋼組合梁，降低工程造價。
據統計，2017年我國公路橋梁增加2.7萬座、3100公裡；2018年我國公路橋梁增加1.9萬座、3430公裡。以此估算，如果50%的新建公路橋梁採用大規格H型鋼組合梁，每年的用鋼量大約在500萬噸左右。
未來，期待國內大型鋼廠、設備廠家與設計企業開展合作，進一步開展大規格H型鋼組合梁的關鍵技術研究，包括H型鋼合理截面、軋制設備及參數、材料設計、力學性能等，必將有利於推動我國公路、城市橋梁鋼混組合梁橋的建設發展。
本文刊載 /《橋梁》雜誌 2019年 第3期 總第89期
作者 / 徐升橋 鄒永偉 張崇斌
作者單位 / 中鐵工程設計諮詢集團有限公司