2.2 平面型钢-混凝土组合桥面结构

2.2.1 研究背景

桥面板作为桥梁结构的重要组成部分，直接承受车辆轮压，其工作状态将直接影响到桥梁的使用性能。现阶段桥梁中应用最广泛的是普通钢筋混凝土桥面板、钢桥面板、叠合桥面梁。然而，随着桥梁跨越能力的不断提高，普通钢筋混凝土桥面板就显得越来越笨重（图2-16、图2-17），桥面板的重量在桥梁总恒载中占了很大比例，于是对桥面板的发展提出了轻质高强的要求；正交异性钢桥面板自重轻、承载能力大、易于加工制造和安装，广泛运用于大跨度钢箱斜拉桥和悬索桥上，但是钢桥面板抗弯刚度小，在车辆作用下易产生较大的局部变形，导致其上的沥青铺装层开裂，存在铺装层高温稳定性差、易老化、寿命短等技术难题（图2-18、图2-19），因此对桥面板的发展提出了铺装层耐久性高的要求；叠合桥面梁纵横接缝较多，可能产生的病害多（图220、图2-21），因此对桥面板的发展又提出了整体性好的要求。以上各种桥面板应用现状如图2-22所示。

2.2.2 主要技术问题

为了充分发挥三种常见桥面板的优势，结合钢材与混凝土两者的优点，作者团队于2002年提出了“钢-混凝土组合桥面板”的概念，进行了大量基础工程应用研究，并联合西南交通大学赵人达教授团队，针对新结构的构造参数、计算方法、工作性能等展开了更深入的研究。研究的主要技术问题如图2-23所示，主要包括：①钢-混凝土组合桥面梁合理构造技术研究；②钢-混凝土组合桥面板受力机理模型试验研究和极限承载力计算方法研究；③钢-混凝土组合桥面梁施工技术研究。

2.2.3 主要技术成果

2.2.3.1 平面型钢-混凝土组合桥面板的构造技术

1）结构构造

针对钢筋混凝土桥面板过重、钢桥面板寿命过短、叠合桥面板既重且耐久性差的技术难题，综合三种桥面板特点，新的平面型钢-混凝土组合桥面板不仅解决了原来桥面板耐久性差的技术难题，同时保证了桥面板重量与钢桥面板一致。

平面型钢-混凝土组合桥面板，是指由底钢板和带孔加劲钢板、栓钉形成的组合结构，并通过带孔钢板（PBL）、栓钉与后浇筑的混杂纤维混凝土形成钢-混凝土组合桥面板，最后浇筑沥青混凝土面层（图2-24、图2-25）。

2）技术优势

平面型钢-混凝土组合桥面板能够满足现代结构功能的需求，在桥梁结构领域具有重要的意义和广阔的发展前景，具有明显技术优势，如图2-26所示。

（1）新结构没有U肋，焊缝处无疲劳问题，钢筋混凝土板为钢板与沥青面层的过渡连接层，面层耐久性长，且钢筋混凝土板参与受力，主梁用钢量少。

（2）新结构型式将原正交异性钢桥面板下的U肋取消，底钢板底面形成平面，顶面上设置带孔钢板再浇混凝土，简化了钢结构的涂装防腐工艺，施工时底钢板可作为浇筑混凝土的永久模板，节省了模板安装与拆除的工序，加快施工进度。

（3）使用阶段由于剪力连接件的存在，发挥了底钢板与混凝土的组合效应，底钢板可以部分替代下层受力钢筋，减少了钢筋用量和制作加工工作量；与混凝土桥面板相比，平面型钢-混凝土组合桥面板可以减少混凝土用量，减轻结构自重，有利于桥梁抗震需要。

3）构造参数要求

考虑到平面型钢-混凝土组合桥面板构造参数复杂，为避免由于参数设置不合理导致的施工质量问题，团队基于实际工程经验，开展了组合桥面板不同参数设置的受力特性分析（表2-11），具体内容包括组合桥面板是否参与受力、承托高度的影响、桥面板混凝土厚度的影响、桥面板PBL板间距的影响、桥面板底层钢板厚度的影响、桥面板混凝土等级的影响。组合桥面板模型及模型试件如图2-27、图2-28所示。

基于分析结果，研究了不同参数之间的匹配关系，提出了平面型钢-混凝土组合桥面板的构造参数要求，见表2-12。

2.2.3.2 平面型钢-混凝土组合桥面板的计算方法及疲劳性能

1）模型试验

通过近30件的足尺模型试验和疲劳验证，建立数学、物理模型分析，结合工程实测数据及结果分析，提出的钢-混凝土组合桥面板构件极限承载能力、刚度等理论计算方法，发展完善了一系列钢-混凝土组合桥面板试件。

（1）单向板正、负弯矩作用下静力模型试件：共14块。

（2）双向板正、负弯矩作用下静力模型试件：共17块。

（3）广东佛山东平大桥1∶1正弯矩区域疲劳试验：1→5→25→…→200万次。

（4）广东佛山东平大桥1∶1负弯矩区域疲劳试验：1→5→…→200→210→300万次。

其中，单向板试件试验（图2-29、图2-30）采用3分点加载模式，最大控制荷载约为380kN，开裂荷载约为50kN；双向板试件采用板中心集中加载模式，最大控制荷载约为1 500 kN，开裂荷载约为50kN；通过倒置试件，考察模型负弯矩作用效应。

基于模型试验数据及有限元分析，平面型钢混凝土组合桥面板的主要力学性能描述如下：

（1）PBL顺跨度方向布置时可以有效地抵抗剪切力，提高承载力；垂直跨度方向布置时，易发生剪切破坏，若需设置垂直跨度方向的PBL时，则应增大剪跨比；在组合板内必须配置一定数量的钢筋，尤其需要配置穿过孔洞的贯穿钢筋，避免出现脆性破坏，如图2-31~图2-34所示。

（2）对于承受负弯矩作用的钢-混凝土组合板，其承载能力与纵向钢筋的配筋率、开孔钢板的布置方向有密切关系；在达到极限荷载时，纵向受拉钢筋和沿跨度方向布置的开孔钢板的受拉缘均屈服，而垂直跨度方向布置的开孔钢板则对承载力贡献不大，如图2-35~图2-38所示。

（3）增加底钢板厚度对组合双向桥面板承载力提高最为有效，加密开孔钢板的布置间距、增加混凝土板厚度也能在一定程度提高组合桥面板承载力，如图2-39~图2~42所示。

2）实用计算方法

（1）正弯矩截面抗弯承载力计算方法如下，试验如图2-43所示。

中性轴在混凝土中（图2-44）： ≤

中性轴在底钢板中（图2-45）： ≤

（2）负弯矩截面抗弯承载力计算方法如下，试验如图2-46所示。

中性轴在混凝土中（图2-47）： ≤

中性轴在底钢板中（图2-48）： ≤

（3）斜截面抗剪承载力计算方法。平行于带孔钢板方向的剪力由混凝土 V _uc 和底钢板 V _us 共同承担，其抗剪承载力可表达为

试验可知，混凝土的开裂模式和钢筋混凝土构件类似，参照《混凝土结构设计规范》中斜截面承载力的计算公式：

抗剪试验表明，有20%的底钢板达到钢材的塑性抗剪强度，来抵抗竖向剪力，因此取

根据相关研究成果，垂直于带孔钢板方向的抗剪承载能力按整体抗剪能力计算，其计算式为

（4）剪力键承载力计算方法。剪力键受剪承载力计算方法由推出试验与梁试验结果推导，依据相应研究结果，对栓钉剪力键和带孔钢板剪力键的承载力计算方法进行了规定：

栓钉剪力键承载力： =

带孔钢板承载力：

①无贯穿钢筋时：

②有贯穿钢筋时： =

同时，应验算带孔钢板孔间钢板抗剪承载力与带孔钢板焊缝承载能力：

孔间钢板抗剪承载力： =

焊缝承载力

（5）正、负弯矩作用下组合桥面板的疲劳性能（图2-49~图2-56）。通过多次讨论，钢-混凝土组合桥面板的模型试验依托东平大桥，共制作两类模型：模型A、模型B。其中模型A模拟实际结构的负弯矩区域，包含一根次横梁及其顶部混凝土板；模型B模拟实际结构的正弯矩区域，即两根次横梁之间的区域。两类模型均先做静载试验，再做200万次的疲劳试验，最后做静力破坏试验。试验证明，在正、负弯矩作用下，平面型钢-混凝土组合桥面板随着疲劳循环次数的增加，刚度降低小，整体刚度好；疲劳试验期间裂缝增长符合规范要求，且均具有很高的极限承载能力。

2.2.3.3 施工及质量控制技术

平面型钢-混凝土组合桥面板具有底钢板较薄、钢筋穿孔周期长、混杂纤维混凝土输送难度大的特点，底钢板设置反弯变形、逐级加密焊接带孔钢板的工艺，解决了底钢板焊接变形量大的难题；先穿底层钢筋，再铺设上层钢筋网片，保证穿钢筋的空间和位置，克服了钢筋穿孔周期长的问题；采用多锚点的短钢纤维、控制掺量不大于55kg/m ³ ，以及合理进行配合比设计等技术，保证了混凝土竖直泵送高度可达200 m，水平距离可达500 m。

1）底钢板和带孔钢板工艺技术

平面型钢-混凝土组合桥面板的底钢板和带孔钢板较薄、较长，加工、制造和焊接时变形较大，为解决这一技术问题，研究提出了相应的质量控制技术措施：①底钢板预先设置10~15 mm的反变形（图2-57）；②带孔钢板间距较近，采用逐级加密焊接的工艺，例如当设置带孔钢板的间距为40 cm时，可采用间距由160 cm→80 cm→40 cm的焊接工艺，同时采用间断错位双面焊缝，先焊外表面、再焊内表面（图2-58）。经模型试验及有限元计算分析表明，上述技术措施可操作性强，且有效减小了底钢板焊接变形量。

2）钢筋的施工工艺和质量控制技术

组合桥面板钢筋种类繁多、构造复杂，施工采用分层法，首先布置带孔钢板孔内钢筋，其次布置上层纵向受力钢筋，最后布置顶层分布钢筋（图2-59）。经工程实践证明，该施工方法效果良好，可操作性强，保证穿钢筋的空间和位置，克服了钢筋穿孔周期长的问题。

3）混凝土的施工工艺和质量控制技术

桥面板直接承受车辆荷载和阳光直接照射，桥面同时承受拉、压、弯、剪和扭的作用，受力复杂，采用高韧、高强混杂纤维混凝土技术，进一步提高了桥面板的耐久性能。高韧、高强混杂纤维混凝土技术，是指在钢-混凝土组合桥面板的混凝土中复掺聚丙烯腈纤维和钢纤维，形成高强高韧的混杂纤维混凝土（图2-60）。

提出的高强高韧桥面板混杂纤维混凝土中复掺了钢纤维与聚丙烯腈纤维，而纤维的掺入可能会影响混凝土施工时的泵送性能。因此，特别提出采用多锚点的短钢纤维（图2-61），控制掺量不大于55kg/m ³ ，合理进行配合比设计，避免钢纤维在混凝土拌合时成团，保证了混凝土竖直泵送高度可达200 m，水平距离可达500 m。

施工效果如图2-62所示。

2.2.4 主要工程应用

平面型钢-混凝土组合桥面板最早应用在广东佛山东平大桥，以该桥为依托工程开展了平面型钢混凝土组合桥面板足尺和系列缩尺模型试验研究，揭示了正弯矩区段和负弯矩区段模型的静载极限承载能力及计算方法，并模拟动载开展了疲劳试验。系列试验表明：平面型钢-混凝土组合桥面板具有自重轻、整体性强、疲劳应力幅低，抗疲劳强度高、极限承载能力大、经济指标低和易于施工等特点。

广东佛山东平大桥于2003年开展设计，2004年3月开始施工，2006年9月建成通车，使用至今，平面型钢-混凝土组合桥面板和5 cm沥青混凝土没有任何病害，未进行任何维修，使用效果很好，获得了行业和社会的一致认同。受该桥建设成果影响，平面型钢-混凝土组合桥面板先后推广应用在钢管混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥、斜拉桥、悬索桥、立交桥和旧桥桥面改造等工程，推广应用工程见表2-13。