钢-混凝土组合梁可以充分发挥钢材和混凝土各自的优势。其结构重量轻、桥墩基础小、安装方便、绿色环保。它们在国外应用广泛，但在我国公路桥梁建设中所占比例不足1%。 2016年，交通运输部研究决定推进公路钢结构桥梁建设。但钢-混凝土组合梁的钢梁采用钢板焊接而成，工程造价较高。
大尺寸H型钢组合梁采用大尺寸热轧H型钢替代传统焊接钢板梁。通过研究发现，该方案可显着降低工程造价，有利于钢-混凝土组合梁的推广，提高桥梁建设的工业化水平。
钢-混凝土组合梁的瓶颈
截至2018年底，我国公路总里程已达484.6万公里，公路桥梁85万座。据统计，钢结构和钢-混凝土组合结构桥梁长度仅占1%，常用的跨径桥梁基本都是混凝土梁桥。
钢-混凝土组合梁、钢梁与混凝土桥面板通过剪力连接件连接成一个整体，共同受力。它们可以充分发挥钢材和混凝土各自的优势。结构重量轻，桥墩基础规模小，易于架设。与钢梁相比，节省钢材用量，解决钢桥面铺装使用寿命短的问题；与混凝土梁相比，自重轻，施工速度快。
钢-混凝土组合梁的组合形式多种多样，钢梁截面有工字梁、箱形梁、桁架梁等。钢-混凝土组合梁应用于大跨度拱桥、斜拉桥、悬索桥等我国高速公路上的桥梁。河北怀来官厅水库大桥于2015年开工建设，主桥为720m单跨悬索桥，加劲梁为免漆耐候钢-混凝土组合梁。
图1 怀来官厅水库特大桥
钢结构在整个生命周期内性能优良，可回收利用，绿色环保。 2016年，为推动公路桥梁建设转型升级，充分发挥钢结构桥梁的性能优势，交通运输部决定推进公路钢结构桥梁建设，并发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》。建设“公路钢结构桥梁”，推进钢与混凝土结合梁，是行业发展的内在需要。由于目前钢-混凝土组合梁的钢梁均采用钢板焊接而成，工程造价较高，而常用的跨度30～40m的钢-混凝土组合梁在我国公路、城市桥梁建设中很少采用。国家。
大型热轧H型钢组合梁采用热轧H型钢替代传统焊接钢板梁，显着降低了工程造价，符合可持续发展理念。大尺寸热轧H型钢组合梁技术可以提高桥梁建设的工业化水平，是符合节能环保产业政策的新技术。
成本和性能的突破
热轧H型钢广泛应用于建筑结构、海上结构、桥梁施工临时结构、工厂分段、现场拼装等。与焊接钢板梁相比，减少了加工工序，省工省时，且具有良好的力学性能。通过研究发现，采用大尺寸热轧H型钢替代传统焊接工字梁，仅在纵梁支撑加强筋和横梁连接处焊缝数量较少，降低了工程造价。研究内容包括合理结构形式研究、结构承载能力研究、大尺寸热轧H型钢应用技术研究、快速施工安装技术研究等。
a 焊接工字钢 b 热轧 H 型钢
图2 焊接工字钢和热轧H型钢
钢-混凝土组合梁采用大规格热轧H型钢，工程造价低；热轧H型钢晶体结构均匀，疲劳性能提高；桥墩基础规模小，装配式施工，绿色环保节能；是贯彻落实交通运输部《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》的需要；是贯彻落实我国“十三五”“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的需要-年度计划。
热轧H型钢的优化
与热轧H型钢相关的国家标准有《热轧H型钢》（GB/T 706-2016）、《热轧H型钢和部分T型钢》（GB/T 11263 -2017）。热轧H型钢现有规格最大腹板高度为1118mm，最大翼缘宽度为500mm，最大翼缘厚度为115mm，均为对称截面。公路上常用的跨度钢-混凝土组合梁均采用热轧H型钢。型钢截面需要优化，需要轧制大规格H型钢。
图3 热轧H型钢最大规格现状
结构形式研究
连续结构可以减少伸缩缝数量，减少跨内正弯矩，但负弯矩区混凝土板在拉力作用下容易出现开裂；简支结构充分利用了钢结构受拉、混凝土结构受压的特点。因此，可采用简支结构和连续桥面结构来提高驾驶舒适性。大型H型钢组合梁采用密集纵梁体系。 H型钢纵梁水平布置间距为2.5～3.5m；支点位置设置端梁，中梁间距6～8m设置，均采用H型钢。剪力连接件采用剪力钉和预制混凝土桥面板。纵梁、横梁上翼缘均设置湿接缝。混凝土板的厚度为22至25厘米。
图4 大尺寸H型钢组合梁截面图
根据受力特点，大规格H型钢采用上翼缘窄、下翼缘宽的经济断面。 H型钢采用无筋结构。适当增加腹板厚度以满足局部稳定性要求。仅在梁端部设置支撑加强筋。上翼缘的宽度需满足放置剪力钉的结构宽度要求，下翼缘的宽度和厚度根据计算确定。大型H型钢采用万能轧机轧制。
图5 大规格热轧H型钢断面图
主要计算结果
选取双向四车道高速公路简支组合梁进行计算。单桥面宽度12.25m，跨径有30m、35m、40m。钢梁材质为Q345q、Q420q、Q500q，混凝土桥面为C50。根据强度和刚度计算，确定满足受力要求的经济合理的截面高度。 《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015），活荷载挠度限值为L/500； 《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013），活荷载挠度限值为L/600； 《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）不包括Q500钢材钢结构规格，强度设计值按材料分项系数1.25计算。主要计算结果如图6-9所示。
图6 大尺寸H型钢计算高度
图7 大尺寸H型钢组合梁活载跨弯比
图8 无竖向肋腹板用钢量指标
图9 腹板竖向肋用钢量指标
根据计算，常用的大跨H型钢组合梁的强度控制设计，活载挠度小于L/600。大规格H型钢截面高度为800~1600mm，采用高强度钢材可降低梁高。腹板上设有竖向加强筋，可减少腹板厚度，节省钢材消耗10%左右，但增加了焊接工作量。热轧H型钢采用无肋结构。与焊接钢板梁相比，用钢量增加。然而，增加腹板的厚度可以提高结构的耐用性并降低焊接成本。应综合分析、比较。
技术经济比较
工程造价估算为两座结构：一座30m跨的混凝土箱梁和一座大尺寸H型钢组合梁。考虑到地震设防烈度为8度，基础为钻孔灌注桩，采用大尺寸H型钢组合梁可降低造价5%左右。
与常规小型混凝土箱梁桥相比，大尺寸H型钢组合梁桥具有以下优点：
(1)钢结构自重轻、强度高、梁高降低；
(2)桥墩基础规模小钢结构规格，抗震性能好；
(3)快速组装、工业化程度高；
（4）工程造价低；
（五）技术先进，符合行业发展趋势。
大尺寸H型钢组合梁发展可期
公路普通跨钢混凝土组合梁的发展趋势：减少交叉连接和腹板加劲肋，简化结构结构；采用高强度钢材，节省钢材消耗；推广高性能耐候桥梁钢，减少后期维护；研究和应用大尺寸保温热轧H型钢组合梁，降低工程成本。
据统计，2017年我国公路桥梁数量增加2.7万座、3100公里； 2018年，我国公路桥梁新增1.9万座、3430公里。据此测算，如果新建公路桥梁50%采用大尺寸H型钢组合梁，则年用钢量约为500万吨。
未来，我们期待国内大型钢厂、设备制造商、设计公司合作，进一步开展大型H型钢组合梁关键技术研究，包括H型钢合理截面钢材、轧制设备及参数、材料设计、力学性能等方面的研究，必将有利于推动我国公路和城市桥梁钢混凝土组合梁桥的建设和发展。
（本文发表于《桥梁》杂志2019年第3期第89期）
