钢混凝土组合结构桥梁研究新发展

第5卷　第19期2015年7月

钢混凝土组合结构桥梁研究新发展

常如意

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摘　要：文章首先概述了钢混凝土组合结构桥梁，并进一步研究分析了钢混凝土组合结构桥梁的发展现状及发展趋势，以供相关人士参考。关键词：钢-混凝土组合梁；桥梁；探究中图分类号：TV331 引言：

最近的二十余年，全球发生了许多次大地震，造成了非常惨重的生命财产损失，地震灾害的共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，导致了巨大的经济损失。据统计，在世界上发生7级以上毁灭性大地震灾害中，以热轧H型钢为主的钢结构建筑受害程度最小，因此若用于设计桥梁上部结构弹塑性减震限位阻尼器，具有很大的潜力和广阔的应用前景。

一、钢混凝土组合结构桥梁概述

1、钢-混凝土组合结构桥梁的基本原理

组合梁的物理计算是在换算截面法的基础上发展起来的，基于弹性理论的计算方法的前提是假设钢和混凝土都具有良好的弹性性能，并且可以通过稳定可靠的联接变形，然后再通过弹性模量将两种不同的材料转换成一种材料进行计算。美国最先提出求解该计算公式的微积分方程，其前提就是假设材料之间的荷载-滑移曲线为线性关系。通过大量的实验研究可以证实，当连接件的数量增加到可以完全抗剪时，连接件对桥梁的强度就不会再产生影响，但是当连接件的数量没有达到最小的抗剪连接时，就会使组合梁的强度降低。

2、钢-混组合结构梁桥优势

钢－混凝土组合梁，通过较为简单的处理方式综合了混凝土梁和钢梁的优势。组合梁保留受压区的混凝土翼板，受拉区则只配置钢梁，二者之间通过抗剪连接件组合成整体。这样，既不会产生混凝土受拉开裂的问题，也不会因钢梁受压侧刚度较弱而发生失稳，同时还具备较高的刚度和较轻的自重。钢-混凝土结合梁桥在中等跨度（20～90m）桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是：组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，场地清洁较有保证，钢材部分可回收利用，有利于环保、节能，且具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。与钢桥相比有：节省钢材；降低建筑高度；减少冲击，耐疲劳；减少钢梁腐蚀；减少噪音；维修养护工作量较少等。与混凝土桥相比有：重量较轻；制造安装较为容易；施工速度快、工期短等。

二、钢-混组合结构桥梁的发展分析1、传统组合桥梁的现状

近些年来，欧美的工程师对钢板组合梁桥的设计和施工做了不少的简化，组合梁桥也因此在施工和经济性能上体现出了更大的优势。我们一般选用工字截面钢梁来降低中小跨度组合梁桥的制作安装成本。通常，我们只使用两根纵向钢梁，从而来减少现场的工作量。纵向钢梁通过横向钢梁连接在一起，但文献标识码：A

其数量较少，一般为3—5道，有时候也会有不设置横向钢梁的情况出现。横梁一般不与桥面板相连接，而是连接到纵向钢梁的竖向加劲肋上。我们一般采用横向悬臂钢梁或在桥面板内横向张拉预应力的方法来解决因桥面较宽而导致混凝土桥面板外挑长度较大或纵向钢梁间的混凝土桥面板跨度较大的问题。当组合桥梁上设置有人形横道时，我们一般使用悬臂长度不超过2.5m的混凝土板，并在考虑车辆荷载作用时适当减小其悬臂板长度。有时候，我们为了取得最佳的通透和美观效果，使其外观效果达到最佳，我们可以用钢桁架结构形式来替代钢梁结构。但钢桁架结构的梁高相对于钢梁结构大，设计过程也相对比较复杂，同时我们还要保障节点的连接和构造要求。

相对于工字截面钢梁的组合桥，箱形截面的组合梁桥抗扭刚度更高。当设计跨高比较大或者对抗扭能力要求较高的跨线桥或弯桥时，我们会选择箱型截面组合梁桥。但是钢箱梁的造价比钢板梁高，因此对于跨度较小的组合梁桥，我们更倾向于选择工字截面钢梁而非箱型截面梁。此外，由于箱梁的内部封闭性较好，且钢板厚度因其底板宽度较大而可以相应减小，从而大大提高了钢梁的抗腐蚀能力。

组合桥的箱形截面梁根据截面不同一般可分为闭口截面梁与开口截面梁。在开口截面梁中，上端开口的箱形截面梁由腹板、底板以及顶板组成，制作方便且钢的用量相对较小。但考虑到在与桥面板形成整体之前，开口截面的箱形钢梁抗扭刚度由于开口的存在而相对较小，顶板稳定性较差，所以我们一般通过增加斜撑或横隔板来保证结构的稳定性。在我国，当涉及到城市立交桥及高速公路的跨线桥的建设时，我们会用到钢一混凝土组合梁结构来提升其跨度，同时还能解决桥下净空不足及施工时交通中断的问题。当桥面宽度不同时，我们可以选用一至多个钢箱梁与混凝土桥面板组合的整体来实现。而对于只有一个钢箱梁的匝道桥，我们一般采用单箱多室的钢梁截面。为了保证施工过程中钢箱梁的稳定性，我们往往用横梁或斜撑来连接。同时，我们还采用预制板与后浇混凝土所组成的叠合板作为组合梁桥的桥面板，以便于施工。

2、新型组合桥梁的发展

根据组合梁的截面形式，可以将组合梁分为三种：钢管混凝土组合梁、钢梁混凝土板组合梁、钢腹板PC组合梁。

2.1钢管混凝土组合梁

钢管混凝土组合梁是在钢管桁梁的基础上发展起来的，由于钢管桁梁本身重量轻，且美观轻盈，因此在桥梁建筑项目的施工中应用比较多，苏格兰的福斯湾大桥就是一座主跨长达521米的钢管结构桥梁。虽然钢管结构桥梁具有许多内在优势，但是受到承载力较小的限制，使得其在实际应用中受到许多阻

第5卷　第19期2015年7月

碍。在我国的许多斜拉式大桥中，多采用钢管混凝土组合梁设计，四川的万州大桥就是一个使用钢管混凝土的典型代表。采用钢管混凝土建筑的桥梁，在实际施工时要先将钢管桁架进行分段组装，然后再向弦管内灌注混凝土，在上面架设混凝土顶板。钢管混凝土主要是应用在拱结构或者斜拉受力的桥梁建筑中，所以应对管道内混凝土的抗拉能力进行充分的测试和研究。

2.2钢梁混凝土板组合梁

钢梁混凝土板组合梁主要用于组合桥梁的建筑施工中，是应用范围最广的一种组合梁结构。钢梁混凝土板组合梁是钢梁与混凝土板之间通过抗剪连接功能组成的，根据钢梁的不同种类又可以将其分为多种组合梁。目前国内外对该组合梁的研究已经相当成熟，有关钢组合梁的国际设计条文也已形成一套完整的规范体系，其中欧共体委员会修订的《钢-混凝土组合结构设计》成为当今建筑行业规范最详细具体的一部设计规范。

2.3钢腹板PC组合梁

钢腹板PC组合梁是以混凝土箱梁技术为基础的，采用钢结构代替原有的混凝土腹板，目前应用最广泛的就是波形钢腹板PC组合梁和钢腹杆PC组合梁这两种结构形式。其中波形钢腹板PC组合梁在上世纪九十年代从国外引入，主要适用于梁桥的建筑施工，结构形式包括连续梁、斜拉桥和简支梁等。之后关于波形钢腹板PC组合梁的研究主要围绕组合结构的受力性能以及施工技术等内容展开，并且已经形成了许多行内标准和地方实际应用标准，由此可见波形钢腹板PC组合梁的初期引进适用阶段已经初步完成，今后的工作重点将转向对已有工程经验的总结和消化。钢腹杆PC组合梁中的钢腹杆可采用钢管或型钢，对于承受压力较大的桥梁，可以采用在钢管内灌注混凝土的方式来提高钢管的抗压强度。钢腹杆PC组合梁一般应用在跨度范围比较大的连续桥梁中或者斜拉桥中，世界上的首座钢腹杆PC组合桥梁就是1985年建于法国的阿尔布瓦桥。由于钢腹杆PC组合梁桥具有优越的跨越性能，因此在许多的双面桥设计施工中都有广泛的应用。

3、一混凝土组合结构的最新发展和进一步研究的问题近些年来，钢一混凝土组合结构已经应用到越来越多的建筑领域，其优越的经济社会效益得到了越来越多人的认可。然而，想要把此种结构形式进行大规模的推广仍需要很长一段时间。诚然，若只为单纯地实现某一功能，在造价方面钢筋混凝土结构略胜一筹，组合结构的造价相对于钢筋混凝土结构高出30％—40％。但是，组合结构能为我们带来其他很多综合效益。例如在地震发生时，由于组合结构的自重较轻，其地震

作用也相应减小。另外组合结构的结构高度小，竖向构件截面尺寸较小，基础造价较低，延性较高。在施工中，其施工速度快，费用也较低。若与钢结构相比，其造价可降低30％左右。此外，我国尚未建立合理完善的有关规范和规程，这将成为组合结构推广的另一道障碍。与此同时，还有很多专业设计人员对组合结构不太熟悉，他们更愿意选择成熟且熟悉的传统结构，这就严重阻碍了组合结构的推广。并且我国缺少对新型结构的奖励机制，对采用新型结构的建设单位一般不予以奖励，但造价却因为新型结构的采用而有所增加，所以还是有部分设计人员对其抱着避而远之的态度。组合结构领域中，值得我们去深入研究的问题还有很多，例如在复合受力状态下组合梁的性能与设计方法、徐变和收缩效应等等，这些问题都有待我们去进行更为深入的探索。

4、钢-混组合梁结构发展现状及趋势

20世纪80年代以来，国际桥梁及结构工程协会（IBASE）多次召开国际学术会议，对组合结构桥梁在研究、设计、施工等方面的发展进行交流和研讨，进一步促进组合结构桥梁的发展。在法国，组合结构桥梁最具竞争力的跨径范围为30～110m，跨度在40～100m范围内的公路桥梁中85%都是组合结构桥梁；而TGV高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例占45%，之后建设的高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例更高。在英国，大多数20～160m及以上跨径的公路桥，组合结构桥梁竞争力很强；德国及美国组合结构桥梁应用更广泛。

三、结束语

钢-混凝土组合结构作为一种新型的钢筋混凝土结构，具有重量轻、可以预先配制、快速施工的优点，因此在公路、桥梁等许多建筑类型中都具有广泛的应用。近几年来钢-混凝土组合结构的发展更为迅速，并衍生出了多种类型的钢-混凝土组合结构，每种组合结构的物理性能和适用的桥梁类型都不同，因此在实际施工过程中需要把握每种组合结构的性能优势，将其应用到最适合的建筑类型中，以发挥每种结构组合的最大优势。钢-混凝土组合结构的研究理论和已有的施工技术将为组合结构桥梁的未来应用和推广提供许多宝贵的参考。

参考文献：

[1]王海燕.钢－混混凝土组合结构的研究与应用[J].交通标准化，2011（10）：94-97.

[2]王用中.我国桥梁钢结构的应用现状与展望[J].施工技术，2010，39（8）：13-16.

[3]陈开利，余天庆.混合梁斜拉桥结合段设计技术的新发展[J].铁道标准设计，2006.

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