组合梁桥的发展与应用

组合梁桥的发展与应用钢和混凝土是建造桥梁的主要结构材料,这两种材料在物理和力学性能上具有不同的优势和劣势,如果只采用其中一类材料建造桥梁,其结构性能往往受到材料性能的制约而有所不足。

通过某种方式将钢材与混凝土组合在一起共同工作,可以充分发挥不同材料的优势,扬长避短,从而为桥梁工程师提供了更广阔的创作空间。

钢-混凝土组合梁桥在很多情况下具有良好的综合技术经济效益和社会效益。

例如,组合梁桥相对于混凝土桥上部结构高度较低、自重轻、地震作用小,相应使得结构的延性提高、基础造价降低。

同时,组合梁桥便于工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快,并可以适用于传统砖石及混凝土结构难以应用的情况。

相对于钢桥,钢-混凝土组合桥将钢梁与混凝土桥面板组合后,截面惯性矩和抗弯承载力均显著提高,混凝土桥面板对钢梁稳定性的增强使得钢材强度可以充分发挥。

由焊接抗剪栓钉所增加的费用要明显低于减少用钢量所节省的费用,从而可以降低造价。

国外的研究表明,对于跨度超过18m的桥梁,组合桥在综合效益上具有一定优势。

例如,法国统计指出,当跨径为30m至110m,特别是60m至80m范围内,钢-混凝土组合桥的单位面积造价要低于混凝土桥18%。

在这一跨度范围内,法国近年建造的桥梁中有85%都采用了组合技术。

目前,欧美等国跨径在15m以下的小跨度桥梁多采用钢筋混凝土梁桥,15m～25m跨径则用预应力混凝土梁桥,25m～60m跨径往往采用钢-混凝土组合梁桥。

钢梁和桁架梁则一般用于大跨径桥梁。

而在大跨度的斜拉桥中,采用组合桥面也可以获得很高的经济效益。

通常情况下,钢梁主要承担斜拉桥的桥面弯矩,混凝土桥面板则主要承担轴向力。

我国桥梁过去多采用钢筋混凝土和预应力混凝土桥以及圬工拱桥等结构形式。

随着道路等级的不断提高和建设规模的扩大,桥梁呈现出跨径不断增大、桥型不断丰富、结构不断轻型化的发展趋势,同时对桥梁建设的经济性也越来越重视。

在这种背景和需求条件下,这些传统桥梁结构形式在许多情况下已经不能满足设计、建造和使用的要求。

近年来,钢%混凝土组合结构桥梁在我国的应我国桥梁过去多采用钢筋混凝土和预应力混凝土桥以及圬工拱桥等结构形式。

随着道路等级的不断提高和建设规模的扩大,桥梁呈现出跨径不断增大、桥型不断丰富结构不断轻型化的发展趋势,同时对桥梁建设的经济性也越来越重视。

在这种背景和需求条件下,这些传统桥梁结构形式在许多情况下已经不能满足设计、建造和使用的要求。

近年来,钢%混凝土组合结构桥梁在我国的应用实践表明,它兼有钢桥和混凝土桥的优点,具有显著的技术经济效益和社会效益,适合我国基本建设的国情,将成为桥梁结构体系的重要发展方向之一。

2组合结构桥梁的研究及应用2.1钢-混凝土组合梁桥的基本理论和设计方法组合梁最初的计算方法是基于弹性理论的换算截面法。

这种方法假设钢材与混凝土均为理想弹性体,两者连接可靠,完全共同变形,通过弹性模量比将两种材料换算成一种材料进行计算。

目前,换算截面法仍是对组合桥进行弹性分析和设计的基本方法。

考虑到混凝土是一种弹塑性材料,钢材是理想的弹塑性材料,计算构件或结构的极限承载力时,在能够保证塑性变形充分发展的前提下,有时需要考虑塑性发展带来承载力的提高。

1951年美国的N.M.Newmark等人提出了求解组合梁交界面剪力的微分方程解法。

这种方法假设材料均为弹性、抗剪连接件的荷载-滑移曲线为线性关系,通过求解微分方程得到组合梁的挠曲线。

国内外对钢-混凝土组合梁的研究表明,当连接件的数量达到完全抗剪连接时,连接件数量增加对组合梁的极限强度几乎没有影响;当连接件的数量少到一定程度后,组合梁的极限强度开始降低,直到最后只有钢梁本身提供的承载力1975年R.P.Johnson 根据前人的研究提出了简化的分析方法,提出部分抗剪连接组合梁的极限抗弯承载力可根据完全抗剪连接和纯钢梁的极限抗弯承载力按连接件数进行线性插值而确定。

随着有限元理论的发展,有限元法被用于钢- 混凝土组合桥梁的研究。

由于两种材料组合所引起的复杂性,有限元分析中重点研究的内容为:采用合理的二维或三维混凝土本构关系;引入并考虑混凝土和钢梁交界面之间的滑移及连接件的变形; 考虑裂缝的分布及其对结构强度、刚度的影响。

随着有限元方法的不断发展,计算能力不断提高,目前已经成为研究工作中的一个重要方法和工具。

1944年,美国AAS H TO 规范首次列入了有关组合梁设计条文。

美国AISC、加拿大建筑设计规范、德国DIN1078分别在1952年、1953 年和1954 年首次列入了有关组合梁的设计条文。

欧洲共同体委员会( CEC) 于1985 年首次正式颁布了关于钢混凝土组合结构的设计规范欧洲规范4(EC4)[6],这是目前世界上最完整的一部组合结构规范,为组合结构的研究和应用作了相当全面的总结,并指出了今后的发展方向。

目前,我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)中包含有一部分有关组合结构的内容,铁道部则编制有《铁路结合梁设计规定》(TBJ24-89)。

2.2连续组合梁桥混凝土开裂控制措施对于多跨桥梁,采用连续组合梁可以进一步降低梁高,并具有更好的使用性能。

但是,连续组合梁桥负弯矩区会出现混凝土桥面板受拉、钢梁受压的情况,设计时需解决负弯矩区弯剪相关、裂缝控制及内力重分布等问题。

负弯矩区混凝土桥面板开裂后,将导致组合梁刚度降低,有害气体、污水或其他腐蚀性液体可能会渗入这些裂缝,从而腐蚀混凝土板内的钢筋、栓钉以及钢梁,降低了桥梁的耐久性,增加了维修养护工作的困难。

因此,如何防止负弯矩区混凝土开裂或如何有效地控制负弯矩区混凝土裂缝宽度成为影响连续组合梁桥设计的一个关键问题。

除由混凝土材料自身特点或施工原因引起的裂缝外,组合梁开裂主要有两种原因:一是由支座不均匀沉降、温度梯度或混凝土收缩等内因所引起,二是外荷载作用下负弯矩区的混凝土桥面板在高拉应力作用下开裂。

对于负弯矩区混凝土桥面板裂缝可以有两种处理原则。

一种是通过某种措施在混凝土桥面板内产生预压应力来防止混凝土开裂,另一种是允许混凝土桥面产生裂缝,并通过配筋等措施来控制裂缝宽度。

采用预应力方法可以减少甚至防止混凝土在使用荷载下的开裂,使负弯矩区的混凝土桥面板与钢梁仍然形成组合截面共同工作,以达到节省材料、增加结构刚度的目的,并防止钢梁的锈蚀。

在连续组合梁桥负弯矩区引入预应力的方法有:(1) 通过张拉钢丝束在混凝土桥面板内施加预应力张拉钢丝束既可以在混凝土桥面板与钢梁形成组合作用之前进行,也可以在混凝土桥面板与钢梁形成组合作用之后进行。

前者可以提高高强钢丝束的使用效率,但需要通过特殊的构造措施保证桥面板和钢梁的有效连接。

目前,我国北京、深圳等地建造的组合梁桥大多采用后一种预应力张拉方式。

(2) 调整支座相对高度形成预应力混凝土浇注完毕并硬化之后,通过调整连续组合梁桥各支座的相对高度,能够改变结构的内力分布,在负弯矩区混凝土内形成预压力。

支座调整的高度通常与梁跨度成正比,对于跨度较大的组合梁,顶升工程量可能太大而无法实施。

(3) 预加载形成预应力在浇注负弯矩区混凝土之前、正弯矩区段形成组合作用之后,在跨中区段进行预加载,可以在成桥后负弯矩区的混凝土板内形成一定的预压力。

预加载可以采用堆重或张拉钢丝束等手段。

为获得较好的效果,需要的预压荷载工程量通常较大。

通过在钢梁内施加预应力,也能够降低钢材的使用应力。

但施加预应力的方法已被证明耗费很高,并导致组合桥与其他桥型的竞争力降低,此外由于徐变效应可能使得预应力的效果随混凝土龄期的增长而逐渐降低。

不施加预应力的处理方法则有利于简化施工,并且造价相对较低,是目前研究和应用的重点方向。

这两种方法各有利弊,需根据具体情况进行选择国内外预弯组合梁发展现状预弯组合梁亦称为预弯预应力混凝土梁，有时也简称为预弯梁。

这种桥型结构早在对世纪的年代出自欧洲，60年代引入日本，80年代中期引进我国。

目前在日本和韩国应用得较多，且已建立了较完备的设计、施工或技术标准，形成了工业化的生产能力。

在公路或城市桥梁设计、施工中，只要选择预弯组合梁的型号，则可有专业化的预弯梁制造商完成其制造、运输和安装工作。

国外在预弯组合梁桥的应用上早已突破了简支梁的限制，并且建成了多座预弯组合连续梁。

日本建成的预弯组合梁桥的最大简支跨径已达到44m（建设省名四国道工程，R155号OB桥，1996年建成）；最大跨径的两路连续梁桥为40.703+41.339（京都府小贝小桥，1997年建成）。

预弯组合简支架桥的最大跨径可以达到60m。

据资料统计，截止1996年，仅在日本就已建成简支预弯组合梁桥512座，其中铁路桥梁9座，其余均为公路桥；截止1998年年底，日本已建成公路预弯组合连续梁桥47座。

同时可以发现，20世纪80年代后建造的预弯组合梁桥数量占80％左右，而且90年代以后建造的预弯组合梁桥数量就接近200座。

我国在预弯组合梁桥方面的研究工作虽然起步较晚，但进步也很快。

根据对已掌握的有关资料的分析，在我国最先引进预弯组合梁概念的是同济大学的张士铎教授。

他首先提出了预弯组合梁初步设计方法，其中包括截面尺寸拟定，挠度及上拱度的估算方法，并且通过计算示例给出了预弯组合梁的主要计算步骤。

1989年同济大学与郑州市公路管理处合作在河南省交通厅立项开展了预弯组合梁桥的研制工作，并修建了试验桥。

交通部天津水运科学研究所的留日访问学者竺存宏先生回国后带回了日本有关预弯组合梁的设计、施工技术，并且结合我国公路桥梁的实际情况开展了预弯组合梁的试验研究，该项研究工作由交通部列入国家“七五"重点攻关项目。

1990年，湖南大学与长沙市规划设计院合作在长沙市修建了试验桥。

西安公路学院与天津水运科学研究所合作对预弯组合梁的作用机理、截面应力及刚度的计算方法进行了研究。

哈尔滨建筑大学自1990年开始预弯组合梁的研究工作。

先后在交通部（“八五"行业联合科技攻关计划）、吉林省交通厅、黑龙江省交通厅及哈尔滨市建委立项，开展了预弯组合梁桥的非线性全过程分析理论，全寿命时效分析理论，极限强度，施工技术及工装设备等方面的研究工作，并完成了三座预弯组合梁桥的设计和施工指导工作。

1996年由（原）国家教委优秀青年教师基金资助开展了预弯组合连续梁桥型结构的研究，并已完成了理论研究部分。

目前，国内在预弯组合梁桥设计理论研究方面已突破了日本《预弯组合梁桥设计施工指南》（1983，1998）中的弹性应力设计方法，并在极限强度、时效分析等方面取得了许多可喜的成果。

在预弯组合梁的现场施工技术、工艺设备等方面的研究也已取得了很大进展。

根据国外的发展情况可以预测，预弯组合梁结构在我国21世纪的中、小跨径的桥架结构中将占有一席之地。