组合结构桥梁设计及其在我国桥梁工程中应用进展

6 组合拱桥
钢管混凝土拱 型钢混凝土拱
施工容易，质量难保证。 施工容易，无钢材维护的问题。
钢板梁+混凝土桥面板
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组合梁斜拉桥
钢箱梁+混凝土桥面板 钢桁架梁+混凝土桥面板
钢梁+混凝土梁
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抗弯刚度增大。 抗弯、扭刚度增大。 上下层车道处理方便。 塔墩附近加劲梁抗压性能提高。
二、抗剪连接件设计
抗剪件连接件的种类
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抗剪件连接件的种类
组合梁剪力连接设计
20世纪20年代初，H. M. Macking和Lash指出剪力连接件可增强组 合梁整体工作性能；40年代开始，所有组合梁均采用剪力连接件。
剪力连接件作用： 传递钢梁与混凝土翼板 间的纵向剪力；抵抗钢 梁与混凝土翼板间的掀 起力。
1.1 剪力连接件形式
σy Vd = 0.8 σ yF
Vu
连接件屈服强度实测值
3、讨 论
实际组合梁和推出试件中混凝土受力状态不同，推出试验中连接件的刚 度和强度与实际情况有所不同：
¾正弯矩区：混凝土板受压，连接件在弹性阶段的实际刚度高于推出 试验刚度，二者极限承载力差不多； ¾负弯矩区：连接件实际刚度和强
度小于推出试验结果
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2、栓钉破坏模式 ¾周围混凝土压碎破坏：栓钉直径大、混凝土强度低； ¾混凝土板劈裂破坏：横向布筋不足； ¾栓钉本身受剪破坏：栓钉较弱、混凝土强度高。
可能出现焊缝破坏和拨出破坏。
3、栓钉荷载-滑移曲线 反映连接件工作性能的特征曲线。
Ollgaard模型（1971）：
V =Vu(1−e−ns)m
Vu — 栓钉极限承载力 s — 滑移（mm)
⑴应力变化循环次数大于105次时，应进行疲劳验算； ⑵疲劳验算采用荷载标准值，按弹性状态计算，要同时考虑剪力作用的 最大值和最小值；
f
⑷ 常幅疲劳(应力幅常量)：给定循环次数下，连接件见应力幅 Δτ 满足：
Δτ = τmax −τmin ≤ [Δτ]
连接件最大、最小剪应力
组合拱桥—钢管混凝土拱桥
¾ 浙江新安江大桥
建德新安江桥位于浙江省建德市新安江上，跨径为84+120+84(m) 的三跨连续中承式钢管混凝土拱桥。 全长375m，桥面净宽为10m，净 7+2x1.5(m)人行道，人群荷载为3.5kN/m2，中孔120m拱肋由两根 Φ800mm钢管叠合组成“哑铃形”，高度200cm，边孔84m拱肋由两根 Φ750mm钢管组成，高度180cm。
4根纵向体外索箱内布置，索力合计8830kN
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◇千岁高架引桥（日本，1998年完成）
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组合箱梁桥—曲线梁桥
组合箱梁桥在中小跨度桥梁中广泛应用，特别是城市高 架立交中的曲线桥梁。既有常规箱梁，也有窄幅箱梁等。
钢腹板-混凝土组合箱梁桥
组合刚构桥—钢箱梁+混凝土墩
◇横浜绿IC桥 （日本,1997年完成） ◇7跨连续刚构桥； 32.3m＋4×40.0m＋ 42.0m＋40.1m ◇横梁与混凝土固 结
规范。目前国外几个主要规范都包含组合结构设计部分。
EURO CODE 欧洲
BS 5400
英国
DIN
德国
AASHTO
美国
道路示方书 日本
GB50917-2013 中国
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组合梁
组合构件— 梁
组合钢板梁
连接件
组合箱形梁 组合桁架梁
混凝土桥面板
上弦
7 下横联
斜腹杆
竖向横撑
下弦
2013-12-01 钢梁部件组成
1.4 剪力连接件的设计承载力
1、栓钉连接件 （承载能力极限状态）
1.4 剪力连接件的设计承载力 1.4.1 静力抗剪承载力
1、栓钉连接件（正常使用极限状态）
1.4.2 疲劳抗剪承载力 1、欧洲规范4（Eurocode 4）
栓钉疲劳强度曲线：
logN +8logΔτR = 22.123
ΔτR =
4ΔPRd πd2
◇ 混合梁 ◇ 混合墩塔 ◇ 刚构体 ◇ 混合拱肋
组合结构桥梁
◇组合结构桥梁 ----使用组合构件或组合体系的桥梁
◇组合结构桥梁的分类
◆组合板梁桥 ◆组合箱梁桥 ◆组合桁梁桥 ◆混合梁桥 ◆组合刚构桥 ◆组合拱桥 ◆组合斜拉桥
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不同类型桥梁跨径适用范围
欧美及日本等国自1950年前后开展组合梁研究，并陆 续制定设计指南或规范，到1970年代，这些国家又投入大 量资金，进行基础理论研究和试验，制定了新的组合结构
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◇用型钢骨架作为拱肋 ◇采用斜拉悬臂施工 ◇闭合后浇注混凝土
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组合拱桥—钢管混凝土拱桥
组合拱桥—钢管混凝土拱桥
四川旺苍东河大桥
旺苍东河桥位于四川省旺苍县，是我国第一座钢管混凝土拱桥。该 桥净跨115m，是下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥，矢度1/6，桥面为 净7+2x0.8+2x3+2x0.2(m)，总宽15m，主桥长248m，两片拱肋间用Φ800 横撑连接以保持 其稳定性，垂直 吊杆用高强钢丝 组成，以吊挂钢 筋混凝土横梁。 于1990年建成。
组合拱桥—钢管混凝土拱桥
¾湖北三峡黄柏河大桥 该桥主跨采用160m上承式钢管混凝土拱桥。桥宽18.5m，
四车道；主拱肋为4片直径为1.0m的哑铃型截面钢管混凝土 结构。采用有平衡重平转法施工。拱脚基础嵌固于基岩内； 拱桥矢高32m，矢跨比1／5；拱上立柱直径0.6~0.8m，最高 达27m；桥面梁为跨度10~13m的板梁。
为保证疲劳极限状态的安全，栓钉个数不少于（1）式的计算值，栓钉轴
向间距满足： 一个横截面内栓钉个数
短期效应组合截面惯性矩
p ≤ n⋅ ΔPRd ⋅I
疲劳极限状态下活载
VsrS
加冲击的剪力幅
混凝土翼板对组合截面短 期效应中性轴的面积矩
3、连接件疲劳验算要点（《混凝土结构设计规范》、《钢结构设计规范》）
Baidu Nhomakorabea16
组合箱梁桥—槽形钢截面
◇Lignon桥（法国）
◇千鸟泽川桥（日本）
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3
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组合箱梁桥—槽形截面组合箱梁桥
组合箱梁桥—槽形截面组合箱梁桥
◇Bois de Rosset桥（瑞士，1991年完成）
连续桥，3m+34.2+11×42.75m+51.3m+38.5m
槽形钢截面+横向预应力混凝土桥面板
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组合结构桥梁设计及其在 我国桥梁工程中的应用进展
东南大学 万水
一、组合结构桥梁特点
组合结构
组合结构
组合构件
组合体系
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◇ 组合梁
◆平腹板式组合梁 ◆折腹板式组合梁 ◆桁腹式组合梁 ◆预弯组合梁
◇ 组合板
◆用焊钉连接件组合 ◆用开孔板连接件组合 ◆用钢管连接件组合 ◆夹层式组合
◇ 钢管混凝土墩塔 ◇ 型钢混凝土墩塔
张阳
湖南大学土木工程学院桥梁教研室
13974810242
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组合拱桥—钢管混凝土拱桥
¾广州髻沙大桥
全长1084米，主桥采用三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥桥型， 其主跨以360米一跨跨过珠江的主航道。大桥建成后，桥面是双向6车道。
组合梁斜拉桥
◇钢板梁+混凝土桥面板 ◇钢箱梁+混凝土桥面板 ◇钢桁架梁+混凝土桥面板 ◇钢梁+混凝土梁
◇杨浦大桥（中国，1993年完成）
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组合梁悬索桥
法国主跨300m的Chavanon River悬索桥，加劲梁采用 组合钢箱梁，施工时钢梁前端吊挂、后端顶推。桥面板 待钢梁全部就位后铺设。
组合结构桥梁的结构特点
序 号
名称
形式
1 组合钢板梁桥 钢板梁+混凝土桥面板
特点 抗弯刚度增大。
2 组合箱梁桥
闭合截面钢箱梁+混凝土桥面板 抗弯、扭刚度增大，顶钢板未充分利用。 槽形截面钢箱梁+混凝土桥面板 省去顶钢板、施工难度加大。 波折钢腹板+混凝土上下翼缘板 自重减轻，预应力能有效施加。
m,n — 试验得到的参数
Ollgaard：m = 0.558, n =1m −1 Johnson：m = 0.989, n =1.535m −1 Aribert: m = 0.8, n = 0.7m−1
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1.4 剪力连接件的设计承载力 1.4.1 静力抗剪承载力
1、栓钉连接件（承载能力极限状态）
组合构件—组合桥面板
(a) 用焊钉连接件组合
钢筋 开孔板
连接 孔
底钢板
(b) 用开孔板连接件组合
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组合构件—组合桥面板
上层钢板
底钢板
钢管连接件
弯折钢板
加劲板
底层钢板
混凝土
主梁
焊钉 主梁
(c) 用钢管连接件组合
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(d) 夹层式组合
钢管混凝土组合结构
型钢混凝土组合结构
(a) 圆钢管混凝土
(b) 方钢管混凝土
N —应力循环次数 Δτ R —栓钉疲劳强度
d —栓钉直径（mm） ΔPRd —单个栓钉疲劳抗力幅（N）
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2、美国公路桥梁设计规范（AASHTO） 栓钉疲劳承载力：
ΔPRd = ad 2 (1)
a = 238−29.51logN ≥ 38.0d2
N —应力循环次数
d —栓钉直径（mm） ΔPRd —单个栓钉疲劳抗力幅（N）
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(a) 实腹式型钢混凝土
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(b) 空腹式型钢混凝土
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型钢混凝土组合结构-组合墩塔
钢筋混凝土墩柱
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型钢混凝土墩柱
混合梁—钢梁与混凝土梁结合
钢筋混凝土梁
钢梁 预应力钢筋
焊钉
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混合塔—钢塔与混凝土塔结合
组合钢板梁桥
南京长江三桥塔柱接合部 15
组合钢板梁桥
◇Hopital桥（法国,4跨连续，最大跨64m）
注：推出试验承载力低于梁式试验，偏安全用推出 试验结果作为设计依据。
2、ECCS标准推出试验 （欧洲钢结构协会）
推出试验的荷载-滑移 曲线影响因素：
¾连接件数量 ¾混凝土板及钢梁尺寸 ¾板内钢筋规格与布置 ¾基座侧向约束 ¾交界面粘接程度 ¾混凝土强度和密实度
ECCS标准推出试件要求： ¾钢梁翼板等面抹油，消除交界面的粘接作用； ¾试件混凝土强度为设计混凝土圆柱体强度等级的70%±10%，露天养护； ¾需检验抗剪连接材料的屈服强度； ¾试件加载速度必须均匀，达到破坏荷载的时间不小于15分钟。
1、刚性连接件：方钢、T型钢、马蹄型钢。 ¾刚度大、不考虑剪力重分布，多用桥梁结构。
¾破坏形态：易引起周围混凝土高应力集中，导致混凝土压碎或剪 切破坏，甚至连接件与钢梁焊接处破坏。
2、柔性连接件：栓钉、弯筋、槽钢、角钢、L型钢、锚环、高强螺栓。 ¾刚度小、考虑剪力重分布，可分段均匀布置，节省连接件数量。 ¾在接触面剪力作用下发生变形，产生界面滑移，抗剪承载力不会降低。
连接件承载力设计值确定方法：
¾方法一：不少于3个试件，任意试件偏差不超过平均值10%，极限荷载Vu 取试验最低值；偏差超限，再做3个试件，极限荷载取6个试验中的最低值。 ¾方法二：至少10个试件，取概率分布曲线上0.05分位值作为极限荷载Vu
（有可能5%的结果低于此值的荷载）。
连接件屈服强度设计值
连接件设计承载力：
以下情况推出试验的连接件抗剪承载 力高于实际值，慎重确定承载力取值：
¾循环荷载作用（桥梁）； ¾实际剪力连接件侧向约束混凝土少
于推出试件。
1.3 剪力连接件的静力工作性能
1、栓钉受力状态
栓钉受力状态类似“弹性地基梁”： ¾栓钉根部局部受压，栓钉上方受混凝 土约束，出现反向压力； ¾栓钉截面较大，根部混凝土很快进入 塑性、栓钉为弹性，荷载增加、混凝土 塑性区上向发展，滑移增加较快，最后 混凝土达极限强度被压碎或劈裂，剪力 连接承载力取决于混凝土强度； ¾栓钉截面较小或混凝土强度较高，栓 钉剪断破坏。
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◇La Ferte Saint-Aubin桥(mm) (法国) 22
组合刚构桥—钢箱梁+混凝土墩
◇阿古耶桥（日本） ◇3跨连续刚构桥；36m＋36m＋36 ◇钢板梁与混凝土固结
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混合梁桥—钢箱梁+混凝土梁
2013-12-01 组合拱桥—型钢混凝土拱
新川桥（日本，2000年完成）中跨用钢箱梁 5跨连续混合梁桥：39.2m＋40.0m＋118.0m＋39.2m＋40.0m
栓钉抗剪连接件
¾栓钉连接件：制作简单，现场施工方便，各项同性，受力性能好。多用！ ¾槽钢连接件：抗剪能力强，重分布剪力性能好，翼缘同时可抵抗掀起作 用；但现场焊接工作量大。
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销栓抗剪连接件-与横隔梁（卫河桥）
1.2 剪力连接件的试验
1、实验类型
剪力件受力复杂、理论分析不易、试验确定其承载力。 ¾推出试验：一端加载，测量钢梁与混凝土板得剪力件荷载-滑移曲线。 ¾梁式试验：两点加载，纵向剪力随外荷载增加而增大，直至破坏。
3 组合桁架桥
钢桁架梁+混凝土桥面板
抗弯刚度增大，连接件设置较困难。
钢桁架腹杆+混凝土上下翼缘板 省去上下弦杆，施工难度加大。
4 组合刚构桥
钢板梁+混凝土墩 钢箱梁+混凝土墩 钢桁架梁+混凝土墩
省去支座，负弯矩区性能改善，抗震性能 提高，悬臂施工法能够使用。
5 混合梁桥
钢梁+混凝土梁
跨度增大，连接较难处理。