1、 组合结构在桥梁中的应用 两种不同性质的材料组合成一个整体而共同工作的构件称为组合构件, 组合结构是由组合构件组成。例如钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理力学性能完全不同的材料组合而成。50 多年来, 组合结构的研究与应用得到迅速发展, 至今已成为一种公认的新的结构体系, 与传统的四大结构, 即钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列, 已扩展成为五大结构。从工程建设的经济性、实用性考虑，代表性的建筑材料主要是钢材与混凝土，因此一般所说的组合结构，就是指由这两种材料通过粘结、机械咬合或连接件相互接合，并且能够共同承担作用力的构件或结构。将抗拉性能强的钢材、抗压性能强的混凝土，分别合理地用在
2、构件的拉伸区及其压缩区，极大限度地追求高性能、经济性是钢与混凝土组合结构的设计原则。将两种材料合理地加以组合后，从经济性来看要好于钢结构或混凝土结构。组合结构最大的技术特点是组合后的性能已经超过材料各自的力学性能。钢材处于拉伸区域时，其强度及其延性能够很好发挥，但当处于压缩区域时，由屈曲强度决定，特别是薄钢板制成的构件，材料性能很难发挥，而混凝土是比钢材便宜、自重大、抗拉强度显著小的脆性材料。因此，两者力学上的组合主要表现在2个方面，即钢材对混凝土的支援及混凝土对钢材的支援。组合梁的优点：1)抗疲劳性能好, 使用寿命长。2) 实际承载力高。梁的试验资料表明, 组合梁的实际承载力为设计承载力的2
3、. 2 倍 2. 6 倍, 而普通钢梁, 其破坏荷载较设计荷载一般不超过2. 2。3) 冲击系数降低。钢桥实测资料表明, 用YH 型机车以64. 4 km 时速通过, 对全钢梁桥产生的冲击系数为1. 403, 而在同样情况下的组合梁桥, 实测冲击系数为1. 121, 后者较前者降低了20%。4) 节省钢材。以9 m 12 m 平台单元为例, 在相同荷载条件下, 对组合梁和非组合梁进行设计对比, 组合梁较非组合梁的主、次梁, 分别节省钢材35. 6%及30%。5) 降低梁高, 增强刚度。钢-混凝土组合结构桥梁与传统混凝土桥相比，最大的区别体现在结构质量减轻，作为桥梁承重构件的桥墩截面尺寸减小且大
4、多采用薄壁空心截面。组合结构桥梁在国外发展较早，应用很广。在法国，跨度40m100m 的公路桥中85%是组合结构桥梁，TGV 高速铁路中组合结构桥梁占到45%，在美国，组合结构桥梁在20m160m 的公路桥中竞争力很强3；在德国和日本，组合结构桥梁随处可见。随着近年我国高速公路、城市快速干道、高速铁路、铁路客运专线的大规模建设，钢-混凝土组合结构桥梁受到了越来越多的关注，大跨径拱桥、斜拉桥、中小跨径公路铁路桥梁中都有采用。根据历次震害调查，桥梁结构损伤多集中于下部墩柱结构，在组合结构桥梁大量建设的今天，组合结构桥梁是否具有进一步降低墩柱结构地震力需求的潜力，是否可作为今后桥梁抗震设计的有效策略
5、，都是工程师非常关心的问题。因此，对其抗震潜力及抗震性能进行研究，无论从工程角度、经济角度还是安全角度考虑都显得特别重要。20世纪30年代是欧美各国桥梁技术和设计理论的一个重要发展时期，组合结构在这一时期开始了研究工作，到20世纪60年代得到广泛应用，建造了大量的各种形式的组合结构桥梁。进入20世纪80年代组合结构有了新的发展，法国1980年以来建造的公路桥梁以钢混凝土组合桥梁为主，其最有竞争力的跨径范围为6080m，甚至可达30110m，以这个跨径范围建设的桥梁有85%是组合结构桥梁。日本也大力进行基础性理论研究和试验，开发了不同形式的组合结构桥梁，并制定了相应规范。英国大多数20160m跨
6、径及以上的公路桥梁，组合结构桥梁竞争力很强，德国及美国的组合结构桥梁应用更广。欧美日等发达国家大力开展组合结构桥梁研究开发， 目前国外的几个主要规范如EUROCODE、BS5400、DIN、AASHTO 等都包含组合结构设计部分。由于理论与方法的进步，技术人员对结构可以更准确地把握，从设计与施工的各个环节全面考虑。在常见的组合钢板梁桥、组合钢箱梁桥获得长足发展的同时，出现了许多有创意的新型组合结构桥梁，如波折腹板组合箱梁桥、钢桁腹杆组合桥等等。正是由于技术的多元化发展，组合结构桥梁的使用性能与耐久性、可施工性与经济竞争力等方面获得了长足进步。快速施工缩短了投资回报期，多种结构形式适应了不同的建
7、设需求，结构的简化减少了养护维修工作依靠基础理论的不断发展以及市场竞争原理，组合结构桥梁的结构形式与材料指标得以不断优化，新结构与新工艺不断推出。通过更加注意对造价、耐久、美观的全面考虑，组合结构桥梁获得强大的竞争力。在中小跨度的公路桥、铁路桥以及城市桥梁中获得广泛应用, 占据绝对比例优势。我国在钢混凝土组合桥梁结构研究及应用方面相对落后，在最普遍使用的梁式桥中，预应力混凝土结构仍然占有绝对多数，钢混凝土组合结构桥梁应用很少，工程实例大多零散出现在城市高架中，大规模应用尚未出现。由于国内组合结构桥梁应用较少，相关研究很不深入，特别是基础理论研究滞后。至今需要开展的工作量大、涉及面广，目前组合结
8、构桥梁设计指南或规范尚不完善，设计和推广这种结构存在很大困难。鉴于以上情况，即使采用组合结构桥梁，往往经济指标偏高，不能充分体现组合结构的技术经济优势。早期由于对组合结构桥的受力机理与构造研究不足，出现较多问题。20世纪70年代以来，欧洲以及日本等国大力进行基础性理论研究和试验。内容涉及焊钉连接件性能、钢梁局部稳定、结构力学性能、桥面板开裂性能以及特殊部位结构等方面。通过研究与实践，制定并完善了相应规范、建立了新的分析与设计方法。近年来，国外的空间非线性有限元分析方法日渐进步与成熟，对结构总体承载性能、桥面板开裂影响、钢梁局部稳定、连接件与结合部的力学特点等可以更精确地进行分析，已经逐步取代了
9、解析分析方法以及基于初等梁理论的简化方法。通过对连接件刚度的模拟，从而更符合实际地采用不完全平截面变形理论进行组合结构桥梁受力分析通过引入结构与材料本构关系来考虑负弯矩区桥面板开裂影响，以更精确地评估结构从加载开始到破坏过程的非线性行为关系与受力状况。依靠新的稳定理论与计算机技术的进步，可以更准确地考虑钢结构的总体与局部稳定，尤其是组合结构条件下的钢结构稳定特性，为减少稳定构件、合理安排材料确立了基础。借助大量研究成果及分析方法的进步，发展了允许混凝土板开裂、用裂缝宽度限值代替拉应力限值的设计方法，从而简化了构造、方便了施工，促进了连续组合结构桥梁的发展。对于纵横向加劲肋等稳定构造，不再沿袭过
10、去依据简化模型制定的相关设计规定，而是借助于新的稳定理论与分析方法进行设计，由此钢梁加强了高度简化的趋势。此外，还有一些新的设计方法发展建立起来，例如：在结构不同区域变化钢与混凝土连接刚度达到截面完全组合与不完全组合相结合的设计方法；利用施工手段调节钢梁与混凝土板应力状态的设计方法；连接件以群钉形式间断设置，从而实现有效施加预应力的方法等。设计方法的进步，可以更合理、更实际、更有效地安排材料，从而促进组合结构桥梁经济竞争力的提高并获得了更大的发展。在钢结构材料方面，耐候钢的使用，省去了涂装费用与养护工作量，变厚变宽钢板的应用，使设计时可以更加合理地安排钢梁材料，并且减少了焊接工作量。高性能钢材
11、的应用，拓展了组合结构桥梁的发展空间，进一步提升了其技术经济竞争能力。混凝土材料方面，发展了密实性、流动性、抗收缩性更好的混凝土以及纤维加强混凝土，提高了混凝土的质量、有效地控制了混凝土裂缝的开展。在连接件方面，为了确保连接件的抗剪和抗拉拔、抗疲劳性能以及配合新结构形式与工法的开发等，对原有连接件进行改进，并开发一些新的连接件，如：开孔板连接件、组合连接件、筒式连接件、螺栓连接件以及槽齿性连接件等。还有通过在焊钉根部使用可控制硬化时间的环氧树脂，达到刚度滞后发挥的目的。在桥面板方面，为了实现方便快速施工，开发了组合结构桥面板，代表性的两种类型有钢混凝土组合型与填充混凝土钢格构型。组合型桥面板又
12、有折板式平面和空间桁架以及用预制钢筋桁架组合桥面板等多种；填充混凝土钢格构型则是用型钢代替一部分钢筋，然后浇筑混凝土，其钢板作为底模并构成一体。组合钢板梁、组合钢箱梁、组合钢桁梁的施工，经过长期发展，普遍采用先钢梁再桥面板的施工方法；钢梁施工常用顶推法，桥面板施工以钢梁为平台，进行现浇或预制板铺设。这种方法利用了钢梁自重轻、承载能力强的特点，可以降低对机具设备与临时设施的要求，同时也体现了快速施工的特点。钢桁腹杆组合梁桥与波折腹板组合箱梁桥，则以节段预制化、架桥机整孔节段拼装或对称节段拼装法施工，既保证了质量又体现了快速施工。在设计和施工密切配合的技术动态下，完善发展了施加预应力的支点升降法、
13、减小中支点负弯矩的间断浇筑法、提高桥面板质量的预制桥面板法以及快速施工的桥面板纵向滑移法等。此外，还有一些充分利用施工方法调节钢梁与混凝土板应力状态的方法。设计与施工的相互依存，使得人们不再从单一角度考虑问题，而是从设计与施工的各个环节全面考虑，其结果是材料更加节省、施工更加便捷。在钢梁制作方面，开发了具有良好抗疲劳性能的现场全截面对接焊工艺，为钢梁现场拼接质量提供了保证；用于焊钉连接件焊接的设备开发，提供了快速施工与质量保证。钢梁顶推法不仅用于直线桥与等曲率的曲线桥，还被加以发展后用于变高梁。钢梁顶推时通常不设临时墩与导梁，为了控制过大变形、减小结构受力，发展了在钢梁上安装吊索支架辅助施工的
14、方法。主跨213.75m的Caroni河桥，钢梁顶推时，其梁底设有桁架衬托。瑞士主跨为130m 的Vaux 桥，顶推时配置了竖向升降量达4.5m的可调支承，以适应变高梁的梁高变化。现浇桥面板为了解决混凝土水化热与干燥收缩引起的问题，采取浇筑前对钢梁上翼缘进行预热、浇筑后用真空泵等设备去除混凝土中无用水、选用干燥收缩效应小的混凝土以及增加配筋等方法。为了改善现浇混凝土板的施工条件、加快工程进度，发明了具有高度机动性与可调性的模板车，既能在钢梁上翼板也能在混凝土板表面行走，使桥面板间断施工也可快速进行。预制混凝土桥面板的方法在施工性、工期、减少桥面板出现的拉应力诸方面均有一定的优势。为了实现快速安
15、装，设计制造一些由自行式作业吊车和滑动运输车组成的专用设备，确保预制板快速安装。为了改善桥面板与钢梁结合后再导入预应力的方式存在的弊端，还发展了施加预应力后再行结合的设计与施工方法。综合桥面板预制与现浇的优点、规避其缺点，发展了新的桥面板工艺方法，将桥面板分为2层，下层预制板较薄，以方便安装并兼作上层模板，上层现浇后形成整体桥面板。这一方法已经成为近年来的趋势之一。瑞士开发了预制桥面板采用顶推法施工，在桥端部浇筑混凝土板，钢主梁作为导轨逐段顶推就位，连接件通过桥面板的预留孔焊在钢翼缘上。法国于2000年前后开发了另一种桥面板顶推施工方法，其分块预制板在浇筑时用钢管连接起来，顶推到位后浇筑混凝土
16、形成整板中国在组合结构桥梁研究及应用方面相对落后，在最普遍使用的梁式桥中，预应力混凝土结构仍然占有绝对多数，公路桥中组合结构应用不广，虽然近期有2座超百米跨度连续组合钢箱梁桥建成，但总的应用仍然非常之少；城市桥梁除北京市近年有较多应用外，其他一些工程实例大多零散出现在城市高架桥中。大跨度桥梁虽然有南浦大桥、杨浦大桥等应用，但比例仍然很低，悬索桥的应用数量更少。拱桥以钢管混凝土结构为多，拱桥的桥面系采用组合结构的实例很少见。铁路桥近年来在芜湖大桥采用了组合钢桁梁，在秦沈铁路客运专线上，试验性采用了组合结构简支梁与连续梁。总之，我国在组合结构桥梁的应用方面远不及欧美日等国家普遍，尤其百米级跨度钢混
17、凝土组合结构连续梁桥更是少见。在基础理论研究方面，组合结构桥梁的整体受力性能、负弯矩区的力学性能、桥面板的合理构造、钢与混凝土的连接性能、连接件的滑移影响与力学性能以及钢结构屈服稳定与构造要求等问题，必须进行深入研究才能为组合结构的健康发展打下良好的基础。因此，研究工作应该在充分借鉴国外成果的基础上，结合国内桥梁建设需求与特点，开展系列化、系统性的分析与试验研究，特别要重视能够反映组合结构桥梁本质与特点的试验研究工作，为规范的完善以及设计水平的组合结构桥梁由于其结构特点、受力特点以及施工过程的多样性，表现出明显的受力空间复杂性以及非线性行为，传统的采用平面结构模型的简化方法以及线弹性理论, 难
18、以适应现代组合结构桥梁的设计要求。组合结构桥梁施工方法与过程不同，最终的结构受力状态也不同。为了达到技术与经济等方面的优化目标，需要设计与施工相互结合，寻求经济合理的结构方案与施工措施，从而实现改善结构性能降低材料消耗的目的。正因为如此，欧美等发达国家在基础理论、分析与设计方法以及施工技术等方面获得了高度发展，设计与施工精细化与相互依存的程度日渐提高，并呈现不断改进与创新的技术动态。而国内在相关研究、设计以及施工技术方面尚存在很大差距，需要科研、设计、施工等方面密切合作, 借鉴国际先进经验，以高起点开展理论研究以及工程设计与施工实践，大力提升组合结构桥梁技术水平与创新能力，形成自主创新技术，促
19、进我国组合结构桥梁健康发展。(1) 桥梁结构的地震力需求随上部结构质量增大而增加，反之亦然。减小桥梁上部结构质量，可以有效减小桥梁的地震力需求。(2) 正常情况下，墩高越矮，结构的地震力需求也越大，矮墩桥梁更适合采用上部结构质量较轻的桥梁方案。(3) 桥墩采用圆形截面更利于减小地震需求，对于空心截面，截面空心率越大，地震力需求越小，但与结构质量变化相比，空心率增大对地震力需求减小的贡献基本可以忽略。而且空心率不能一味增大，还应综合考虑结构的各方性能确定。(4) 无论何种场地，采用组合结构主梁可使桥梁墩柱结构地震力需求较采用实心墩的混凝土桥梁减小约1/4，且下部结构造价明显降低，桥梁的抗震性能和
20、经济性得到提高，具有较好的抗震潜力，可作为今后桥梁抗震设计的有效策略。组合结构桥梁在国外发展很快，建设了许多形式新颖、功能合理的桥梁。其特点主要体现在合理地使用耐候钢、高强钢等高性能钢材，以及轻质混凝土、钢纤维混凝土等高性能混凝土来提高耐久性；巧妙地使用钢管、波折钢板、体外索与混凝土组合来提高构件截面性能；充分考虑两种材料的组合作用、积极采用厚钢板等来减少加劲肋、横撑等次要承重构件来追求体系的简化。值得指出的是对于组合梁桥，仅仅在设计上考虑钢与混凝土的组合截面性能的提高，其经济效益并不显著，而应考虑桥面板对组合截面的钢梁局部受力以及整体受力的有利作用，减少加劲肋和横撑的数量。也就是说在进行组合截面性能研究的同时，加大结构体系研究有助于推动组合结构桥梁在我国的快速发展。
