钢混凝土组合结构桥梁研究新进展.docx
《钢混凝土组合结构桥梁研究新进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢混凝土组合结构桥梁研究新进展.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
钢混凝土组合结构桥梁研究新进展
第45卷第6期2012年6月
土木工程学报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL
Vol．45Jun．No．62012
基金项目:
国家自然科学基金重点项目（51138007,清华大学自主科
研计划（20101081766
作者简介:
聂建国,博士,教授收稿日期:
2010-
12-09钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展
聂建国
1
陶慕轩
1
吴丽丽
2
聂鑫
1
李法雄
1
雷飞龙
1
（1．清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室,北京100084;
2．中国矿业大学（北京,北京100083
摘要:
钢-混凝土组合结构桥梁近年来在我国得到了迅速的发展。
在传统桥梁结构形式的基础上,发展多种新型组合结构桥梁形式,拓宽组合结构桥梁的应用领域。
介绍近年来在钢-混凝土组合结构桥梁方面的最新研究进展,内容包括波形钢腹板组合梁桥、槽型钢-混凝土组合梁桥、钢-混凝土组合刚构桥、双重组合作用连续组合梁桥和大跨斜拉桥组合桥面系。
通过对传统结构形式的改进和发展,可充分发挥组合结构桥梁的综合优势,研究结果表明,钢-混凝土组合结构桥梁具有广阔的推广应用前景。
关键词:
钢-混凝土组合结构;桥梁;波形钢腹板;槽型组合梁;组合刚构桥;双重组合;组合桥面系中图分类号:
U448．38
文献标识码:
A
文章编号:
1000-
131X（201206-0110-13Advancesofresearchonsteel-concretecompositebridges
NieJianguo1
TaoMuxuan1
WuLili2
NieXin1
LiFaxiong1
LeiFeilong1
（1．KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityoftheMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;
2．ChinaUniversityofMining＆Technology,Beijing,Beijing100083,China
Abstract:
Steel-concretecompositebridgeshavebeendevelopedrapidlyinrecentyearsinChina．Severalnewtypesofcompositebridgeshavebeendevelopedonthebasisoftraditionalstructurestobroadentheapplicationareaofcompositebridges．Inthispaper,somerecentadvancesinresearchofsteel-concretecompositebridgesaresummarized．Themainresearchworkinvolvescompositegirderbridgeswithcorrugatedsteelwebs,channel-shapedsteel-concretecompositegirderbridges,steel-concretecompositerigidframebridges,continuouscompositebridgeswithdoublecompositeactionandcompositedecksystemsforlarge-spancable-stayedbridges．Throughimprovementanddevelopmentofthetraditionalstructuralforms,thecomprehensiveadvantagesofcompositebridgescanbefullydisplayed,whichdemonstratesagoodprospectofapplicationandextensionforsteel-concretecompositebridges．
Keywords:
steel-concretecompositestructure;bridge;corrugatedsteelweb;channel-shapedcompositegirder;compositerigidframebridge;doublecomposite;compositedecksystemE-mail:
dmh03@mails．tsinghua．edu．cn
引言
钢-混凝土组合结构桥梁（简称组合桥是指将钢
梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体并考
虑共同受力的桥梁结构形式。
相对于不按组合结构设计的纯钢桥,组合桥可以有效减小结构高度、提高结构刚度、减小结构在活荷载下的挠度。
通过抗剪连接件的连接作用,混凝土桥面板对钢梁受压翼缘起到约束作用,从而增强了钢梁的稳定性,有利于材料强度的充分发挥。
截面高度的降低,使结构外形更加纤
巧,改善桥梁的景观效果,有利于增加桥下净空或降
低桥面高程。
组合桥相对于混凝土桥,
上部结构高度降低、自重减轻、地震作用减小、结构延性提高、基础造价降低。
同时,组合桥便于工厂化生产、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
[1]
。
组合桥自20世纪50年代之后得到了迅速的发展,
从2025m跨径的中小跨径梁桥到跨径近千米的斜拉桥,都有组合结构的应用
[2]
。
近年来,除常用的
组合板梁桥和组合箱梁桥之外,相继研发了波形钢腹板组合梁桥、组合桁梁桥、组合刚构桥等一系列新的结构形式,拓宽了组合桥的应用领域。
而在国内,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和综合效益也越
DOI:
10.15951/j.tmgcxb.2012.06.003
来越重视。
在这种背景和需求下,传统的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。
钢-混凝土组合结构桥梁由于兼有钢桥和混凝土桥的优点,适合我国基本建设的国情,近20年来已得到迅速发展。
本文重点介绍了笔者所在的研究团队近年来在钢-混凝土组合结构桥梁方面完成的一些最新研究和实践工作,内容主要包括波形钢腹板组合梁桥、槽型钢-混凝土组合梁桥、钢-混凝土组合刚构桥、双重组合作用连续组合梁桥和大跨斜拉桥组合桥面系,通过对传统结构形式的改进和发展,可充分发挥组合结构桥梁的综合优势。
研究结果表明,组合结构桥梁具有广阔的应用前景。
1波形钢腹板组合梁桥
减轻大跨度预应力混凝土桥梁上部结构的重量是桥梁结构技术革新的一个重要方向。
对于预应力混凝土箱梁而言,由于需要在腹板内布筋和使预应力筋转向,必须增加腹板厚度,腹板面积可占总截面面积的25%35%。
因此,减小腹板厚度对减轻箱梁自重和减少预应力筋用量是比较有效的途径之一。
为减小腹板厚度,法国首先提出了用平面钢腹板来代替传统箱梁的混凝土腹板,并通过箱形截面内的体外预应力筋来施加预应力。
经工程实践,用平钢腹板代替传统箱梁的混凝土腹板后,自重减轻达到25%35%[3],但由于顶板和底板的混凝土因徐变、收缩而产生的变形受到钢腹板的约束,使得顶板和底板内的预应力有向钢腹板转移的趋势,后者承担了大约20%25%的预应力,不但降低了预应力的使用效率,同时也要求在钢腹板上增设纵向或竖向加劲肋来防止屈曲。
为解决由于钢腹板的约束作用而造成的截面预应力损失,法国CampenonBernard公司于1975年提出了用波形钢腹板来代替平面钢腹板的设想。
传统的波形钢腹板组合梁构造形式如图1（a所示,与传统的预应力混凝土腹板箱梁桥相比,通过用波形钢腹板替换混凝土腹板,可减轻自重,有效改善结构受力性能、施工性能以及经济性能;充分发挥材料潜能,提高材料效率;改善结构的施工性能、正常使用性能和长期性能。
与纵向加劲的平面钢腹板组合梁桥相比,这种波形钢腹板组合梁桥能有效减小腹板对混凝土翼缘板的约束,提高预应力导入度,提高材料效率;大大提高腹板的剪切屈曲强度,降低其对几何初始缺陷的敏感性;充分利用波形钢腹板的三维挠曲特性,方便施工,改善拼装条件。
然而,传统的波形钢腹板组合梁在下翼缘混凝土板浇筑时,需现场搭设满堂红脚手架以支撑模板,存在现场作业及施工难度较大等问题,同时下翼缘混凝土板和下翼缘钢板的结合部由于浇筑空间狭小,混凝土浇筑质量难以保证,影响结合部的受力性能;另一方面,下翼缘混凝土板通过连接件悬挂于波形钢腹板下方,在正弯矩作用下容易过早开裂,从而降低结构的承载力及刚度,影响结构的耐久性,这些问题都给该类结构的推广应用造成了一定的困难。
针对上述传统波形钢腹板的不足,笔者通过改进构造,提出了多种新型波形钢腹板组合梁桥形式,如图1（b图1（f所示。
图1（b是一种下翼缘改进型波形钢腹板组合梁桥,相比传统的波形钢腹板组合梁桥,主要优势包括如下5个方面:
①通过将下翼缘混凝土板置于下翼缘钢板之上,下翼缘钢板可以为下翼缘混凝土板的浇筑提供可靠的模板支撑,从而避免现场搭设满堂红脚手架,降低混凝土湿作业工作量和施工难度,缩短施工周期,加快施工进度。
整个施工过程可以不中断桥下交通,施工快捷,综合经济效益好,是对传统波形钢腹板组合箱梁的明显改进;②下翼缘钢与混凝土结合部构造简单,混凝土浇筑空间大,浇筑质量易于保证,结合部的受力性能得到有效改善;③下翼缘钢板置于下翼缘混凝土板外侧,受力更为合理,下翼缘钢板不仅自身能更充分地参与结构受力,发挥抗拉性能好的特点,同时对下翼缘混凝土板提供部分约束,从而提高结构的承载力、刚度和抗裂性能,改善结构的耐久性;④下翼缘混凝土板为上翼缘混凝土板的浇筑提供了支撑,减少了上翼缘混凝土板的模板工程和混凝土湿作业工作量;⑤下翼缘改进型波形钢腹板组合箱梁相比传统波形钢腹板组合箱梁在受力性能、施工性能等方面得到显著改善的同时,用钢量几乎没有增加,经济性能较优。
图1（b所示的下翼缘改进型波形钢腹板主要适用于连续梁桥。
对于简支梁桥,可以采用图1（c所示的结构形式,取消下翼缘混凝土板,这样上翼缘混凝土受压,下翼缘钢板受拉,可充分发挥材料的强度,避免了下翼缘混凝土开裂的问题。
这种波形钢腹板组合梁也可以看作采用波形钢腹板的普通组合梁,因此它除了具有普通组合梁的优点外（刚度大、承载力高、施工方便、自重轻、抗震性能好等,还能有效减小收缩徐变、温度效应等对结构的不利影响。
如果将图1
（c的现浇混凝土板改为叠合混凝土板,就形成了图1
（d所示的采用波形钢腹板的叠合板组合梁,采用叠合混凝土板后,不仅能保留现浇混凝土板整体性好的
优点,同时预制混凝土板可作为现浇混凝土层的施工模板,现场施工可以不用模板和脚手架,降低混凝土湿作业工作量和施工难度,缩短施工周期。
图1（e所示为下弦开敞桁式波形钢腹板组合梁。
对于简支组合梁,下弦钢管可施加预应力,以提高结构的承载力;对于连续组合梁,正弯矩区下弦钢管仍可施加预应力,负弯矩区下弦钢管可灌注混凝土,从而提高负弯矩截面的刚度和承载力,同时下弦混凝土施工十分方便,不需要模板脚手架,钢管外包混凝土,
从根本上解决了传统波形钢腹板组合梁下翼缘混凝
土施工困难、易于开裂、耐久性不足等问题。
此外,下弦水平支撑和斜撑可为上翼缘混凝土板的浇筑提供支撑,减少了模板工程和混凝土湿作业工作量和支模工序,工业化程度高,钢结构部分主要为工厂预制,质量易于保证。
同样的,可以在图1（e的基础上进一步将上翼缘现浇混凝土板替换为叠合混凝土板,简化施工工艺,缩短施工工期,减小施工对周围环境的不利影响
。
图1
不同形式的波形钢腹板组合梁桥
Fig．1
Varioustypesofcompositegirderbridgeswithcorrugatedsteelwebplate
波形钢腹板和混凝土翼缘板的有效结合是波形
钢腹板组合梁设计的关键问题之一。
传统的结合方式为采用图2（a所示的开孔板和栓钉连接件共同使用的混合连接件。
采用这种形式的连接件主要存在如下不足:
①开孔板和栓钉连接件传力分担比例不
清;②开孔板连接件的抗剪钢筋布设困难;③桥面板横向钢筋布设困难;④桥面混凝土板被开孔板分割,整体性差。
而采用如图2（b所示的栓钉连接件形式,能有效克服上述4点不足
。
图2两种连接件形式
Fig．2
Twotypesofconnectors
为进一步研究传统及改进后的波形钢腹板组合梁的受力性能,进行了大比例模型试验。
试验共设计了3个试件,其截面和构造形式如图3所示。
试件A为传统波形钢腹板组合梁,上翼缘采用开孔板和栓钉混合连接件,下翼缘采用开孔板连接件（图3（a;试件B为连接件改进型波形钢腹板组合梁,和试件A相比,连接件形式改为栓钉连接件（图3（b;试件C为
下翼缘改进型波形钢腹板组合梁,连接件形式为栓钉
连接件（图3（c。
3个试件的下翼缘预应力水平及用钢量基本保持一致,使试验结果具有可比性。
图4所示为3个试件的制作情况,由于对下翼缘混凝土进行了较大的优化,试件C的加工难度明显小于试件A和试件B
。
试验采用跨中两点对称加载直至试件破坏,
3个试件都表现为延性受弯破坏,
破坏时上翼缘混凝土压溃,下翼缘钢筋或钢板屈服,如图5所示。
可见采用栓钉连接件可以较好地保证波形钢腹板和混凝土翼缘
板的共同工作,下翼缘改进型波形钢腹板组合梁具有良好的受力性能。
图6所示为3个试件的主要试验结果对比。
图6（a为荷载-跨中位移实测曲线,
3个试件都表现出良好的延性,下翼缘改进型波形钢腹板组合梁（试件C相比其他试件具有更高的使用刚度和承载能力,但其用钢量并不比其他两个试件高。
图6（b为荷载-下翼缘混凝土板最大裂缝宽度实测曲线,在相同的荷载水平下,下翼缘改进型波形钢腹板组合梁的最大裂缝宽度远小于其他两个试件,可见通过改进下翼缘构造,
下
图5
试件整体破坏形态
Fig．5
Globalfailuremodesofthespecimens
翼缘钢板可有效地限制混凝土板裂缝的发展,使改进后的波形钢腹板组合梁具有更好的抗裂性能,这对提高结构的耐久性具有重要意义
。
图6主要试验结果Fig．6
Maintestresults
2槽型钢-混凝土组合梁桥
轨道交通桥梁的结构形式直接关系到轨道交通
的建设费用、城市景观协调、减振降噪等问题。
因此,
合理选择桥梁结构形式是轨道交通的一个重要课题。
目前,我国已经修建和正在修建的城市轨道高架桥一般采用上承式箱型截面,如图7（a所示,由于城市轨道高架桥大多位于城市或城市组团的中心地区,上承式桥梁不仅对城市景观影响较大,对地面人群造成压抑感,而且会对附近居民产生较大的噪音干扰,同时箱形梁梁高及梁重较大,常采用的现浇施工方法具有施工成本高和工期长等缺点,施工时对周围环境干扰较大。
图7（b所示的预应力混凝土槽型梁是为适应城市高架轨道交通的需要,由法国索菲图公司首先提
出的一种桥梁结构形式,
其主要特点是将高架桥结构承载、降噪、防撞与运营等功能有机结合成整体,同时
达到降低结构总体高度的目的[4-5]
。
然而在我国,一方面由于对预应力槽型梁的研究成果尚不系统,多针
对具体工程,且较少直接应用于城市轨道交通,距离指导工程实践还有一定差距,研究工作的滞后制约了这种结构形式的发展和应用;另一方面受预应力混凝土自身特点的限制,特别是过于复杂的施工工艺和混
凝土的开裂问题[6-7],给槽型梁的应用带来很多障碍,因此我国自20世纪80年代开始试制槽型梁以来,始
终未能推广应用。
针对预应力混凝土槽型梁存在的上述问题,笔者将钢-混凝土组合原理应用于槽型梁结构中,提出了槽型钢-混凝土组合梁的新结构方案,如图7（c所示。
首先加工制作U形截面的钢梁,钢梁安装就位后现场浇筑混凝土,钢板与混凝土通过抗剪连接件组合成整体共同工作,可以充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压性能好的材料特点。
通过对钢材与混凝土两种材料的有效组合,可以在保留传统槽型梁结构优点的基础上,大大改善其施工性能和使用性能,明显提高结构
的综合经济效益
[8-9]。
槽形钢-混凝土组合梁除了具有预应力混凝土槽形梁的一些优点外,
如降低轨道标高、降低噪声污染等,还具有以下优点:
①钢结构部分为工厂制作,易于
保证质量;混凝土直接利用钢板进行浇筑,可以无模板或使用较少模板进行施工,易于控制质量;②钢结构部分重量较轻,给安装就位带来很大便利;③结构受拉区外包钢板,避免混凝土裂缝暴露,便于维护,同
时外包钢板能在一定程度上缓解目前频频发生的超高车辆撞击桥梁而使桥梁受损所产生的严重后果,因此结构的安全性和耐久性较好;④构造简单。
对于承受轨道及列车荷载而横向受弯的底板,下层钢板在横向可以充分发挥抗拉作用,避免板底纵向开裂;作为纵向主梁的下翼缘,底层钢板又可以在纵向充分发挥抗拉作用,因此相对于预应力混凝土结构可大大简化构造,减少钢筋绑扎、焊接以及多向预应力张拉的困难。
为了深入了解槽型钢-混凝土组合梁这种新型结构的受力性能,开展了试验研究。
图8所示为槽型组合梁试件的制作过程,主要分3个步骤,先制作钢结构,焊接栓钉,然后绑扎钢筋,最后浇筑混凝土。
图9所示为槽型组合梁的最终破坏形态,槽型组合梁表现出延性弯曲破坏形态,上翼缘混凝土压溃,下翼缘钢板受拉屈服,
侧面钢腹板略有鼓屈。
在试验研究的基础上,笔者发展了适用于槽型组合梁全过程受力性能模拟的三种理论分析模型,包括条带模型、壳有限元模型（图10（a和实体有限元模型（图10（b,其模拟结果和试验结果的对比情况如图10（c所示,可见这些理论模型均有较高的精度,实体模型承载力计算结果略有偏大。
利用这些理论模型,笔者重点研究了槽型组合梁的截面优化和选型[8]、剪力滞后效应和空间受力性能、组合板稳定承载力及栓钉设计方法等[10-12],为槽型组合梁的应用和推广提供了理论基础。
图10
槽型钢-混凝土组合梁理论分析模型
Fig．10
Theoreticalmodelsofchannel-shapedsteel-concretecompositegirder
3钢-混凝土组合刚构桥
刚构桥具有桥下净空大、节省支座、造型美观、桥
面平顺性好和抗震性能高等优点,是适用于跨越深阔河谷的优良桥梁结构形式。
刚构桥将墩-梁固结后,在竖向荷载作用下,主梁端部将产生负弯矩,从而可减小跨中正弯矩,
梁跨中截面相比其他梁式桥型可相应减小[13]
。
相对于梁式桥,刚构桥可以有效避免强震下发生落梁破坏。
此外,墩-梁固结后如采用悬臂施工,
不仅可省略一般梁式桥施工时的临时锚固措施,而且
结构体系在施工过程中的受力状态与成桥后的受力
状态也基本一致[14]
。
但是,刚构桥的超静定次数高,因此对基础变位、常年温差和日照温差等较为敏感。
将钢-混凝土组合结构与刚构桥二者的优势进行结合所形成的钢-混凝土组合刚构桥,在受力性能、施工性能、综合造价以及耐久性等方面具有很多优势。
组合刚构桥是指在混凝土刚构桥的基础上,将钢-混凝土组合梁与混凝土桥墩或组合结构桥墩相固结所形
成的桥梁结构形式,如图11所示
。
图11
钢-混凝土组合刚构桥
Fig．11
Steel-concretecompositerigidframebridge
组合刚构桥除具备刚构桥原有的优势之外,通过与组合技术的结合,还具有以下优点:
①结构自重轻、刚度大、跨越能力强;②延性高,抗震性能好;③工厂
化制造,
环境影响小;④良好的抗裂性能;⑤具有较好的长期受力性能;⑥施工方便快捷。
主梁与桥墩固结所形成的组合刚构桥,具有不设
置支座的优点,但是如何保证桥面系承担的荷载能够有效地传给桥墩,则是设计施工的关键问题。
组合刚构桥墩-梁结合部的设计除保证有足够的强度和刚度外,还应具有良好的耐久性和延性以抵抗温度和地震
作用的影响[15]
。
目前已有的组合刚构桥墩-梁结合部构造有许多
种,如图12所示。
这些构造形式中应用最多的是钢筋锚固式结合部（图12（a以及钢柱式结合部（图12
（b。
钢筋锚固式结合部依靠墩中主筋锚固在主梁内传力,需要主筋较长的锚固长度,施工过程复杂且
节点核心区混凝土的浇筑质量难以保证;钢柱式结合部在钢主梁上焊接钢梁牛腿,
将钢牛腿埋入墩中形成整体受力,其整体工作性能好,但施工较为复杂,节点区钢筋、钢骨交错,影响了节点核心区混凝土的浇筑质量。
笔者针对已有结合部构造的不足
升级会员 