钢混凝土组合结构桥梁研究新进展Word格式.docx

1、 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 :U44838文献

2、标识码 :A文章编号 :1000-131X （2012 06-0110-13Advances of research on steel-concrete composite bridgesNie Jianguo 1Tao Muxuan 1Wu Lili 2Nie Xin 1Li Faxiong 1Lei Feilong 1（1Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of the Ministry of Education , Tsinghua University , Beijing 100084, China ;2C

3、hina University of Mining Technology , Beijing , Beijing 100083, China Abstract :Steel-concrete composite bridges have been developed rapidly in recent years in ChinaSeveral new types of composite bridges have been developed on the basis of traditional structures to broaden the application area of c

4、omposite bridgesIn this paper , some recent advances in research of steel-concrete composite bridges are summarizedThe main research work involves composite girder bridges with corrugated steel webs , channel-shaped steel-concrete composite girder bridges , steel-concrete composite rigid frame bridg

5、es , continuous composite bridges with double composite action and composite deck systems for large-span cable-stayed bridgesThrough improvement and development of the traditional structural forms , the comprehensive advantages of composite bridges can be fully displayed , which demonstrates a good

6、prospect of application and extension for steel-concrete composite bridgesKeywords :steel-concrete composite structure ; bridge ; corrugated steel web ; channel-shaped composite girder ; composite rigid frame bridge ; double composite ; composite deck system E-mail :dmh03mailstsinghuaeducn引 言钢 -混凝土组

7、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 ,

8、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 20 25m 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

9、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

10、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

11、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 Campenon Bernard 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

12、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 ,

13、 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

14、包括 如下 5个方面 : 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 ; 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 ; 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

15、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 ; 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 ; 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

16、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

17、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 ,

18、 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Fig1Various types of composite girder bridges with corrugated steel web plate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 : 开孔板和栓钉连接件传力分

19、担比例不清 ; 开孔板连接件的抗剪钢筋布设困难 ; 桥面板 横向钢筋布设困难 ; 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Fig2Two types of connectors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

20、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

21、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Fig5Global failure modes of the specimens翼缘钢板可有效地限制混凝土板裂缝的发

22、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 Fig6Main test results2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 ,

23、 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

24、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

25、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 : 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 ; 钢结 构部分重量较轻 , 给安装就位带来很大便利 ; 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 ; 构造

26、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

27、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

28、, 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Fig10Theoretical models of channel-shaped steel-concrete composite girder3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

29、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Fig11Steel

30、-concrete composite rigid frame bridge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 : 结构自重轻 、 刚度大 、 跨越能力强 ; 延性高 , 抗震性能好 ; 工厂化制造 ,环境影响小 ; 良好的抗裂性能 ; 具有较好 的长期受力性能 ; 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