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。

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，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。19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。本文拟介绍国内建成的几座预弯组合梁桥，并结合这些桥梁进行其技术、经济性的比较和论证。

国内已完成的工程实例简介

　　根据已掌握的资料，截止2000年我国已建成的预弯组合梁桥已有6座，其中公路桥两座，城市立交桥略座。以下对这6座建成的预弯组合梁桥作以简要的介绍。

　　19年建成的湖南沙市袁家岭立交桥。袁家岭立交桥是一座行人、非机动车和机动车分道通行的双环道三层立交桥。为减小该立交桥总体布局的建筑高度并减少工程总投资，在该立交桥第二层的非机动车道上采用了两孔17m跨径的预弯组合梁，桥宽8．2m。其主梁间距为1.03m，梁高为52cm，高跨比仅为1/32.7。根据该桥的使用功能，设计荷载取为汽一10标准车X0.8与4kN／平方米的人群荷载取大者。该桥由长沙市规划设计院设计，湖南大学参与了部分计算与研究工作。该桥采用单梁加载工艺生产了 16片预弯组合梁。尽管该预弯组合梁桥跨仅用于非机动车和人群，但在多层立交桥中采用高跨比较小的预弯组合梁结构来降低建筑高度并带来经济效益的做法得到了桥梁工程师们的认同。