组合结构桥梁－国际经验及国内发展需要关注的问题

组合结构桥梁－国际经验及国内发展需要关注的问题邵长宇上海市政工程设计研究总院二十世纪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。二十世纪60年代是欧美各国和日本桥梁建设的黄金时期，组合结构以其整体受力的经济性，发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工的突出优点而得到广泛应用，建造了大量的各种形式的组合结构桥梁。前言邵长宇001德国在1937年进行了组合梁加载试验，1950年前后召开了几次关于组合结构的学术会议。美国于1954年开始在伊利诺斯州进行了焊钉连接件的承载力与疲劳强度试验，并开展了二十年的组合梁的试验研究。日本在1950年就开始建设公路与铁路组合梁桥，并于1959年制定了关于公路桥的组合梁设计施工规范。前言欧美及日本等国自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规范。目前国外几个主要规范都包含组合结构设计部分。前言EUROCODE欧洲BS5400英国DIN德国AASHTO美国道路示方书日本在欧洲、日本等国的桥梁建设中，组合结构桥梁占有重要地位。以法国的桥梁市场为例，组合结构桥梁昀有竞争力的跨径范围甚至可达30～110m，在40～100m的跨径范围的公路桥中，85%是组合结构桥梁，近年的TGV高速铁路线中组合结构桥梁占到45%。英国大多数20～160m及以上跨径的公路桥，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。前言理论与方法的进步以及研究的不断深入，技术人员对结构可以更准确地把握。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。总之，现在人们更加注意对造价、耐久、美观的全面考虑。前言钢箱梁钢结构组合结构中的钢桁梁开截面箱梁·······钢板梁三角形Ⅰ字形Π形箱形截面形式············邵长宇010应用范围连续刚构桥斜拉桥悬索桥·······连续梁桥简支梁桥铁路桥公路桥公铁两用桥人行桥拱桥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】适应了不同的建设需求【结构简化】减少了养护维修工作【基础理论发展与市场竞争】结构形式与材料指标不断优化新结构与新工艺不断推出总之，组合结构桥梁依靠其不断提升的技术与经济竞争力，获得了巨大发展。组合结构桥梁涵盖的范围很广，除了梁式桥还被用于斜拉桥、拱桥、悬索桥这些桥型中。上海的南浦大桥、希腊的Rion-Antirion桥是组合钢板梁应用于400m以上跨度斜拉桥的实例，前者钢梁拼装后铺设预制桥面板，后者则以预制的组合结构梁段现场吊装。东海大桥主航道桥主跨420m斜拉桥，加劲梁采用钢-混凝土组合箱梁。主梁分成8m长节段预制，形成组合箱梁节段，再浮运吊装。法国主跨300m的ChavanonRiver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。日本的栗东桥，主跨为170m，波折腹板组合箱梁低塔斜拉桥。日本的矢作川桥，跨度布置为174.7m+2×235.0m+174.7m，波折腹板组合箱梁斜拉桥。邵长宇020葡萄牙Europe桥，则是一座钢桁腹杆组合梁的独塔斜拉桥，主跨185.625m、双层桥面宽30m，上层为高速公路6车道，下层为人行道。腹杆为直径298mm高强钢管。采用预制节段拼装施工，标准节段长为3.75m，昀大重150吨。丹麦到瑞典的Øresund公铁两用桥，四线公路和双线铁路。主航道为主跨490m组合钢桁梁斜拉桥。加劲梁上层预应力桥面板与钢桁架上弦杆结合，下层正交异性钢桥面与主桁下结合，桁梁节间距20m，分大节段全截面预制，再整体浮运吊装。中国香港的汲水门大桥是一座双层桥面公铁两用斜拉桥，跨度布置为280+430+280m，它的边跨与中跨加劲梁有所不同，边跨为混凝土箱梁截面，中跨为钢与混凝土组合截面，组合截面是由钢主梁与混凝土顶底板组合而成的一个三室结构。我国的芜湖长江大桥公铁两用桥，四线公路和双线铁路，主桥是主跨312m的组合钢桁梁矮塔斜拉桥。上层公路面采用混凝土板与钢梁上弦结合，下层铁路面为纵横梁体系。钢桁梁节间距12m，分散成单根杆件，施工时逐根拼装，完成一个节间后挂索并铺设预制板、浇注接缝混凝土。拱桥作为一种经典桥型，结构体系与形式多样。拱圈与加劲梁各有多种类型，两者相互组合形式多样。在拱桥中、特别是中小跨度的拱桥中：【国内】以钢管混凝土结构居多，桥面系多采用混凝土或钢结构。【国外】较少采用钢管混凝土，桥面系多用钢与混凝土组合结构。诸如型钢预弯梁、钢骨混凝土梁、采用复合材料桥面板组合梁以及变化多样的结构形式都是组合结构的发展与应用。〖组合钢板梁桥〗早期的组合钢板梁桥在钢板梁间设置许多横梁、水平及竖向横撑，腹板上焊接许多横向加劲肋，纵梁间距也很小。从1980年前后开始集中力量进行组合结构桥梁的开发研究，在组合钢板梁桥方面，对传统的结构体系进行了大幅度简化，并以双主梁或少主梁为主。【以法国为例】组合钢板梁桥的桥面板一般设计为横向承重或纵向承重，对应主梁间的横梁分成大横梁与小横梁。◆主梁间距较大时，在纵向布置较密（一般4m）的大横梁，大横梁与桥面板采用连接件结合。◆主梁间距不很大时，两主梁间用小横梁连接，桥面板仅与主梁纵向结合，小横梁间距较大，一般约为8m，其设置对施工具有重要的作用。〖组合钢板梁桥〗法国Mascaret桥由两幅组成，主跨95m，梁高5.0m/2.65m。两片主梁间距6.5m，横梁间距8m。桥面板宽13.12m。法国1990年建成的Hopital桥，采用小横梁结构体系，主跨64m，两片主梁间距12.6m，桥梁宽22.6m。〖组合钢板梁桥〗邵长宇030日本组合钢板梁桥的发展也和欧洲大体相同，从1980年末开始对组合钢板梁桥进行研究改进，对钢梁进行简化。〖组合钢板梁桥〗意大利罗马的Tiber桥跨度达到166m，通常认为跨度超过140m应该采用钢箱梁方案。桥面分为两幅，全宽38.15m，梁高7m，横隔系间距7.7m，钢梁顶推施工。〖组合钢板梁桥〗中小跨度组合钢板梁桥钢梁吊装与顶推施工示例〖组合钢板梁桥〗英国A34公路高架桥，组合钢板梁桥采用耐候钢，钢梁分段吊装施工，钢横梁与纵梁采用栓接，方便运输与吊装作业。〖组合钢板梁桥〗法国TGV高速铁路，桥梁有45％为组合结构桥梁，其中有大量的组合钢板梁桥。〖组合钢板梁桥〗组合钢箱梁因抗扭能力强、整体性好、适合曲线线路以及更能适应大跨与特殊要求等特点在曲线桥和大跨度连续梁桥上，更为常见。目前，组合箱梁昀大跨度已经达到213.75m。根据具体的环境与建设条件，在结构形式上也展示了许多特点。【组合钢箱梁桥】组合钢箱梁的截面形式示例【组合钢箱梁桥】【以德国为例】自1980年代以来，先后修建了多座大跨度公路、铁路连续组合箱梁桥，集中体现了新的研究成果、结构形式、设计方法、施工工艺等。在中小跨度组合箱梁方面，窄幅箱梁结构简洁、方便运输与安装，可适应城市与野外多种施工条件，得到开发并发展了多种结构形式。【组合钢箱梁桥】德国Neuötting桥，主跨154m，梁高6.8m/3.3m，桥面板宽15m。钢结构采用槽型钢梁截面，中间支承位置设双层组合段，桥面板按照皮尔格法现浇施工，钢梁吊装。【组合钢箱梁桥】邵长宇040委内瑞拉Caroni河公铁两用桥，主跨213.75m，采用双层组合结构，桥宽30.4m，梁高5m/14m，负弯距区桥面板无预应力束，横向也无预应力束，由间距3.75m的横梁承受。因此，混凝土板厚可减至24cm，对大跨有很大的经济效益。钢梁采用耐候钢，连接件为开孔板。施工采用顶推法，梁下设有钢桁托架、梁上设有吊索架，桥面板间断浇注。【组合钢箱梁桥】西班牙Alvares桥双向4车道，桥宽27m，主跨102m，其钢梁高4.485m、宽8.50m，横隔系间距4.1m，两侧斜撑对上缘横肋加劲，采用S355钢材，桥面板厚26cm。【组合钢箱梁桥】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。【组合钢箱梁桥】大跨度组合钢箱梁桥钢梁顶推与桥面板施工示例【组合钢箱梁桥】组合钢桁梁以其更能适应大跨与重载的特点，获得了发展与竞争力。组合钢桁梁的发展始于简支梁，随着设计理论与方法的发展，连续组合钢桁梁得到发展。〖组合钢桁梁桥〗德国1993年建成的Nantenbach双线铁路桥，当属该类桥梁代表作。主跨208m，桥面板通过焊钉与钢梁上弦杆顶面结合，梁高7.66m/15.66m。〖两个特点〗◆负弯距区没有设置预应力筋，混凝土桥面板按照钢筋混凝土构件设计。◆在中支点下弦设混凝土板，形成双层组合体系。〖组合钢桁梁桥〗丹麦到瑞典的Øresund公路铁路两用桥，桥面上下层分别为四线公路和双线铁路。1999年建成。引桥采用了主跨140m的等高度组合钢桁梁桥，采用全截面预制整孔吊装法施工。〖组合钢桁梁桥〗Øresund桥引桥，上层预应力混凝土桥面板通过钢桁架上弦杆上的焊钉连接件形成结合，下层铁路桥面采用槽形混凝土连续梁与钢主桁下弦横梁结合。〖组合钢桁梁桥〗西班牙Guadalfeo桥，双向4车道桥面宽24m，跨度布置85+140+140+110+110m，钢桁架有5根弦杆、桁高9.55m，桥面板厚30cm。钢桁梁采用顶推法施工，上设吊索塔架、无临时墩，以压形钢板为底模现浇桥面板。〖组合钢桁梁桥〗波折腹板组合箱梁桥与钢桁腹杆组合梁桥都是用钢结构取代混凝土箱梁的腹板，从而达到改善力学性能与减轻上部结构自重的目的。这种桥在减少施工量、缩短工期、降低成本以及提高效益等方面具有优势。波折腹板组合箱梁桥的发展，伴随着计算分析理论与手段的发展以及钢板加工技术与体外预应力技术等方面的进步，出现于1980年代后期，可大大提高混凝土截面的预应力导入效果。〖波折腹板组合箱梁桥〗在试验桥基础上，法国的Maupre桥采用波折腹板的7跨连续梁桥，用钢管混凝土代替混凝土底板，与波折钢腹板及混凝土顶板形成特殊的三角形截面，重量大幅减轻。〖波折腹板组合箱梁桥〗德国Altwipfergrund桥〖波折腹板组合箱梁桥〗46SCY1993年起，日本将这一技术引进，并继法国之后开始对波折腹板组合箱梁桥进行了比较详细的开发研究，继建成单跨简支的新开桥与5跨连续的银山御幸桥之后，陆续建成新开桥、银山御幸桥、本谷川桥等波折腹板组合箱梁桥。〖波折腹板组合箱梁桥〗钢桁腹杆组合梁桥由混凝土上下翼缘板与钢桁腹杆组合而成。法国进行了积极的探索并取得了显著的成果，法国的阿尔布瓦(Arbois)附近，跨越屈桑斯(Cuisance)河三跨连续梁桥，法国工程界昀初的尝试。该桥从预应力混凝土箱梁变化而来，跨度布置为29.85+40.40+20.85m，混凝土箱梁的腹板用钢制的桁架式腹杆代替，大大减轻了桥梁自重荷载。【钢桁腹板组合梁桥】法国该类桥梁以1997年底建成的Boulonnais高架桥昀具代表性，用钢管空间桁架替代混凝土腹板，是首座用密接匹配法预制节段架设的桥梁，预制和架设方法与PC箱梁相同，拼装时无钢结构接头。由三座高架桥组成，4车道桥面宽19.24m，全长2km。两座为标准跨度77m的等高梁，一座标准跨度110m，梁高5.5m～8.0m。【钢桁腹板组合梁桥】法国的BrasdelaPlaine桥，位于Reunion岛南部，其跨径为280m，也是钢桁腹杆组合梁桥。桥面宽11.90m。腹杆采用钢管，钢管外径为610mm，壁厚28～36mm。【钢桁腹板组合梁桥】日本也同样积极开展相关研究与实践，Kinokawa桥是日本第一座钢桁腹杆组合桥，以钢管桁替代PC箱梁的腹板。其中Kinokawa桥建成于2003年，总长268m，桥面宽11.15m，主跨径为85m。【钢桁腹板组合梁桥】〖基础理论与分析方法〗早期由于对组合结构桥的受力机理与构造研究