組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用

1、文檔編碼 : CN4O2H1L7G9 HZ2P4W9P6U6 ZQ6A9D5Z2T4組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用 兩種不同性質(zhì)的材料組合成一個整體而共同工作的構(gòu)件稱為組合構(gòu)件 , 組合結(jié)構(gòu)是由組合構(gòu)件組成； 例如鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種物理力學(xué)性能完全不同的材料組合而成；50 多年來 , 組合結(jié)構(gòu)的爭論與應(yīng)用得到快速進(jìn)展, 至今已成為一種公認(rèn)的新的結(jié)構(gòu)體系, 與傳統(tǒng)的四大結(jié)構(gòu), 即鋼結(jié)構(gòu)、 木結(jié)構(gòu)、 砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并列, 已擴(kuò)展成為五大結(jié)構(gòu)；從工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、有用性考慮, 代表性的建筑材料主要是鋼材與混凝土,因此一般所說的組合結(jié)構(gòu), 就是指由這兩種材料通過粘結(jié)、機(jī)械咬合或連接件相互

2、接合,并且能夠共同承擔(dān)作用力的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)；將抗拉性能強的鋼材、抗壓性能強的混凝土,分別合理地用在構(gòu)件的拉伸區(qū)及其壓縮區(qū),極大限度地追求高性能、經(jīng)濟(jì)性是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計原就；將兩種材料合理地加以組合后,從經(jīng)濟(jì)性來看要好于鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)；組合結(jié)構(gòu)最大的技術(shù)特點是組合后的性能已經(jīng)超過材料各自的力學(xué)性能；鋼材處于拉伸區(qū)域時,其強度及其延性能夠很好發(fā)揮,但當(dāng)處于壓縮區(qū)域時,由屈曲強度準(zhǔn)備,特殊是薄鋼板制成的構(gòu)件,材料性能很難發(fā)揮,而混凝土是比鋼材廉價、自重大、抗拉強度顯著小的脆性材料；因此,兩者力學(xué)上的組合主要表現(xiàn)在 對鋼材的支援；2個方面,即鋼材對混凝土的支援及混凝土組合梁的優(yōu)點： 1 抗

3、疲乏性能好 , 使用壽命長； 2 實際承載力高； 梁的試驗資料說明 , 組合梁的實際承載力為設(shè)計承載力的 2. 2 倍 2. 6 倍, 而一般鋼梁 , 其破壞荷載較設(shè)計荷載一般不超過 2. 2 ；3 沖擊系數(shù)降低；鋼橋?qū)崪y資料說明 , 用YH 型機(jī)車以 64. 4 km 時速通過 , 對全鋼梁橋產(chǎn)生的沖擊系數(shù)為 1. 403, 而在同樣情形下的組合梁橋 , 實測沖擊系數(shù)為1. 121, 后者較前者降低了 20%；4 節(jié)省鋼材；以 9 m 12 m 平臺單元為例 , 在相同荷載條件下 , 對組合梁和非組合梁進(jìn)行設(shè)計對比 , 組合梁較非組合梁的主、次梁 , 分別節(jié)省鋼材35. 6% 及30%；5

4、降低梁高 , 增強剛度；鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁與傳統(tǒng)混凝土橋相比,最大的區(qū)分表達(dá)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕,作為橋梁承重構(gòu)件的橋墩截面尺寸減小且大多接受薄壁空心截面；組合結(jié)構(gòu)橋梁在國外進(jìn)展較早,應(yīng)用很廣；在法國,跨度 40m100m 的大路橋中 85%是組合結(jié)構(gòu)橋梁,TGV 高速鐵路中組合結(jié)構(gòu)橋梁占到 45%,在美國, 組合結(jié)構(gòu)橋梁在 20m160m 的大路橋中競爭力很強 3 ；在德國 和日本,組合結(jié)構(gòu)橋梁隨處可見；隨著近年我國高速大路、城市快速干道、高速鐵路、鐵路客運專線的大規(guī)模建設(shè),鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁受到了越來越多的關(guān)注,大跨徑拱橋、斜拉橋、 中小跨徑大路鐵路橋梁中都有接受；依據(jù)歷次震害調(diào)查,

5、橋梁結(jié)構(gòu)損耗多集中于下部墩柱結(jié)構(gòu), 在組合結(jié)構(gòu)橋梁大量建設(shè)的今日,組合結(jié)構(gòu)橋梁是否具有進(jìn)一步降低墩柱結(jié)構(gòu)地震力需求的潛力, 是否可作為今后橋梁抗震設(shè)計的有效策略,都是工程師特殊關(guān)懷的問題；因此, 對其抗震潛力及抗震性能進(jìn)行爭論,無論從工程角度、經(jīng)濟(jì)角度仍是安全角度考慮都顯得特殊重要；20世紀(jì) 30歲月是歐美各國橋梁技術(shù)和設(shè)計理論的一個重要進(jìn)展時期,組合結(jié)構(gòu)在這一時 期開頭了爭論工作, 到20世紀(jì) 60歲月得到廣泛應(yīng)用, 建造了大量的各種形式的組合結(jié)構(gòu)橋梁；進(jìn)入 20世紀(jì) 80歲月組合結(jié)構(gòu)有了新的進(jìn)展,組合橋梁為主,其最有競爭力的跨徑范疇為法國 1980年以來建造的大路橋梁以鋼混凝土 6080m

6、,甚至可達(dá) 30110m,以這個跨徑范疇建設(shè)的橋梁有 85%是組合結(jié)構(gòu)橋梁；日本也大力進(jìn)行基礎(chǔ)性理論爭論和試驗,開發(fā)了不同形式的組合結(jié)構(gòu)橋梁,并制定了相應(yīng)規(guī)范；英國大多數(shù)20160m跨徑及以上的大路橋梁,組合結(jié)構(gòu)橋梁競爭力很強,德國及美國的組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用更廣；歐美日等發(fā)達(dá)國家大力開展組合結(jié)構(gòu)橋梁爭論開發(fā),目前國外的幾個主要規(guī)范如EUROCODE、BS5400、DIN、AASHTO 等都包含組合結(jié)構(gòu)設(shè)計部分；由于理論與方法的進(jìn)步,技術(shù)人員對結(jié)構(gòu)可以更精確地把握,從設(shè)計與施工的各個環(huán)節(jié)全面考慮；在常見的組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋獲得長足進(jìn)展的同時,顯現(xiàn)了許多有創(chuàng)意的新型組合結(jié)構(gòu)橋梁,如波折腹板組

7、合箱梁橋、 鋼桁腹桿組合橋等等；正是由于技術(shù)的多元化進(jìn)展,組合結(jié)構(gòu)橋梁的使用性能與耐久性、可施工性與經(jīng)濟(jì)競爭力等方面獲得了長足進(jìn)步；快速施工縮短了投資回報期,多種結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)了不同的建設(shè)需求,結(jié)構(gòu)的簡化削減了養(yǎng)護(hù)修理工作依靠基礎(chǔ)理論的不斷進(jìn)展以及市場競爭原理,組合結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式與材料指標(biāo)得以不斷優(yōu)化,新結(jié)構(gòu)與新工藝不斷推出；通過更加留意對造價、耐久、美觀的全面考慮,組合結(jié)構(gòu)橋梁獲得強大的競爭力；在中小跨度的大路橋、鐵路橋以及城市橋梁中獲得廣泛應(yīng)用, 占據(jù)確定比例優(yōu)勢；我國在鋼混凝土組合橋梁結(jié)構(gòu)爭論及應(yīng)用方面相對落后,在最普遍使用的梁式橋中,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)仍然占有確定多數(shù),鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)

8、橋梁應(yīng)用很少,工程實例大多零散顯現(xiàn)在城市高架中,大規(guī)模應(yīng)用尚未顯現(xiàn)；由于國內(nèi)組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用較少,相關(guān)爭論很不深化, 特殊是基礎(chǔ)理論爭論滯后；至今需要開展的工作量大、涉及面廣, 目前組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計指南或規(guī)范尚不完善,設(shè)計和推廣這種結(jié)構(gòu)存在很大困難；鑒于以上情形, 即使接受組合結(jié)構(gòu)橋梁,往往經(jīng)濟(jì)指標(biāo)偏高,不能充分表達(dá)組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；早期由于對組合結(jié)構(gòu)橋的受力機(jī)理與構(gòu)造爭論不足,顯現(xiàn)較多問題； 20世紀(jì) 70歲月以來,歐洲以及日本等國大力進(jìn)行基礎(chǔ)性理論爭論和試驗；內(nèi)容涉及焊釘連接件性能、鋼梁局部穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、橋面板開裂性能以及特殊部位結(jié)構(gòu)等方面；通過爭論與實踐,制定并完善了相應(yīng)規(guī)范

9、、 建立了新的分析與設(shè)計方法；近年來, 國外的空間非線性有限元分析方法日漸進(jìn)步與成熟, 對結(jié)構(gòu)總體承載性能、橋面板開裂影響、鋼梁局部穩(wěn)固、連接件與結(jié)合部的力學(xué)特點等可以更精確地進(jìn)行分析,化方法； 通過對連接件剛度的模擬,已經(jīng)逐步取代明白析分析方法以及基于初等梁理論的簡 從而更符合實際地接受不完全平截面變形理論進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)橋梁受力分析通過引入結(jié)構(gòu)與材料本構(gòu)關(guān)系來考慮負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂影響,以更精確地評估結(jié)構(gòu)從加載開頭到破壞過程的非線性行為關(guān)系與受力狀況；機(jī)技術(shù)的進(jìn)步, 可以更精確地考慮鋼結(jié)構(gòu)的總體與局部穩(wěn)固,依靠新的穩(wěn)固理論與運算 特殊是組合結(jié)構(gòu)條件下的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固特性,為削減穩(wěn)固構(gòu)件、合理支配材

10、料確立了基礎(chǔ)；借助大量爭論成果及分析方法的進(jìn)步,進(jìn)展了答應(yīng)混凝土板開裂、用裂縫寬度限值代替拉應(yīng)力限值的設(shè)計方法,從而簡化了構(gòu)造、便利了施工,促進(jìn)了連續(xù)組合結(jié)構(gòu)橋梁的進(jìn)展；對于縱橫向加勁肋等穩(wěn)固構(gòu)造,不再沿襲過去依據(jù)簡化模型制定的相關(guān)設(shè)計規(guī)定,而是借助于新的穩(wěn)固理論與分析方法進(jìn)行設(shè)計,由此鋼梁加強了高度簡化的趨勢；此外, 仍有一些新的設(shè)計方法進(jìn)展建立起來,例如：在結(jié)構(gòu)不同區(qū)域變化鋼與混凝土連接剛度達(dá)到截面完全組合與不完全組合相結(jié)合的設(shè)計方法；利用施工手段調(diào)劑鋼梁與混凝土板應(yīng)力狀態(tài)的設(shè)計方法；連接件以群釘形式間斷設(shè)置,從而實現(xiàn)有效施加預(yù)應(yīng)力的方法等；設(shè)計方法的進(jìn)步,可以更合理、 更實際、 更有效地

11、支配材料,更大的進(jìn)展；從而促進(jìn)組合結(jié)構(gòu)橋梁經(jīng)濟(jì)競爭力的提高并獲得了在鋼結(jié)構(gòu)材料方面,耐候鋼的使用, 省去了涂裝費用與養(yǎng)護(hù)工作量,變厚變寬鋼板的應(yīng)用,使設(shè)計時可以更加合理地支配鋼梁材料,并且削減了焊接工作量；高性能鋼材的應(yīng)用,拓展了組合結(jié)構(gòu)橋梁的進(jìn)展空間,進(jìn)一步提升了其技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭才能；混凝土材料方面,發(fā)展了密實性、流淌性、抗收縮性更好的混凝土以及纖維加強混凝土,提高了混凝土的質(zhì)量、有效地把握了混凝土裂縫的開展；在連接件方面, 為了確保連接件的抗剪和抗拉拔、抗疲乏性能以及協(xié)作新結(jié)構(gòu)形式與工法的開發(fā)等,對原有連接件進(jìn)行改進(jìn),并開發(fā)一些新的連接件,如：開孔板連接件、組合連接件、筒式連接件、螺栓連接件

12、以及槽齒性連接件等；仍有通過在焊釘根部使用可把握硬化時間的環(huán)氧樹脂,達(dá)到剛度滯后發(fā)揮的目的；在橋面板方面,為了實現(xiàn)便利快速施工,開發(fā)了組合結(jié)構(gòu)橋面板,代表性的兩種類型有鋼混凝土組合型與填充混凝土鋼格構(gòu)型；組合型橋面板又有折板式平面和空間桁架以及用預(yù)制鋼筋桁架組合橋面板等多種； 填充混凝土鋼格構(gòu)型就是用型鋼代替一部分鋼筋,然后澆筑混凝土,其鋼板作為底模并構(gòu)成一體；組合鋼板梁、組合鋼箱梁、組合鋼桁梁的施工,經(jīng)過長期進(jìn)展,普遍接受先鋼梁再橋面板的施工方法；鋼梁施工常用頂推法,橋面板施工以鋼梁為平臺,進(jìn)行現(xiàn)澆或預(yù)制板鋪設(shè)；這種方法利用了鋼梁自重輕、承載才能強的特點,可以降低對機(jī)具設(shè)備與臨時設(shè)施的要求,

13、同時也表達(dá)了快速施工的特點；鋼桁腹桿組合梁橋與波折腹板組合箱梁橋,就以節(jié)段預(yù)制化、架橋機(jī)整孔節(jié)段拼裝或?qū)ΨQ節(jié)段拼裝法施工,既保證了質(zhì)量又表達(dá)了快速施工；在設(shè)計和施工親熱協(xié)作的技術(shù)動態(tài)下,完善進(jìn)展了施加預(yù)應(yīng)力的支點升降法、減小中支點負(fù)彎矩的間斷澆筑法、提高橋面板質(zhì)量的預(yù)制橋面板法以及快速施工的橋面板縱向滑移法等；此外, 仍有一些充分利用施工方法調(diào)劑鋼梁與混凝土板應(yīng)力狀態(tài)的方法；設(shè)計與施工的相互依存, 使得人們不再從單一角度考慮問題,而是從設(shè)計與施工的各個環(huán)節(jié)全面考慮,其結(jié)果是材料更加節(jié)省、施工更加便利； 在鋼梁制作方面,開發(fā)了具有良好抗疲乏性能的現(xiàn)場全截面對接焊工藝,為鋼梁現(xiàn)場拼接質(zhì)量供應(yīng)了保證

14、；用于焊釘連接件焊接的設(shè)備開發(fā),提供了快速施工與質(zhì)量保證；鋼梁頂推法不僅用于直線橋與等曲率的曲線橋,仍被加以進(jìn)展后用于變高梁；鋼梁頂推時通常不設(shè)臨時墩與導(dǎo)梁,為了把握過大變形、減小結(jié)構(gòu)受力, 進(jìn)展了在鋼梁上安裝吊索支架幫忙施工的方法；主跨213.75m的 Caroni 河橋,鋼梁頂推時,其梁底設(shè)有桁架襯托； 瑞士主跨為 130m 的Vaux 橋,頂推時配置了豎向升降量達(dá) 4.5m的可調(diào)支承,以適應(yīng)變高梁的梁高變化；現(xiàn)澆橋面板為明白決混凝土水化熱與干燥收縮引起的問題,實行澆筑前對鋼梁上翼緣進(jìn)行預(yù)熱、澆筑后用真空泵等設(shè)備去除混凝土中無用水、選用干燥收縮效應(yīng)小的混凝土以及增加配筋等方法；為了改善現(xiàn)澆

15、混凝土板的施工條件、加快工程進(jìn)度, 制造了具有高度機(jī)動性與可調(diào)性的模板車, 既能在鋼梁上翼板也能在混凝土板表面行走,使橋面板間斷施工也可快速進(jìn)行；預(yù)制混凝土橋面板的方法在施工性、工期、削減橋面板顯現(xiàn)的拉應(yīng)力諸方面均有確定的優(yōu)勢；為了實現(xiàn)快速安裝,設(shè)計制造一些由自行式作業(yè)吊車和滑動運輸車組成的專用設(shè)備,確保預(yù)制板快速安裝； 為了改善橋面板與鋼梁結(jié)合后再導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力的方式存在的弊端,仍進(jìn)展了施加預(yù)應(yīng)力后再行結(jié)合的設(shè)計與施工方法；綜合橋面板預(yù)制與現(xiàn)澆的優(yōu)點、規(guī)避其缺點, 進(jìn)展了新的橋面板工藝方法,將橋面板分為 2層,下層預(yù)制板較薄,以便利安裝并兼作上層模板,上層現(xiàn)澆后形成整體橋面板；這一方法已經(jīng)成為近

16、年來的趨勢之一；瑞士開發(fā)了預(yù)制橋面板接受頂推法施工, 在橋端部澆筑混凝土板,鋼主梁作為導(dǎo)軌逐段頂推就位,連接件通過橋面板的預(yù)留孔焊在鋼翼緣上；法國于 2022年前后開發(fā)了另一種橋面板頂推施工方法,其分塊預(yù)制板在澆筑時用鋼管連接起來,頂推到位后澆筑混凝土形成整板中國在組合結(jié)構(gòu)橋梁爭論及應(yīng)用方面相對落后,在最普遍使用的梁式橋中,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)仍然占有確定多數(shù),大路橋中組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用不廣,雖然近期有2座超百米跨度連續(xù)組合鋼箱梁橋建成,但總的應(yīng)用仍然特殊之少； 城市橋梁除北京市近年有較多應(yīng)用外,其他一些工程實例大多零散顯現(xiàn)在城市高架橋中； 大跨度橋梁雖然有南浦大橋、楊浦大橋等應(yīng)用,但比例仍然很低,懸索

17、橋的應(yīng)用數(shù)量更少； 拱橋以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為多,拱橋的橋面系接受組合結(jié)構(gòu)的實例很少見；鐵路橋近年來在蕪湖大橋接受了組合鋼桁梁,在秦沈鐵路客運專線上,試驗性接受了組合結(jié)構(gòu)簡支梁與連續(xù)梁； 總之, 我國在組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用方面遠(yuǎn)不及歐美日等國家普遍,特殊百米級跨度鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋更是少見；在基礎(chǔ)理論爭論方面,組合結(jié)構(gòu)橋梁的整體受力性能、負(fù)彎矩區(qū)的力學(xué)性能、橋面板的合理構(gòu)造、 鋼與混凝土的連接性能、連接件的滑移影響與力學(xué)性能以及鋼結(jié)構(gòu)屈服穩(wěn)固與構(gòu)造要求等問題, 必需進(jìn)行深化爭論才能為組合結(jié)構(gòu)的健康進(jìn)展打下良好的基礎(chǔ)；因此, 爭論工作應(yīng)當(dāng)在充分借鑒國外成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)橋梁建設(shè)需求與特點,開

18、展系列化、 系統(tǒng)性的分析與試驗爭論,特殊要重視能夠反映組合結(jié)構(gòu)橋梁本質(zhì)與特點的試驗爭論工作,為規(guī)范的完善以及設(shè)計水平的組合結(jié)構(gòu)橋梁由于其結(jié)構(gòu)特點、受力特點以及施工過程的多樣性,表現(xiàn)出明顯的受力空間復(fù)雜性以及非線性行為,傳統(tǒng)的接受平面結(jié)構(gòu)模型的簡化方法以及線彈性理論 , 難以適應(yīng)現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計要求；組合結(jié)構(gòu)橋梁施工方法與過程不同,最終的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)也不同；為了達(dá)到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)化目標(biāo),需要設(shè)計與施工相互結(jié)合,尋求經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案與施工措施,從而實現(xiàn)改善結(jié)構(gòu)性能降低材料消耗的目的；正由于如此, 歐美等發(fā)達(dá)國家在基礎(chǔ)理論、分析與設(shè)計方法以及施工技術(shù)等方面獲得了高度發(fā)展,設(shè)計與施工精細(xì)化與相互依存的程度日漸提高,并顯現(xiàn)不斷改進(jìn)與創(chuàng)新的技術(shù)動態(tài)；而國內(nèi)在相關(guān)爭論、設(shè)計以及施工技術(shù)方面尚存在很大差距,需要科研、設(shè)計、 施工等方面密切合作 , 借鑒國際先進(jìn)體會,以高起點開展理論爭論以及工程設(shè)計與施工實踐,大力提升組合結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)水平與創(chuàng)新才能,形成自主創(chuàng)新技術(shù),促進(jìn)我國組合結(jié)構(gòu)橋梁健康進(jìn)展；1 橋梁結(jié)構(gòu)的地震力需求隨