论文部分内容阅读
摘要：随着我国桥梁工程事业的发展，钢-混凝土组合梁桥作为一种新型桥梁结构，目前正广泛应用于公路及城市立交桥中。本文结合钢-混凝土组合梁桥的结构特点及其应用情况，分析阐述了钢-混组合梁桥的关键技术，为此类桥梁结构的设计与施工提供参考。
关键词：钢-混组合梁；结构特点； 应用；关键技术
1 前言
随着我国城市交通基础设施建设的飞速发展，上跨现有道路的公路及城市立交桥越来越多。该类桥梁施工中受下穿道路通行的影响非常大。为了减少对被交道路交通的影响，缩短工期，降低风险和管理难度，采用钢-混组合梁桥是比较适宜的。钢-混组合结构是在钢筋混凝土结构和钢结构的基础上发展起来的一种新型结构。它和混凝土箱梁相比极大地减轻了结构自重，提高了桥梁的跨越能力；和钢梁相比减少了钢材用量，提高了结构刚度。所以，钢-混凝土组合梁在我国的公路及城市立交桥建设中得到了广泛应用。
2 钢-混组合梁桥的结构特点
组合梁桥采用剪力键将钢梁与钢筋混凝土桥面板结合成整体，钢筋混凝土桥面板不仅直接承受车轮荷载起到桥面板的作用，而且作为主梁的上翼板与钢梁形成组合截面，参与主梁共同作用。组合梁桥采用最多的是简支梁桥结构形式，因为简支梁最符合组合梁材料分布的合理原则，即梁上翼缘应是适宜受压的混凝土板，下缘是利于受拉的钢梁。
（1）与钢梁相比，钢-混组合梁具有以下特点：
a）减少了钢材的用量，节约了造价；
b）增大了梁的刚度，有利于整体稳定性；
c）采用钢筋混凝土桥面板，有利于沥青面层的结合，提高桥面铺装的耐久性。
（2）与混凝土梁相比，钢-混组合梁具有以下特点：
a）结构自重轻，减少了下部基础的工程量；
b）已安装钢梁可作为模板使用，节省了模板工程量；
c）施工工期短，且对桥下交通的影响小；
d）降低了梁高，有利于桥下净空利用率。
3 钢-混组合梁桥应用情况综述
钢-混凝土组合梁在我国起步较晚，改革开放以前，虽有少数工程用过组合梁，但未考虑组合效应，而仅仅作为强度储备和为方便施工而已。近年来，随着我国桥梁科技的不断发展，组合梁桥越来越多地被应用于公路与城市立交桥中，且应用形式也是多样的。
3.1 钢箱及钢板梁-混凝土组合梁
钢箱及钢板梁作为传统组合梁桥很早就被应用于桥梁建设中，而箱形截面组合梁在近几年的应用最为广泛。箱形截面组合梁桥的抗扭刚度很高，因此较工字形截面组合桥具有更高的稳定性和更大的刚度，适用于跨高比较大及扭转作用较大的跨线桥和弯桥。钢箱梁的制作费用较钢板梁高，因此从降低造价的角度出发，对于跨度较小的组合桥不宜采用箱形截面。但钢箱梁底板宽度较大，因此使用的钢板厚度可相应减小，同时箱梁内部封闭性较好，有利于提高钢梁的抗腐蚀性。
箱形截面的组合桥通常有两种截面形式，即闭口截面钢箱梁与开口截面钢箱梁。其中，上端开口的钢箱梁由腹板、底板以及宽度较小的顶板组成，制作比较方便，同时用钢量较小。但在与混凝土桥面板形成组合截面之前，开口截面的箱形钢梁抗扭刚度较小，顶板稳定性也较差，因此在施工过程中需要采取增加横隔板或斜撑的措施以保证结构的稳定性。
3.2 体外预应力及波形钢腹板组合梁
体外预应力可减小构件截面尺寸，并便于施工和维护管理。在钢箱截面组合梁的基础上，又进一步发展了波形钢腹板组合梁桥。波形钢腹板具有较强的抗剪和抗屈曲能力，而纵向抗压能力较低，作为混凝土箱梁腹板时几乎不对纵向预应力产生抵抗，从而大大提高了预应力导入的效果，使得上、下混凝土翼板在恒载作用下均处于体外预应力所引起的受压状态。1986年，法国首次设计和建造了采用波形钢腹板的Cognac 组合桥。此后，法国、日本等国建成了多座波形钢腹板组合桥。目前，我国正在对这种桥梁形式开展研究工作，但在应用中仍存在很多问题尚待解决。
3.3 组合刚构桥
当发生强烈地震时，桥梁可能由桥墩震落发生事故。在地震区的桥梁通常都需要设置一定的抗震设施，但震害调查表明，此类装置有时不能有效发挥作用。连续梁桥与刚构桥是超静定结构，其抗震性能比简支梁桥好。将钢-混凝土组合梁与桥墩固结后所形成组合刚构桥，既可以减少桥面系的受力，又能够减少支座的使用，在很多情况下具有一定的应用价值。对于组合刚构桥，设计与施工时需要重点解决的问题是保证桥面的荷载能有效地传递到桥墩，即梁-墩节点处的构造。
3.4 大跨拱桥及斜拉桥的组合桥面系
对于主跨超过150m 的桥梁，常常采用拱桥或斜拉桥结构形式。对于大跨度斜拉桥甚至悬索桥，采用组合桥面可以提高经济性。桥面弯矩主要由钢结构部分承担，轴向力则主要由钢筋混凝土板承担。此外，使用钢-混凝土组合桥面系代替昂贵的正交异性钢桥面板，还可以解决钢桥面系刚度不足以及易导致沥青铺装发生破坏的问题。
4 钢-混组合梁桥的关键技术
为了使得钢筋混凝土桥面板与钢梁共同工作，两者之间必须设置剪力键。它主要用来承受钢筋混凝土桥面板与钢梁接触面之间的纵向剪力，防止桥面板与钢梁之间相对滑移，此外，它还起抵抗两者之间的掀起作用，因此剪力键的作用尤为关键。
4.1 剪力键的分类
目前，剪力键按照应用形式分类可分为以下几种：
（1）钢筋剪力键
钢筋剪力键可以采用斜钢筋或螺旋钢筋，由于其抗弯刚度相对较小，钢筋本身的弯曲会使混凝土板与型钢梁之间产生一定的滑移，纵向剪力会使剪力键变形，连接件将产生弯曲应力，混凝土产生不均匀压应力，从而靠近剪力键根部的混凝土发生剪压破坏。
（2）型钢剪力键
型钢剪力键通常采用角钢、T形钢、槽钢、工字钢等，该类剪力键抗剪刚度很大，作用在混凝土上的压应力为均匀分布，破坏形态为剪力键前混凝土压坏或者剪力键之间混凝土剪切破坏。
（3）圆柱头焊钉剪力键
焊钉为焊接于钢梁翼板的大头螺钉，该剪力键力学性能不依存方向，焊钉焊接技术成熟，施工简单，受力可靠，并且混凝土的应力集中较小，因此目前被各个国家广泛使用。
（4）开孔钢板剪力键
开孔板剪力键由带孔钢板组成，穿过这些钢板孔灌注混凝土，成型后形成一系列混凝土榫来抵抗剪力，这种剪力键的设置具有方向性，抗剪刚度大，抗疲劳性能好，圆孔中贯通钢筋，更能增大抗剪强度。
（5）钢与有机材料组合剪力键
钢与有机材料组合剪力键也称为刚度滞后型剪力键，是通过在栓钉根部用硬化型环氧树脂包裹，调整硬化剂的加入量来控制硬化时间，可以达到刚度滞后的目的。这类剪力键目前在国内工程应用较少。
4.2 剪力键的设计方法
剪力键的设计方法可分为弹性分析的容许应力法和塑性分析的极限状态法。弹性设计法认为叠合面不发生相对滑移，根据梁的竖向剪力的设计值，确定所需剪力键的数量。塑性分析法则考虑了叠合面事实上存在的相对滑移，认为各剪力键受力基本相等，可以等距离布置。在实际工程设计中，通常按剪力键的弹性塑性方法分别进行计算，取偏于安全的计算结果并考虑构造要求进行剪力键的布置。
5 结语
钢-混凝土组合梁桥充分发挥了钢材和混凝土的力学特性，并具有很好的施工性能。我们相信，随着科学研究工作的深入开展，设计规范、规程的齐全和完善，随着我国钢产量的不断增加和人们对钢-混凝土组合结构优越性认识的不断提高，组合桥将会在我国桥梁建设事业中发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1] 吴冲.现代钢桥.北京:人民交通出版社,2006
[2] 黄侨.桥梁钢-混凝土组合结构设计原理.北京:人民交通出版社,2004
[3] 樊健生,聂建国. 钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展.建筑钢结构进展, 2006(05)
[4] 夏文敏,刘雪梅.钢-混组合梁的研究现状与展望.四川建筑(第30卷2期),2010 (04)
关键词：钢-混组合梁；结构特点； 应用；关键技术
1 前言
随着我国城市交通基础设施建设的飞速发展，上跨现有道路的公路及城市立交桥越来越多。该类桥梁施工中受下穿道路通行的影响非常大。为了减少对被交道路交通的影响，缩短工期，降低风险和管理难度，采用钢-混组合梁桥是比较适宜的。钢-混组合结构是在钢筋混凝土结构和钢结构的基础上发展起来的一种新型结构。它和混凝土箱梁相比极大地减轻了结构自重，提高了桥梁的跨越能力；和钢梁相比减少了钢材用量，提高了结构刚度。所以，钢-混凝土组合梁在我国的公路及城市立交桥建设中得到了广泛应用。
2 钢-混组合梁桥的结构特点
组合梁桥采用剪力键将钢梁与钢筋混凝土桥面板结合成整体，钢筋混凝土桥面板不仅直接承受车轮荷载起到桥面板的作用，而且作为主梁的上翼板与钢梁形成组合截面，参与主梁共同作用。组合梁桥采用最多的是简支梁桥结构形式，因为简支梁最符合组合梁材料分布的合理原则，即梁上翼缘应是适宜受压的混凝土板，下缘是利于受拉的钢梁。
（1）与钢梁相比，钢-混组合梁具有以下特点：
a）减少了钢材的用量，节约了造价；
b）增大了梁的刚度，有利于整体稳定性；
c）采用钢筋混凝土桥面板，有利于沥青面层的结合，提高桥面铺装的耐久性。
（2）与混凝土梁相比，钢-混组合梁具有以下特点：
a）结构自重轻，减少了下部基础的工程量；
b）已安装钢梁可作为模板使用，节省了模板工程量；
c）施工工期短，且对桥下交通的影响小；
d）降低了梁高，有利于桥下净空利用率。
3 钢-混组合梁桥应用情况综述
钢-混凝土组合梁在我国起步较晚，改革开放以前，虽有少数工程用过组合梁，但未考虑组合效应，而仅仅作为强度储备和为方便施工而已。近年来，随着我国桥梁科技的不断发展，组合梁桥越来越多地被应用于公路与城市立交桥中，且应用形式也是多样的。
3.1 钢箱及钢板梁-混凝土组合梁
钢箱及钢板梁作为传统组合梁桥很早就被应用于桥梁建设中，而箱形截面组合梁在近几年的应用最为广泛。箱形截面组合梁桥的抗扭刚度很高，因此较工字形截面组合桥具有更高的稳定性和更大的刚度，适用于跨高比较大及扭转作用较大的跨线桥和弯桥。钢箱梁的制作费用较钢板梁高，因此从降低造价的角度出发，对于跨度较小的组合桥不宜采用箱形截面。但钢箱梁底板宽度较大，因此使用的钢板厚度可相应减小，同时箱梁内部封闭性较好，有利于提高钢梁的抗腐蚀性。
箱形截面的组合桥通常有两种截面形式，即闭口截面钢箱梁与开口截面钢箱梁。其中，上端开口的钢箱梁由腹板、底板以及宽度较小的顶板组成，制作比较方便，同时用钢量较小。但在与混凝土桥面板形成组合截面之前，开口截面的箱形钢梁抗扭刚度较小，顶板稳定性也较差，因此在施工过程中需要采取增加横隔板或斜撑的措施以保证结构的稳定性。
3.2 体外预应力及波形钢腹板组合梁
体外预应力可减小构件截面尺寸，并便于施工和维护管理。在钢箱截面组合梁的基础上，又进一步发展了波形钢腹板组合梁桥。波形钢腹板具有较强的抗剪和抗屈曲能力，而纵向抗压能力较低，作为混凝土箱梁腹板时几乎不对纵向预应力产生抵抗，从而大大提高了预应力导入的效果，使得上、下混凝土翼板在恒载作用下均处于体外预应力所引起的受压状态。1986年，法国首次设计和建造了采用波形钢腹板的Cognac 组合桥。此后，法国、日本等国建成了多座波形钢腹板组合桥。目前，我国正在对这种桥梁形式开展研究工作，但在应用中仍存在很多问题尚待解决。
3.3 组合刚构桥
当发生强烈地震时，桥梁可能由桥墩震落发生事故。在地震区的桥梁通常都需要设置一定的抗震设施，但震害调查表明，此类装置有时不能有效发挥作用。连续梁桥与刚构桥是超静定结构，其抗震性能比简支梁桥好。将钢-混凝土组合梁与桥墩固结后所形成组合刚构桥，既可以减少桥面系的受力，又能够减少支座的使用，在很多情况下具有一定的应用价值。对于组合刚构桥，设计与施工时需要重点解决的问题是保证桥面的荷载能有效地传递到桥墩，即梁-墩节点处的构造。
3.4 大跨拱桥及斜拉桥的组合桥面系
对于主跨超过150m 的桥梁，常常采用拱桥或斜拉桥结构形式。对于大跨度斜拉桥甚至悬索桥，采用组合桥面可以提高经济性。桥面弯矩主要由钢结构部分承担，轴向力则主要由钢筋混凝土板承担。此外，使用钢-混凝土组合桥面系代替昂贵的正交异性钢桥面板，还可以解决钢桥面系刚度不足以及易导致沥青铺装发生破坏的问题。
4 钢-混组合梁桥的关键技术
为了使得钢筋混凝土桥面板与钢梁共同工作，两者之间必须设置剪力键。它主要用来承受钢筋混凝土桥面板与钢梁接触面之间的纵向剪力，防止桥面板与钢梁之间相对滑移，此外，它还起抵抗两者之间的掀起作用，因此剪力键的作用尤为关键。
4.1 剪力键的分类
目前，剪力键按照应用形式分类可分为以下几种：
（1）钢筋剪力键
钢筋剪力键可以采用斜钢筋或螺旋钢筋，由于其抗弯刚度相对较小，钢筋本身的弯曲会使混凝土板与型钢梁之间产生一定的滑移，纵向剪力会使剪力键变形，连接件将产生弯曲应力，混凝土产生不均匀压应力，从而靠近剪力键根部的混凝土发生剪压破坏。
（2）型钢剪力键
型钢剪力键通常采用角钢、T形钢、槽钢、工字钢等，该类剪力键抗剪刚度很大，作用在混凝土上的压应力为均匀分布，破坏形态为剪力键前混凝土压坏或者剪力键之间混凝土剪切破坏。
（3）圆柱头焊钉剪力键
焊钉为焊接于钢梁翼板的大头螺钉，该剪力键力学性能不依存方向，焊钉焊接技术成熟，施工简单，受力可靠，并且混凝土的应力集中较小，因此目前被各个国家广泛使用。
（4）开孔钢板剪力键
开孔板剪力键由带孔钢板组成，穿过这些钢板孔灌注混凝土，成型后形成一系列混凝土榫来抵抗剪力，这种剪力键的设置具有方向性，抗剪刚度大，抗疲劳性能好，圆孔中贯通钢筋，更能增大抗剪强度。
（5）钢与有机材料组合剪力键
钢与有机材料组合剪力键也称为刚度滞后型剪力键，是通过在栓钉根部用硬化型环氧树脂包裹，调整硬化剂的加入量来控制硬化时间，可以达到刚度滞后的目的。这类剪力键目前在国内工程应用较少。
4.2 剪力键的设计方法
剪力键的设计方法可分为弹性分析的容许应力法和塑性分析的极限状态法。弹性设计法认为叠合面不发生相对滑移，根据梁的竖向剪力的设计值，确定所需剪力键的数量。塑性分析法则考虑了叠合面事实上存在的相对滑移，认为各剪力键受力基本相等，可以等距离布置。在实际工程设计中，通常按剪力键的弹性塑性方法分别进行计算，取偏于安全的计算结果并考虑构造要求进行剪力键的布置。
5 结语
钢-混凝土组合梁桥充分发挥了钢材和混凝土的力学特性，并具有很好的施工性能。我们相信，随着科学研究工作的深入开展，设计规范、规程的齐全和完善，随着我国钢产量的不断增加和人们对钢-混凝土组合结构优越性认识的不断提高，组合桥将会在我国桥梁建设事业中发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1] 吴冲.现代钢桥.北京:人民交通出版社,2006
[2] 黄侨.桥梁钢-混凝土组合结构设计原理.北京:人民交通出版社,2004
[3] 樊健生,聂建国. 钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展.建筑钢结构进展, 2006(05)
[4] 夏文敏,刘雪梅.钢-混组合梁的研究现状与展望.四川建筑(第30卷2期),2010 (04)