钢-混组合结构是由两种建筑材料(钢和混凝土)通过连接件及相互作用力相结合,从而共同受力的结构体系。作为桥梁的主要组成部分,钢材和混凝土在物理、力学性能上都具有各自的优劣性。
如果桥梁上仅使用二者中的一种,则桥梁的结构性往往不能完全发挥。而钢-混组合结构恰能做到物尽其用,发挥其各自的优势,同时限制其劣势的发挥。钢-混组合桥相比于钢桥,用钢量较少,截面刚度较大。
抗腐蚀性和抗疲劳性较好等;相比于混凝土梁,截面更小,有效地降低了结构的自重,且抗震性能较好。
1.1.1钢-混组合结构的发展历程
萌芽阶段在20世纪初期,出于抗火的目的,最早期的钢-混组合结构应运而生,主要形式为钢梁外面包裹混凝土。对于这个时期的组合梁,钢与混凝土二者之间并没有采用机械连接,而是通过二者的摩擦力和自然粘结力共同作用。
在20世纪20年代,美国、英国及其他欧洲国家就当时所出现的组合梁(无连接件)开展试验进行进一步的研究。研究结果表明:钢-混组合梁若缺少机械连接,会随着界面滑移的产生而破坏。
早期的钢-外包混凝土组合结构随着防火涂料的出现及施工困难等问题逐渐失去了它的竞争力。而且,在桥梁结构中,防火设计并未受到重点关注,钢梁与混凝土之间的自然粘结作用承受荷载能力较小。
故此形式的钢-混组合结构并未得到推广。但相比于钢结构、混凝土结构,钢-混组合梁优势明显,各国并未停下研究的脚步。在1930s,由于抗剪连接件的出现,钢-混组合结构的接触问题得到解决。
采用抗剪连接件的钢-混组合梁,因其优异的施工性能、力学性能得到了广泛应用,并且不断发展创新。总之,该阶段的钢-混组合梁主要目的是防火,其主要研究内容包括外包混凝土组合梁及解决相对滑移问题的抗剪连接件。
钢-混组合梁由于该阶段突破性的研究得到了实质性的发展。2.发展阶段自1950s以后,钢-混组合结构梁在中小跨径简支梁、近千米的斜拉桥均得到应用,并由此得到迅速发。于此同时,有关钢-混组合梁的试验研究也在不断进行。
在欧美、日本等国家,为降低施工的成本,在市政、高速桥梁中都多次采用了钢-混组合梁。桥梁的结构形式也随着技术与理论的不断完善而不断创新,考虑到其经济性,传统的钢-混组合梁(钢-混组合钢板梁)的需求也在不断改进。
在1937年,德国率先完成了钢-混组合梁的加载试验,拉开了钢-混组合梁的研究序幕。在1950年前后,许多新的组合梁形式在钢-混组合梁的学术会议被相继介绍,同时也出现了该组合梁相应的理论计算及相关设计指南。
在1954年,有关剪力钉的承载能力、疲劳强度试验在美国进行,随后开始了长达20年的钢-混组合梁的试验研究,为美国高速公路桥设计规范提供大量研究成果。1950年初,日本展开了组合梁的研究及建设。
并在1959年编写了相关设计与施工规范。全面研究阶段及推广阶段在1960s~1970s期间,钢-混组合结构的研究和应用成果更加系统化,相关设计规范及章程得到进一步改进与完善。同时此阶段,桥型的研究开始了连续梁的研究。
接触问题开始了部分剪切连接的研究,设计方法开始了极限状态的设计方法的研究。从1980s至今,钢-混组合梁的研究开始涉及到非线性、空间体系等,同时组合梁截面形式也越发丰富。在此阶段,新的结构形式也相继出。
比如:预应力、叠合板、预制装配式、钢板夹心等形式的钢-混组合梁。同时,为了提高组合梁的力学性能及简化施工工艺,开始进行新材料、新工艺的研究。
1.1.2钢-混组合结构的优缺点及其适用范围
钢-混组合结构的优势钢-混组合梁是采用连接件将混凝土与钢梁沿厚度方向连接起来,使二者形成具有统一中和轴、共同受力的结合体。根据钢梁与混凝土的受力特点,正确布置其相对位置,能充分发挥材料的优异性能。
在组合梁中,把混凝土作为主要受压构件放在组合梁的受压区,把钢梁作为主要受拉构件放在组合梁的受拉区。如此结合不仅能解决混凝土受拉易开裂、钢梁受压发生失稳的难题,而且会因为中和轴高度、内力壁的增大,获得更高的承载能力。
同时,更大的截面高度也使得其具有更大的刚度。钢一混凝土组合梁的优势可简单概括如下:(1)充分发挥钢材、混凝土的各自天然优势,规避各自不足;(2)极限承载能力较高、刚度较大、高延性。
由于钢梁自身承载能力高,有效减小构件截面尺寸,方便现场施工;稳定性好,由于混凝土翼缘板的作用,提高截面形心位置,使钢梁受压区高度减小,减少钢腹板受压发生屈曲的可能性;相比纯钢梁,结构整体稳定性、结构的耐久性和抗火性均有一定的提升。
相比纯混凝土梁,减小截面尺寸、降低整体造价、缩短工期、增加桥下有效使用空间;钢-混组合梁桥在活载作业下的噪音比钢梁桥的小,能减轻扰民程度,有利于保护环境。
钢-混组合结构的缺点
虽然能减少现场湿作业工作量,但整体的工作量有所增加;由于钢梁的存在,限制了混凝土的自由变形,导致桥面板易开裂;钢梁需要做防腐、除锈措施,后期维护的成本较高;抗剪连接件的焊接工艺较为繁琐,且需要专门的焊接设备人员来完成。
.钢-混组合结构的适用范围桥梁主体结构的选择要综合分析结构的可行性、整体效益等,而不是只把简单的构件进行对比分析。通常要考虑适用跨径、桥上桥下适用空间、构件的截面尺寸、施工的难易程度、施工周期长短、桥梁的总造价等。
钢-混组合结构因其力学性能优异、施工方便,广泛应用于各大领域,包括:建筑结构领域、桥梁结构领域、地基基础及旧工程的改造及加固。
在桥梁领域,既能运用在中小跨径的简支梁及连续梁桥上,也能运用在大跨的悬索桥、斜拉桥上。
1.1.3钢-混组合结构的应用现状
随着建设需求的增大,桥梁建设在保证经济性与综合效益的同时,逐渐丰富特有的桥型、增大原有的跨径、进一步地减轻结构的自重。面对如此需求及背景下,在大多数情况下,传统的结构形式已经不能适应时代的潮流。
需要探索新的结构形式。相比于钢桥和混凝土桥,钢-混组合梁桥梁更能满足当前的需求,故近年来得到了快速的发展。例如,为解决大跨度跨线桥及降低高架桥的跨线施工难度问题并降低桥梁的结构高度。
我国许多省市在城市和公路建设开始采用钢-混组合梁桥。1991年,上海南浦大桥建成通车,是一座钢-混组合梁斜拉桥。该桥借鉴了国外桥梁的设计经验,并对桥面板的抗裂问题做了改进。
2000年,芜湖长桥大桥建成通车,是一座主跨为312m并采用钢桁混凝土组合结构的斜拉桥,2005年,东海大桥主航道桥建成通车,是一座主跨420m的箱型组合梁斜拉桥。2005年,河南拨河大桥建成通车。是一座波形钢腹板连续组合梁桥,跨径为4×30m。
随着我国基础设施建设不断完善,桥梁的需求量也在不断增加,钢-混组合梁桥凭借自身特有的优势在桥梁结构形式选择中得到广泛的青睐。
随着桥梁不断向更轻、更大跨度发展,钢-混组合简支梁逐渐地不能满足目前的需求。于是开始向连续梁的方向发展。
1.2.1钢-混组合连续梁的优缺点
钢-混组合连续梁的优点(1)连续梁的刚度较大、自重较轻;(2)连续梁的高跨比简支梁小,可以降低桥梁高度;(3)适用于大跨径的桥梁;(4)在受力性能方面,作为超静定结构,具有更大的承载能力。
在综合造价方面,钢-混连续组合梁能减少支座和伸缩缝的数量,减少桥梁整体造价,同时能增加行车的平顺性。2.钢-混组合连续梁的缺点连续梁制作、安装较复杂;当跨径较小时,其经济性并无优势,一般跨径大于25m的情况下才考虑采用连续组合梁。
在中支点处,混凝土易受拉开裂,对耐久性能造成影响;钢梁受压、易屈曲,为了避免钢梁屈曲,需要采用厚度较大的钢板,且会引起较大的残余应力。
1.2.2钢-混组合连续梁的应用现状
国外应用现状1985年,等截面连续钢桁组合桥Arbois桥在法国建成通车。主梁全长100m,桥面宽11m,跨径布置29.85+40.4+29.85m。1993年,三跨连续梁Nantenbach桥在德国建成通车。在连续梁中支点处。
钢桁架与混凝土板相结合共同承担荷载。主梁全长374.4m,跨径为83.2+208+83.2m。1997年,三跨连续钢桁腹板组合桥Boulonnais高架桥在法国建成通车,Boulonnais高架桥分别由Herquelingue高架桥、Quehen高架桥、Echinghen高架桥等三座高架桥组成。
最大跨径为110m。2003年,四跨连续钢桁腹杆混凝土组合梁桥Kinokawa高架桥在日本建成通车。全长为268m,跨径为51.85+2×85+43.85m,桥宽10.5m。2.国内应用现状2005年,三跨变截面连续钢-混组合梁桥—常州邹区大桥建成通。
钢梁为变高度U形截面,箱梁截面采用双箱单室。主桥跨度为71+110+71m,桥梁宽33.5m。2010年,上海长江大桥正式建成通车,上海长江大桥是上海长江隧桥的桥梁工程部分,其非通航孔桥采取了跨径布置为90+5×105+85m的钢-混组合连续箱梁结构。
每7孔为一联,全长1400m。2011年,武汉二七长江大桥建成通车。其主桥包括通航孔主桥、非通航孔深水区桥梁及岸滩区的非通航孔桥梁。非通航孔深水区采用6×90m钢-混组合连续梁结构。
主梁由下层的钢槽梁和上层的预制混凝土桥面板通过剪力钉连接而成。2012年,杭州九堡大桥(含南、北引桥)正式建成通车。
其中南、北引桥均采用的是跨径为26+77+2×85+55m等高度钢-混连续多跨组合梁,主梁采用单箱单室截面(正梯形钢梁+混凝土桥面板)。2012年,长沙市福元路湘江大桥建成通车,大桥由主航道道桥、辅航道桥和东西引桥等组成。