浅析组合结构桥梁
2015-04-03
组合结构是指至少两种及其以上的建筑材料相互接合在一起，并且形成更加合理的构件或者结构体系。在建筑材料中具有代表性的材料是钢材和混凝土。材料与材料之间通过粘结、机械咬合或者连接件相互接合，使组合构件能够共同承担作用力。
一、组合结构桥梁的概述
组合结构将材料合理地加以组合，充分利用各自材料的优点，使得组合后整体的力学性能有所提高。钢材在拉伸的过程中，其强度和延伸性都能很好的发挥，但处于压缩状态时，容易失稳，由屈曲强度确定，特别是薄钢板制作的构件，材料性能不能完全发挥；而混凝土材料比钢材价格低廉，自重较大，抗拉强度小的脆性材料。两者利用各自优势，相互接合，在力学性能方面表现为，两者的相互支援补足。
典型的实力即为钢管混凝土，混凝土柱在外包钢管的约束下，处于侧向受压的应力状态下，显著提高了混凝土的抗压性能，而混凝土的存在，也提高了钢管的刚度，两者的有效结合使得结构的承载能力和变形能力大幅提高，且远远高于两者的单独叠加效果。
二、组合结构桥梁的分类及其特点
（一）组合钢板梁桥
组合钢板梁是将钢板梁和混凝土桥面之间用连接件接合在一起，两者不能自由发生相对滑移，共同承担桥梁纵向弯曲。相对于非组合钢板梁，其钢板上翼缘截面面积及梁高可显著减小，达到节约组合钢材的目的，较组合箱梁桥，又具有简单的结构，便于施工等优点，得以广泛推广使用。
当主梁为I型钢具时，材料有很强的抗弯与抗剪强度，截面构造也比较简单。由于I型钢具的面外刚度比较小，通常要将2根以上的型钢顺着桥梁的纵向排设，并且使用横梁、水平及其竖向横撑等辅助设施连接称为一个整体，加强整体稳定性，共同承担横向和竖向荷载。由于腹板比较薄、容易发生局部屈曲失稳，常常会在腹板的纵向和支座的端部处焊接加劲肋。
（二）波折腹板组合箱梁桥
波折腹板组合箱梁是由混凝土底板顶板、波折钢腹板、横隔板、体外预应力钢筋或者钢索等构成。采用波折形状的钢腹板形成钢板与混凝土的组合箱梁截面体系，能够有效地施加预应力。与预应力混凝土箱梁比，箱梁的整体横向刚度和抗扭刚度都有所减小。
波折腹板的形状是满足剪切屈服前不能发生剪切屈曲且极限荷载作用时亦不能发生剪切屈曲两个条件，这种情况下，常常会伴随波折高度及小的情况发生，这时需要依靠桥梁的整体横向刚度等因素综合确定各尺寸。波折板一般通过冷加工的方式制成，板的弯曲半径一般要求为板厚的15倍以上，不满足时要确保钢材具有足够的冲击吸收功同时控制氮元素的含量或者早腹板之间采用螺栓连接加强稳定性。
由于将混凝土腹板置换成波折钢腹板后，板厚减小，抗扭刚度和抗弯刚度都有降低，所以还应在支座处和跨径内增设横隔梁增加稳定性。
对比预应力混凝土箱梁桥，波折腹板组合箱梁桥有以下几方面优势：
（1）自重减轻，下降大约20% ~ 30%
（2）波折腹板在桥梁纵向刚度几乎为零，大幅提高施加预应力的效率
（3）波折腹板在桥梁纵向刚度几乎为零，可以减小混凝土上下翼缘的相互约束，同时减少混凝土的干缩、徐变的影响
（4）波折腹板用波形几何形状的腹板代替加劲肋，具有较高的抗剪强度
（5）箱梁腹板制作工厂化，也便于施工
（三）组合桁架桥
桁架是由上下弦杆与腹杆组成的静定体系，桁架桥的各杆受力仅仅承受轴力。在设计桁架桥时，通常会在弦杆节点处设置横梁加强横向联系，通过横梁将力传递给主桁，但实际上桥面板在桥梁纵向上有着较大的刚度，可以约束住桁架上弦杆的变形。有效的将两者结合起来，考虑他们的组合作用，可以使体系更加趋于合理。
为了式桥梁在寿命期内费用最低，在技术层面我们可以采取一些措施。
通过不设或少设非承重杆件来改进承重结构体系。近期的桁架桥的上下弦杆接近一致的截面尺寸和板厚、加长每根杆件的长度同时减少接头、采用预应力技术等措施来尽可能少设主桁间的横纵梁。这样不仅使构件加工费用降低，同时减少了后期的维护费用。
实行多跨连续梁体系并不设或少设伸缩缝。遮掩可以提高桥梁的行车舒适性和桥面的耐久性。设置体外索使应力便于控制，又易于维修。
改善节点设计，采用高强螺栓。近年来高强螺栓在现代桁架桥中已经广泛应用，工厂化的施工可以减少工作量。腹杆和弦杆之间采用对接方式连接也在逐渐普及，对接连接可以把腹杆的翼缘及其腹板都与弦杆直接连接，这样传力更加明确，但要考虑轴力和弯矩的共同作用。
桁架杆与混凝土桥墩固结，提高抗震能力。钢构体系的形成，不仅减少了支座制造维修费用，还可以减少主桁架的负弯矩区，增大跨径，伴随着超静定次数的增高，抗震性增强。
（四）组合钢构桥
通常刚构桥是由混凝土主梁和混凝土桥墩固结在一起。最近今年中，不同种材料的主梁与桥墩桥台固结在一起的组合刚构桥逐渐增多。钢板梁及钢箱梁与混凝土桥墩固结的组合刚构桥具有十分广阔的前景，在具有混凝土刚构桥的一些优点的同时，还有自身的一些技术特点，比如：刚度更大，提高抗震性能；主梁的弯矩区的受力性能改善明显；实现了更大程度的跨越；可以采用混凝土刚构桥的施工方法等。
三、结语
桥梁是土木工程中技术含量最高、要求最复杂的工程之一，能合理的利用各种建筑材料的组合性能，以提高承载能力和抵御自然灾害的能力，确保寿命期间使用费用最低是桥梁结构设计的趋势。
【参考文献】
[1] 刘玉擎.组合结构桥梁[M]. 北京：人民交通出版社, 2005
【作者简介】雷晓鸣（1992.3 - ），男，本科，桥梁工程
