荷兰奈梅亨城市大桥（Nijmegen City）

主跨285m系杆拱桥，主梁（系梁）采用正交异性组合板，混凝土板厚150mm。

国内外传统组合结构在大跨度桥梁中应用广泛，但随着跨度的增加，自重较大的主梁形式将影响经济性，大跨度桥梁多采用钢梁以实现技术经济合理性，但钢梁存在正交异性桥面板疲劳损伤问题。因此，需要在钢梁与传统组合梁之间，寻求能够平衡技术性能与经济指标的新结构。从一些工程实践和相关研究成果看，组合桥面板这种新构件可以满足要求，用于替代钢梁的正交异性钢桥面板，或者替代组合梁的混凝土桥面板，形成组合板组合梁新结构，在钢梁与传统组合梁之间寻求竞争优势。

组合桥面板采用正交异性钢桥面板与混凝土板组合的结构形式，着眼于减轻混凝土桥面板的自重，改善正交异性钢桥面板的疲劳性能。组合板采用普通混凝土或纤维混凝土时，将原来20～30cm的混凝土板降低到10～15cm；组合板采用超高性能混凝土时，可以采用6cm以下厚度，并解决常规混凝土的抗拉性能不足问题。从结构局部受力看，组合板在满足结构第二、第三系统受力的条件下，无论钢结构采用U形肋还是板肋，相关焊缝的抗疲劳性能大幅提升。从桥梁结构总体受力与材料用量看，对于传统混凝土桥面板，减小了混凝土板厚度，同时增加了一些钢材的用量；对于传统的正交异性钢桥面板，增加了一层超高性能混凝土，同时减少一些钢材的用量。

总体来看，结构构件的材料、构造及施工方法不同，其承载能力、抗疲劳性能等力学性能也不同，构件的重量及造价也会有所差异。任何单一的指标，不能成为评判优劣的标准。必须针对不同结构体系、不同跨度等情况，在满足桥梁各项性能要求的前提下，才能做出正确的判断。

正交异性组合桥面板可以分为两种类型：一类由正交异性钢桥面板及其上的钢筋混凝土板组成，另一类由正交异性钢桥面板及其上的超高性能混凝土组成。结构重量介于正交异性钢桥面板和混凝土桥面板之间，结构高度和承载能力均大于正交异性钢桥面板和混凝土板。前者采用普通混凝土或纤维混凝土，我们可以暂称之为正交异性组合板；后者采用超高性能混凝土（UHPC），混凝土指标视具体受力情况确定，为区别起见，暂称之为HUPC组合板。

正交异性组合桥面板应用于不同主梁结构中，组成不同的主梁形式。比如开口截面的组合钢板梁、全封闭的组合钢箱梁、半封闭的组合钢箱梁等结构形式。简而言之，就是以组合板替代传统组合梁的混凝土板，或者替代钢梁的正交异性钢桥面板。

图1 正交异性组合板组合梁横截面示意

采用正交异性组合板的组合梁横截面布置如图1所示。组合板的混凝土厚度100～150mm， U肋之上的钢板厚度8～12mm，U肋高度30～40cm、间距650～900mm，横梁（横肋）间距400～500cm。采用正交异性组合板的高度，约为混凝土桥面板或正交异性钢桥面板的1.5倍以上，其承载能力显著增加，因此，横梁间距可以适当增加。混凝土层的高度较大、刚度显著增加，大大提高了桥面板承受轮压荷载作用的扩散能力，使得正交异性钢桥面板U肋与面板焊缝、U肋与隔板焊缝等相关疲劳易损部位的应力幅大幅下降。

正交异性组合桥面板在承受正弯矩时，混凝土板受压、U肋受拉，最能充分发挥两种材料的性能优势，具有较强的承载能力；在承受负弯矩时，U肋受压或下缘侧部分受压，混凝土板则受拉，组合板的承载能力将由负弯矩控制。

图2  UHPC组合板组合梁横截面示意

采用UHPC组合板的组合梁横截面布置如图2所示。从结构形式上看，和正交异性组合板一样，只是较厚的混凝土层换成了超高性能混凝土（UHPC），UHPC的厚度45～80mm， U肋之上的钢板厚度8～12mm，U肋高度30cm左右、间距650mm左右，横梁（横肋）间距300～400cm。UHPC的最小厚度需要考虑钢梁制造、混凝土板浇筑误差以及配筋直径等影响。通常钢梁节段制造会以直代曲，混凝土浇筑厚度存在误差，为保证配筋的保护层厚度及UHPC层厚度，UHPC的最小厚度不宜低于45mm。

UHPC组合板的高度约为正交异性钢桥面板的1.2倍左右，其承载能力显著增加。在承受正弯矩时，HUPC受压、U肋受拉，组合板的承载能力将由钢材控制，UHPC的抗压能力一般存在较大富裕。在承受负弯矩时，U肋受压或下缘侧部分受压，UHPC则受拉，当其抗拉能力足够时，组合板的承载能力可能由U肋的屈曲稳定控制。

值得一提的是，上述结构参数只是粗略的范围，还需要结合结构局部和总体受力、钢结构抗疲劳性能等多方面的因素，进行多参数、多目标的优选。从实践层面看，还有待不断优化完善，以实现结构效益最大化。

组合结构由不同材料结合在一起共同受力，一个截面内两种材料的承载能力必然要受到能力弱的一方的限制。如果我们想要混凝土分担更多的荷载，依靠提高其强度是不行的。要么增加混凝土的厚度（面积），这同时也会增加重量；要么增加混凝土的弹性模量、减小其收缩徐变，这对材料提出了高要求，可能面临较为昂贵或者很难合理实现的问题。关键是材料必须实现有效率的利用，以及取得经济上的竞争力。

济南齐鲁黄河大桥主跨420m网状系杆拱桥，采用正交异性组合桥面板，混凝土板厚120mm。

毫无疑问，桥梁结构的重量是一个重要的参数，从结构受力角度希望能够做到轻质高强，以满足桥梁向大跨度发展的要求。由不同材料塑造的结构构件，也存在着其承载能力与结构重量等多种特性，不同材料、不同结构形式的重量各不相同，同时其工程造价也相差很大。既有自重较大的混凝土结构更为经济的范围，也有自重较轻的钢结构更经济的空间。结构与构件的承载能力、自重大小、材料特性等，对经济性的影响与多种因素有关，包括桥梁的跨度、结构体系、施工方法等方面。

对于拱桥、斜拉桥和悬索桥不同的桥型，其受力各不相同、各有特点。宏观来看，跨度越大越倾向于采用轻质材料与结构形式，但关键是找到合适应用范围，以便使结构材料的效益最大化。

组合梁用于斜拉桥可以发挥混凝土的抗压优势，在很大的跨度范围内可以抵消重量增加所产生的不利影响。但是随着斜拉桥跨度的增加，组合梁重量较大的不利因素逐步超越其有利影响，要进一步提升组合梁斜拉桥经济跨度，必须采用相对轻质的结构形式。从结构受力体系看，斜拉桥的加劲梁不仅是桥面传力结构，更是重要的承重构件，加劲梁自身结构承载的效率，特别是承受轴向压力作用的有效性，对于斜拉桥的经济性影响显著。因此，任何结构形式的加劲梁必须自身具有较好的承载效率，同时兼顾体系整体的影响。

正交异性组合桥面板可以看作介于传统混凝土桥面板组合梁和钢箱梁之间一种结构形式，重量介于钢箱梁和常规混凝土板组合梁之间。减小混凝土板厚度减轻了结构自重，但同时承载能力以钢材予以弥补。对造价的影响主要是加劲梁自身造价的变化，以及重量变化后引起桥塔、缆索等相关构件数量的变化。用于大跨度桥梁时，经济上有竞争力的跨度将介于传统组合梁与钢箱梁之间。

济南凤凰黄河大桥主跨2×428m三塔自锚式悬索桥，主梁采用正交异性组合桥面板，混凝土板厚120mm。

超高性能混凝土组合板具有很高的抗拉压性能，与钢结构结合厚度可以做到60mm以下。相对于正交异性钢桥面板，重量有所增加，超高性能混凝土参与承载可以适当减少钢材用量；自身重量的增加相对较小，对整体结构造价的影响也相对要小。关键在于超高性能混凝土材料与施工费用，加劲梁造价高于钢箱梁时其应用主要取决于对结构抗疲劳性能和耐久性的取舍。由于超高性能混凝土与钢梁结合共同受力，总体受力受制于钢材性能得不到充分发挥，这是组合结构的特点所决定的。当然，决定取舍的并非只有工程造价一项。

对于大跨度地锚式悬索桥，加劲梁几乎退化为传力构件，其运营阶段的整体受力随跨度的变化并不明显（超大跨以后受极限静风控制）。总体来看，组合梁替代钢梁应用于悬索桥，结构自重对桥梁造价的敏感性要远高于斜拉桥。同时缆吊与锚碇系统的造价随跨度与地质等具有很大的波动性，这使得组合梁的经济竞争跨度界限有着较大的波动。即使采用常规混凝土板组合梁（桥面板厚度已经降到20cm）建成几座800m左右的悬索桥，可以想见当锚碇基础地质较差或处于水上环境时，其经济竞争跨度还要下降，大跨度悬索桥采用更为轻质的加劲梁更具有经济优势。

正交异性组合桥面板的组合梁，自重大于钢箱梁之间，自身造价难以较钢箱梁大幅下降，自重较大的负面影响显著，很难取得经济上的竞争优势。超高性能组合桥面板组合梁当造价接近钢箱梁时，则有技术经济竞争力的跨度范围可以覆盖钢箱梁悬索桥的范围。通常情况下，大跨度悬索桥舍弃钢箱梁主要是为了规避正交异性钢桥面板的疲劳风险以及铺装易损问题。大跨度悬索桥的加劲梁选择，几乎不由正常运营阶段的结构总体受力所决定，更多的是抗风性能和桥面板的耐久性。因此，材料与结构的力学性能需求和斜拉桥有所不同。

上海松浦大桥维修改造工程 主跨112m钢桁梁，公路桥面采用UHPC组合桥面板，HUPC厚80mm。

上承式拱桥中组合结构主要用于拱上主梁，其受力特性等同于一般梁式桥，对主拱的受力主要是重量的影响，在此不再详细讨论。中承式拱桥由吊索支撑的中间跨主梁，受力类似于悬索桥，主要为承担车辆等桥面荷载的传力构件。主梁除了满足自身受力需要外，重量变化主要对拱肋受力及其造价影响，对基础影响相对较小。随着拱桥跨度的加大，特别是跨度300m以上时，采用轻质的桥面结构可以进一步提升其经济竞争力。下承式拱桥主要为系杆拱桥，主拱主要承受轴向压力作用，系梁由吊索支撑，同时承受拱肋水平分力作用，显然随着跨度加大，需要采用轻质桥面结构才能保证其经济竞争力。

从以上分析不难看出，斜拉桥、悬索桥、拱桥这些不同体系的桥梁，对组合梁的性能要求不同，而且跨度不同也会影响加劲梁的经济性选择。因此，组合桥面板新技术的应用应该有针对性的要求，应该全面考虑各种相关影响因素，做出合理的选择，以期效益最大化。

工程总是存在各种各样的风险，桥梁技术伴随着各种风险不断发展进步。在长期的技术探索中，理论到实践的循环往复为我们积累了经验和教训，使得我们对新技术得以不断改进和完善。新的技术需要理论、试验研究，更需要工程实践的验证。理论与实践存在一定的差距，桥梁技术的发展还离不开实践的检验，新技术只有具备了可靠性、经济性等条件才能得到广泛应用。

阿根廷Zarate-Brazo largo桥

主跨330m斜拉桥，主梁采用正交异性组合桥面板，混凝土板厚度14cm。

在桥梁技术的发展过程中，工程的经济性有着重要的影响。关于工程经济性的内涵，今天和过去已有很大不同，从工程角度讲，现在所强调的是全寿命经济性，新的理念必然会影响工程的选择，经济性的内涵随着社会经济发展可以改变，但无论如何，新技术要得到广泛应用需要有经济性为支撑。

总之，对于新技术的推广应用，工程经济性和实践检验十分重要。