钢混组合钢结构在桥梁工程中的应用

摘要：本文介绍了钢混组合 钢结构的发展历史及其在桥梁工程中的应用现状，以及钢混组合 钢结构剪力 连接件的种类与应用。
　　
　　 关键词：钢混组合钢结构桥梁剪力连接件
　　
　　钢混组合钢结构充分利用 钢材的抗拉性能与混凝土的抗压性能，能显著改善钢结构的力学性能和提高经济性。 钢材处于拉伸区域时其强度与延性能够很好的发挥，但是当其处于拉压区时，屈曲强度起到控制作用，性能难以发挥。而混凝土时比钢材便宜、抗拉强度小、抗压性能突出的脆性 材料，二者组合后可以充分发挥各自的力学性能。最典型的组合钢结构是钢管混凝土，混凝土柱在钢管的约束下承载力及变形能力都大幅度提高，而内填混凝土对钢管提供有力的侧向约束，延缓了钢管的局部屈曲。
　　
　　1879年英国在seven铁路桥的建造中首先采用了钢管混凝土桥墩，但当时在钢管内灌注混凝土的目的是防止钢管内壁的锈蚀。1897年美国人JohnLally在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑中的承重柱，并提出了圆钢管混凝土的承载力计算公式。如果由此算起，钢混组合钢结构已经有一百多年的历史。
　　
　　20世纪30年代，组合钢板梁桥开始在欧洲发展。德国在1937年进行了组合梁的加载试验，1950年前后召开了几次关子组合钢结构的学术会议，其中许多组合梁的计算理论以及组合梁桥被相继介绍，并且制定了关于道路桥的组合梁 设计指南。20世纪60年代是欧洲、美国以及日本桥梁建设的黄金时期，组合钢结构以其整体受力的经济性，发挥两种组合材料各自优势的合理性以及便于 施工的突出优点而得到了广泛的应用，组合桥面系统开始被应用在大跨度斜拉桥中。1972年世界第一座混合梁斜拉桥一kurt-schumacher桥建成，首次采用了钢梁与预应力混凝土梁结合的形式。20世纪80年代，波折腹板组合箱梁桥与组合刚构桥出现。而今，钢混组合钢结构已经广泛应用于桥梁工程之中。
　　
　　严格来说，钢筋混凝土钢结构也应该称为组合钢结构，不过它由于应用广泛，一般被认为是混凝土构件。
　　
　　 各种桥型中组合钢结构的应用
　　
　　1：梁桥
　　
　　最常见的是组合钢板梁桥，通过连接件把钢板梁与混凝土桥面板加以组合来提高抗弯刚度，减小梁高，增大跨径。从上世纪30年代出现至今，钢板梁桥的技术已经非常成熟，在欧洲得到广泛应用。法国自1980年前后集中全国的技术力量进行组合桥梁的开发 研究，建成了许多前瞻性的中小跨桥梁。其中在组合钢板梁桥方面，对传统的钢梁桥体系进行了大幅度简化，用2根主梁的组合钢板梁桥已经成为中小跨度桥梁形式中极具经济性的一种。现在法国30m—llOm的中小跨度桥梁中，组合钢结构桥梁已经占到8成之多。瑞士近年来也逐渐把2主梁组合钢板梁桥体系加以简化，并作为 标准桥型之一采用。近年来铁路桥也开始积极采用组合钢板梁进行合理化设计与施工，我国秦沈客运专线上就采用了这种组合钢结构桥梁。
　　
　　组合箱梁桥使用于跨径较大的桥梁，较常用的组合钢结构箱梁桥有波折腹板组合箱梁桥、开截面组合箱梁桥以及双重组合箱梁桥。这里介绍比较常用的波折腹板组合箱梁桥。法国于1986年建成一座3跨连续梁桥，该桥采用厚度为8mm的波折腹板代替混凝土腹板，波折腹板通过连接件与顶底板结合。与预应力混凝土箱梁比较，采用波折腹板组合梁桥有以下优势：用波折腹板代替混凝土腹板，主梁自重可以减轻20%—30%；波折腹板在桥梁纵向刚度几乎为零，，可以大幅度提高施加预应力的效率；由于波折腹板的纵向刚度很小，上下混凝土翼缘板的温度变形、徐变、收缩都可以自由进行，不会产生次应力。
　　
　　组合桁架桥是将桁架的上弦杆与桥面板通过连接件有效的结合在一起，可以增大截面的抗弯刚度，减小上下弦杆的变形。1993年建成的Nantenbach铗路桥采用83.2m+208m+83.2m的3跨连续上承式组合桁架体系，在负弯矩区没有设置预应力筋，而是在桥墩附近的两个下弦杆之间浇注混凝土，使上下弦杆都形成组合体系以抵抗负弯矩。
　　
　　此外还有采用预应力钢筋混凝土边跨和钢箱梁中跨的组合连续梁钢结构，混凝土梁与钢箱梁通过结合段连接。
　　
　　2：斜拉桥
　　
　　组合钢结构斜拉桥可分为2种，一种是采用钢与混凝土组合截面的形式，另一种则是在桥的不同部位分别采用钢结构和混凝土钢结构，两者之间通过结合段连接，这种斜拉桥也有学者称之位混合钢结构斜拉桥。
　　
　　采用组合截面的斜拉桥，一般是在桥面钢结构中采用这种组合形式，如上海的浦大桥和南浦大桥：钢纵梁和钢横梁形成施工拼装单元，预制钢筋混凝土桥面板铺装就位之后，通过钢梁上翼缘预制板端间的接缝混凝土和栓钉剪力连接件的作用使钢梁和混凝土桥面板连成整体形成组合梁。2000年日本修建的Shinkansen桥是一座采用钢管混凝土梁作为主梁的斜拉桥，属于新型的组合钢结构斜拉桥。
　　
　　混合钢结构斜拉桥一般是采用边跨混凝土梁与中跨钢梁结合的形式，比较有代表性的如法国Norrmandie桥、日本的多多罗大桥、我国的徐浦大桥、湛江海湾大桥等。这种钢结构形式～般拥在中跨较大、边跨较小的斜拉桥上，由于跨采用自重和刚度较大的混凝土梁，增加了边跨主梁的重量和刚度，又由于混凝土梁具有良好的锚固和压重作用，从而避免了边跨的桥墩上浮，减小了主跨梁体的内力和变形，降低了边跨端支点的负反力，从而加大斜拉桥的跨越能力。也有在桥塔采用混合钢结构的形式，如南京长江三桥，下部桥塔采用混凝土钢结构，增大钢结构刚度以及防撞能力，上部桥塔采用钢钢结构，便于锚固斜拉索。混合钢结构斜拉桥的技术难点在于如何实现钢梁段与混凝土梁段的结合。由于结合段是材料与钢结构特性的突变点，其传力机理、刚度设计、疲劳性能都是影响桥梁安区的重要因素。
　　
　　3：拱桥
　　
　　组合钢结构拱桥一般指拱肋采用组合钢结构的拱桥，也有拱肋采用钢筋混凝土、主梁采用钢梁或者组合梁的组合钢结构拱桥，这里不作论述。
　　
　　最常见的组合钢结构拱桥是钢管混凝土拱桥，如巫山长江大桥。采用钢箱混凝土作为拱肋，虽然套箍效应不及钢管混凝土，但是由于施工难度相对较低、经济性好，得到了较广泛应用。另外还有采用劲性骨架施工的拱桥，如万县长江大桥，也是组合钢结构拱桥的一种。
　　
　　4：其他桥型
　　
　　组合钢结构在刚构桥、悬索桥上的应用也比较广泛。在刚构桥上的应用与梁桥类似，一般采用混凝土桥墩与钢梁或组合梁形成组合钢结构，也有采用混合钢结构梁的形式。在悬索桥上的应用与斜拉桥类似，在此不再详述。
　　
　　 剪力连接件
　　
　　钢混组合钢结构的力学性能很大程度由剪力连接件的性能决定。常用连接件按照形式可以分为：钢筋连接件、型钢连接件、栓钉连接件、以及开孔钢板连接件等。
　　
　　l：钢筋连接件
　　
　　将螺纹钢筋焊结在钢板上承受钢板与混凝土之间的剪力，这种形式的连接件称为钢筋连接件。常用的连接钢筋有弯起钢筋、轮形钢筋及螺旋形钢筋。最近发展了一种波形弯起钢筋，如下图所示，其施工较为简易，而抗剪切及掀起作用较强，有较好的发展前景。
　　
　　2：型钢连接件
　　
　　将型钢用贴角焊缝焊接到钢板上的连接形式。型钢连接件的抗剪强度很大，但在极限状态下可能会发生钢板与混凝土完全分离的情况，另外，由于型钢的焊接量很大，钢板上会产生较大的应变。
　　
　　3：栓钉连接件
　　
　　使用圆柱头的栓钉连接焊接在钢板上承受钢板与混凝土之间的剪力与拔力。它可以承受各个方向的力作用，因此不像其他连接件那样需要考虑受力方向进行设置，在组合钢结构中被广泛采用。栓钉连接件的数量较多，而且焊接质量直接影响刭抗剪能力的强弱，因而制作成本较高。
　　
　　4：开孔钢板连接件
　　
　　即PBL剪力键，它是依靠钢板圆孔中的混凝土承担钢与混凝±之间的作用力的新型连接件。其破坏形式是圆孔中混凝土的破坏，因此不存在疲劳破坏的问题。这种连接件的抗剪性能突出，如果在圆孔中设置贯通钢筋，可以进一步增加连接件的抗剪刚度、强度和延性。
　　
　　 结束语
　　
　　组合钢结构桥梁的建造技术取得了长足的进步。随着新型组合钢结构形式的出现，一些技术问题也出现了，如混合梁斜拉桥的钢混结合段的刚度突变、在运营过程中的疲劳破坏现象，以及如何设计更加方便可靠的剪力连接件，都需要进行更加深入的研究。