組合結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

(重慶交通大學(xué)　重慶　400041)

一、引言

20世紀(jì)30年代是歐美各國橋梁技術(shù)及其設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重要發(fā)展時(shí)期。組合結(jié)構(gòu)在這一時(shí)期開始了研究工作，到20世紀(jì)60年代得到廣泛應(yīng)用，建造了大量的各種形式的組合結(jié)構(gòu)橋梁。橋梁采用混凝土與鋼上下結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式由來已久，鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁形式多樣，應(yīng)用范圍包括梁式橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型，既應(yīng)用于公路橋，也應(yīng)用于鐵路橋。隨著理論研究、工程實(shí)踐的不斷發(fā)展，組合結(jié)構(gòu)橋梁的使用性能與耐久性、可施工性與經(jīng)濟(jì)競爭力等方面獲得了長足進(jìn)步。借助于基礎(chǔ)理論的發(fā)展以及市場競爭，組合結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式與材料指標(biāo)得以不斷優(yōu)化，新結(jié)構(gòu)與新工藝不斷推出。多種結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)了不同的建設(shè)需求，結(jié)構(gòu)的簡化減少了養(yǎng)護(hù)維修工作，快速施工縮短了投資回報(bào)期?？傊?，在西方發(fā)達(dá)國家，組合結(jié)構(gòu)橋梁依靠其不斷提升的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)競爭力獲得了巨大發(fā)展，并在橋梁建設(shè)中占有重要地位。

由兩種或兩種以上不同受力性質(zhì)的建筑材料組成的、在荷載作用下具有整體作用、能協(xié)同工作的構(gòu)件成稱為組合構(gòu)件，由組合構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)稱為組合結(jié)構(gòu)。

二、組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的發(fā)展現(xiàn)狀

(一)梁式橋

在西方發(fā)達(dá)國家的橋梁建設(shè)中，組合結(jié)構(gòu)成為最主要的橋梁形式，在歐洲國家尤其如此。這些國家的梁式橋梁中，組合梁展現(xiàn)了優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭力，應(yīng)用比例非常高，甚至達(dá)到90%以上。其中，結(jié)構(gòu)簡潔、施工便捷的組合鋼板梁應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)前的組合鋼板梁橋技術(shù)上有了巨大的進(jìn)步，由早期的多縱梁、多橫梁以及密集的加勁形式，經(jīng)過大幅簡化，發(fā)展到以雙主梁或少主梁為主流，加勁構(gòu)件也大幅減少。組合鋼箱梁具有抗扭能力強(qiáng)、整體性好、適合曲線以及更能適應(yīng)大跨等特點(diǎn)，已有大量的公路、鐵路橋梁應(yīng)用實(shí)例。在鐵路橋梁以及山區(qū)公路橋梁中，組合鋼桁梁橋也有著較多的應(yīng)用實(shí)例。除了組合鋼板梁、組合鋼箱梁及組合鋼桁梁三種典型結(jié)構(gòu)之外，波折腹板組合箱梁橋與鋼桁腹桿組合梁橋是20世紀(jì)80～90年代出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式。利用鋼結(jié)構(gòu)取代混凝土箱梁的腹板，從而達(dá)到改善力學(xué)性能與減輕上部結(jié)構(gòu)自重的目的，也是組合結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展中的有益探索。

(二)大跨度橋梁

組合梁在斜拉橋、懸索橋和拱橋中都有大量的工程應(yīng)用，但不同類型的組合梁在三種大跨度橋梁中的應(yīng)用水平和廣泛程度差別較大，這與不同體系橋梁的力學(xué)性能、工程需求、技術(shù)發(fā)展等多方面的因素有關(guān)。不言而喻，斜拉橋、懸索橋和拱橋三者加勁梁受力性能的差異是最為重要的影響因素。

從斜拉橋的應(yīng)用來看，組合鋼板梁的抗風(fēng)能力較弱，隨著斜拉橋跨度的增加，需要采用組合鋼箱梁來提高橋梁的抗風(fēng)性能。從目前的工程實(shí)踐看，需要承受巨大壓力的斜拉橋加勁梁，最能發(fā)揮混凝土橋面板的抗壓優(yōu)勢，因此組合梁在斜拉橋中應(yīng)用最為廣泛，面對不同的建設(shè)條件和功能要求，都有合適的加勁梁形式可以選用。

從懸索橋的應(yīng)用來看，隨著正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)的發(fā)明，早期混凝土行車道板置于鋼梁上的結(jié)構(gòu)形式被取代，采用正交異性鋼橋面板的鋼梁幾乎成了大跨度懸索橋的唯一選擇。組合梁作為懸索橋的加勁梁多用于中小跨度的懸索橋。從工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度看，組合梁用于大跨度懸索橋，主要目的在于以混凝土橋面板替代存在疲勞損傷風(fēng)險(xiǎn)的正交異性鋼橋面板，組合梁混凝土橋面板的抗壓優(yōu)勢得不到發(fā)揮，較大的結(jié)構(gòu)自重對經(jīng)濟(jì)性的不利影響隨跨度增加而增加。從目前的工程應(yīng)用看，組合梁在大跨度懸索橋中的應(yīng)用較少，但在一些建設(shè)條件和環(huán)境條件下，組合梁在懸索橋中仍然可以展現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，具有一定的應(yīng)用前景。

從拱橋的應(yīng)用來看，采用組合梁(組合橋面結(jié)構(gòu))的拱橋，盡管在國內(nèi)應(yīng)用較少，但在歐洲等發(fā)達(dá)國家有著大量的應(yīng)用。這些國家在系桿拱橋和中承式拱橋中，多采用鋼梁為縱橫梁格體系的組合鋼板梁，混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合后參與承受橋面結(jié)構(gòu)的彎曲作用及系桿拱橋的水平拉力作用；在上承式拱橋中，主梁也多采用組合梁。特別是采用組合橋面結(jié)構(gòu)的系桿拱橋，在歐洲有著廣泛的應(yīng)用，跨度小到100m以下、大到接近300m都有工程應(yīng)用?，F(xiàn)代的系桿拱橋通?？紤]混凝土橋面板參與承受拱腳的水平分力作用，橋面板不設(shè)預(yù)應(yīng)力束，和梁式橋一樣采用允許橋面板開裂、限制裂縫寬度的設(shè)計(jì)方法。

三、組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用前景

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的橋梁建設(shè)條件已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。按照目前的鋼材和勞動(dòng)力等價(jià)格水平，組合結(jié)構(gòu)橋梁已經(jīng)具備了獲得經(jīng)濟(jì)競爭力的基礎(chǔ)，無論從工程造價(jià)以及全壽命經(jīng)濟(jì)性角度，有必要大力發(fā)展并推廣應(yīng)用組合梁橋。盡管我國在組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究與實(shí)踐方面與發(fā)達(dá)國家存在差距，面對未來的橋梁建設(shè)需求，組合梁橋具有廣闊的應(yīng)用前景。對于斜拉橋，就目前的工程實(shí)踐來看，其跨度未獲得大幅的增長，但采用傳統(tǒng)混凝土橋面板的組合梁斜拉橋，仍然有著較大的發(fā)展空間。對于組合梁懸索橋，其主要問題就是經(jīng)濟(jì)性，若工程造價(jià)不是決定方案取舍的唯一條件，在一定程度上，組合梁懸索橋仍然具有一定的應(yīng)用空間。

四、結(jié)束語

組合結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能和很好的綜合效益，應(yīng)用前景廣闊。工程實(shí)踐證明組合結(jié)構(gòu)符合我國基本建設(shè)的國情，有利于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。盡管組合結(jié)構(gòu)近年來取得了長足的發(fā)展，但是，如何更好地發(fā)揮其在工程結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢需要政府主管部門、設(shè)計(jì)和施工單位取得更廣泛的共識(shí)。