钢桁架-混凝土组合桥梁发展展望

钢桁架-混凝土组合桥梁发展展望
摘要：钢桁架-混凝土组合桥梁是组合结构桥梁的一个重要分支。

虽然我国的组合结构桥梁起步较晚，钢桁架-混凝土组合桥梁更是少之又少，但与传统的钢箱梁和混凝土梁相比，采用钢桁架结构能够显著降低结构自重，提高跨越能力，抗风性能更好，经济效益更佳，并且能够兼具美学功能。

因此，组合结构桥梁，特别是钢桁架-混凝土组合桥梁在国内具有广阔的发展空间。

关键词：组合结构，钢桁架，布置形式，受力特点
伴随着我国经济社会的迅猛发展，人们对于便捷交通的需求更加强烈，从而促使交通运输事业也进入了一个全新的历史发展阶段。

特别是由于有限的土地资源越来越紧张，桥梁在整个交通工程中所占的比例越来越高。

仅以我国新建的几条高速铁路为例，90%以上的线路都是采取了高架桥的形式。

而在跨越河流、山谷或其他线路时，桥梁的作用依然无法替代。

但是由于桥梁工程耗资巨大而我国目前的经济实力有限，我们在建设桥梁工程时必须综合考虑建设的需求和目前的经济实力、技术水平等诸多因素。

对于目前中国的城市桥梁而言，节省空间、降低建设周期、造型美观是我们在设计建设时需要考虑的最主要三大因素。

城市空间有限，无论是桥梁本身还是建造过程中所占的空间资源都是相对较小的。

而且在建设过程中断交施工对城市交通的影响极大，极容易造成交通拥堵。

同时在我们不断改造城市面貌的过程中，桥梁对于城市的装饰作用日趋明显，许多造型优美的桥梁成为了城市的地标性建筑。

所以城市桥梁既要节约空间施工简便，又要造型优美。

自从1824年波特兰水泥发明以来，混凝土结构以及钢筋混凝土结构长期占据着桥梁建设材料的主要地位。

而随着桥梁跨径的不断扩展，钢材以其优越的力学性能逐步成为大跨径桥梁的主要材料。

然而混凝土造价低廉的特点一直是钢材无法替代的。

如何充分发挥混凝土和钢材各自的材料优势，进一步满足桥梁的功能需求，降低工程造价，正在成为摆在桥梁工程师面前的一个重要课题。

组合结构桥梁概念的提出正是基于对工程实际需求的考虑，解决单一结构形式存在的弊病而衍生出来的新的桥梁结构形式。

将抗拉性能强的钢材、抗压性能强的混凝土，分布合理地用在构件的拉伸区及其压缩区，最大限度地追求高性能、经济性是钢与混凝土组合结构的设计原则。

将两种材料合理地加以组合后，从经济性来看要优于单纯的钢结构或者混凝土结构。

钢-混组合结构最大的技术特点是组合后的性能已经超过两种材料各自的力学性能。

钢材处于拉伸区域时，其强度与延展性能能更好发挥，但当处于压缩区域时，由屈曲强度决定。

而混凝土失稳特点是比钢材便宜、自重大、抗压强度较大而抗拉强度显著小，脆性大。

因此，两者在力学上的组合主要表现在钢材与混凝土的互相支撑作用。

钢-混组合结构的力学性能不仅受到自身材料性质的影响，而且与接合面的连接形式有很大关系。

选择连接形式时要考虑结构性能的要求、施工条件，同时要充分考虑接合面的受力特点。

在众多的组合结构桥梁形式中，组合桁架桥是一种特别的结构形式。

钢桁架-混凝土组合结构桥梁与传统的混凝土箱梁桥以及其他形式的组合梁桥相比，具有其自身独特的技术优势：
（1）与传统的预应力混凝土箱梁桥相比，钢桁架替代混凝土腹板和底板，桥梁结构自重显著降低，同时也避免了混凝土的开裂以及老化等问题，采用工厂化预制拼装施工，大幅度降低建设周期，有利于节约成本提高效益；
（2）与波纹钢腹板梁桥相比：钢桁架杆节点集中，制造安装方便，现场安装的工作量小；型钢或钢管的屈曲临界荷载一般也大于波纹钢腹板；从日本的经验来看，波纹钢腹板梁桥的适宜跨径为60~100m，而钢桁架-混凝土组合桥梁的适宜跨径为80~150m，因此后者更适合于中等跨径与大跨径的桥梁结构；
（3）与钢箱-混凝土组合梁桥相比：现场安装的工作量大大减少，且能避免使用厚钢板带来的技术问题。

另外，桁架杆构造的通透性，既可以减少风力作用、提高结构的抗风性能，也能为后期维护和修缮提供便利。

总体来看，变截面连续钢桁架-混凝土组合桥梁具有如下的特点：
（1）能有效地减少桥梁结构的自重，提高跨越能力，降低工程造价；
（2）设计的自由度大，钢桁架的布置灵活多样，可兼顾美观和经济；
（3）可以降低风力作用，提高结构的抗风性能；
（4）钢桁架采用预制拼装的施工方式，施工速度快，钢桁架为上部施工提供支持，可以节省模板；
（5）结构型式简洁，通透性好，有比较好的美学效果，并且有利于增加各种景观装饰。

综上所述，钢桁架-混凝土组合梁桥具有受力明确、自重轻、造型美观、施工方便等特点[5]，并可结合桁架杆的工厂化制造和节段预制拼装等新技术的运用，取得良好的经济技术效益，是大中跨径桥梁中一种有竞争力的桥型。

当然，钢桁架-混凝土组合桥梁也有其缺点，主要有以下几方面：1、全桥范围内剪力连接件的设置问题；2、小尺寸构件加工与安装难度大；3、受温度效应收缩徐变等作用的影响大等等。

钢桁架组合桥梁的布置形式是多样的，特别是变截面钢桁架组合桥梁不仅有效地提升了跨越能力，而且减小了跨中梁高，增大了桥下净空，更加适用于通航河流上架设的桥梁。

（1）横截面：从横截面布置形式看，钢桁架-混凝土板组合截面主要有如下图所示的几种形式，V形截面图是将底板退化为一根下弦杆，它从外观上看更为轻巧，但其稳定性较差，故V形截面一般用于跨径不大，桥面较窄的桥梁中。

箱形截面又可采用两主桁和多主桁，后者一般用于桥面宽度较大的桥梁中。

横向斜撑的布置形式也可以由如下图的两种形式。

图1箱形截面和V形截面
Fig.1 Box section and V section
（2）钢桁架杆：钢桁架杆可采用型钢，也可以采用钢管。

采用钢管作为桁架杆时，可在受压腹杆中灌注混凝土，形成抗压强度很高的钢管混凝土，从而提高受压杆的抗压能力。

根据需要，也可对受拉腹杆施加预应力，以降低其拉应力水平，甚至可使之维持在压应力状态。

与传统的钢桁架型式不同，现代桁架型式通过减少竖杆，减少横联等措施使得桥梁的结构用钢量大大降低，自重大大降低，造价也随之大减。

（3）纵向布置：从桥型的纵向布置形式来看，主要有等截面和变截面两种形式。

对于一般跨径不大的桥梁或大跨径缆索体系桥梁通常选择等截面，大跨径连续梁、连续刚构等桥型多选择变截面形式。

（4）剪力连接构造：剪力连接件的布置通常有两种形式，一种是沿着上弦杆均匀布置，另一种是间隔的设置群钉连接件。

对于连续结构桥梁，在跨中以及支点负弯矩区段的剪力连接件设置是不一样的，跨中区段一般设置栓钉等柔性连接件，支点负弯矩一般设置PBL或改进的PBL等刚性连接件。

组合结构桥梁在我国起步较晚，钢桁架-混凝土组合桥梁的数量在国内更是少之又少。

研究和发展组合结构桥梁还有很大的空间。

组合结构桥梁，特别是钢桁架-混凝土组合桥梁的在大中跨径桥梁的建设中具有巨大的优势，而且更加符合城市桥梁对于景观的要求。

对于桥梁设计的基本原则它具备着自己独有的特质。

美不是添加在结构上的装饰，而应该是贯穿在设计过程中的理念。

一座美观的桥梁应该是功能的自然体现，具有简洁的结构形式、新颖的造型，与当地历史文化相匹配，与自然环境相协调。

组合结构桥梁对于城市环境的适应性不仅仅体现在它对于“适用、安全、经济、美观”的满足，更重要的是其本质上就是两种结构形式（钢结构与混凝土结构）的融合，这对于体现城市的包容性以及城市发展的多元性有着天然相通的独特气质。

钢筋铁骨的坚毅与人造磐石的厚重相得益彰，现在科技衔接着古代文明，刻画了历史的痕迹，映衬出时代的风采。

任何结构都不是完美无缺的，组合结构也不例外。

作为两种材料的融合，协同工作的性能好坏是整个结构成熟稳定的标志。

连接件的选择和布置形式直接
关系到连接件的工作性能，更关系到结构整体的受力状况。

同时，两种材料的自身弱点也将同时体现在组合结构中。

混凝土受温度影响的内力的变化，收缩徐变的影响，连续结构负弯矩区段受拉等等因素都是不利的，而钢结构的应力松弛、低温脆性等缺点也是值得重视的。

组合结构桥梁的发展给科研和设计人员提供了广阔的舞台。

在进一步整合现有资源，提高物资和人员利用率的基础上，着力发展新型的组合结构桥梁将在今后成为桥梁建设与研究领域内的一大重点。

参考文献：
范立础，顾安邦.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2004
刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2005.
聂建国.钢-混凝土组合结构:原理与实例[M].北京：科学学出版社，2009.
黄生富，刘玉擎. 桁腹式组合结构桥梁的构造特点[A]. 2007年全国桥梁学术会议论文集.
邵长宇. 城市高架组合结构桥梁国际发展概况[J]. 上海公路，2008(1): 28-30
项海帆等编著.桥梁概念设计[M]. 北京：人民交通出版社，2011。