《广义结构力学及其工程应用》 陈燊 -15

第15章 组合结构与索结构§15.1 梁桁组合结构梁桁组合桥是一种常见的组合结构（图15.1.1），由刚性的实腹梁和桁架组合而成，分上承式和下承式。

组合结构的构件可以用同一材料，也可用不同材料制成。

实腹板梁与桁架如图其上弦根据梁的使用场合及其弯矩图，相应布置折线形桁架加劲，可形成力学性能合理的梁桁组合结构，如图15.1.3所示伸臂梁桥，最大桁高位置与支点一致，用以抵抗负弯矩。

图15.1.3 梁桁组合伸臂梁桥图15.1.4a 是一次超静定梁桁组合结构，由链杆加劲梁式杆，用于结构加固尤为简便。

在超静定结构中，由于链杆的作用，使梁式杆的弯矩减小，从而达到减轻结构自重、增加刚度的目的。

梁桁组合结构的构件，可按受力性能的不同选用合适的材料以充分发挥其作用。

梁式杆可以是钢筋混凝土材料或钢材，可以是实体梁或桁架梁。

图15.1.4b 所示用于高架桥箱型梁混凝土现浇的施工膺架，一次超静定。

该梁式杆即所谓“拆装梁”桁架，加劲链杆中竖杆采用槽钢作压杆，斜杆和下弦杆采用螺纹钢作拉杆，便于施加预应力（见§17.2）。

刚性梁和柔性拱相组合的预应力混凝土结构，在上世纪60年代的我国铁路桥上就已出现（图15.2.1），拱与梁的刚度比为1/108。

此外，还有柔性系杆刚性拱和刚性系杆刚性拱，以及单跨和连续的梁拱（或拱梁）组合结构体系。

1992年建造的九江长江大桥主跨就是以柔拱加劲的双层连续钢桁梁桥（图15.2.2）。

图15.2.1 梁拱组合体系图15.2.2 柔拱加劲连续钢桁梁拱与梁的组合形成了新的结构体系，使拱与梁在受力方面的优点得以充分发挥，并呈现美观的造型和优良的技术经济指标。

因其结构轻巧且可以做成外部无推力，故也适用于软弱地基。

现代梁拱组合桥的发展，得益于预应力技术和施工工艺的更新。

三跨连续形式的梁拱组合桥适用于较大跨度的城市桥梁，当今备受重视。

从结构内部受力情况看，荷载在拱与梁中产生的内力大部分转变为它们之间所形成的自平衡体系的相互作用力，拱推力与梁的纵向拉力相互作用，拱与梁截面的总弯矩等效为主要由拱受压，梁受拉的受力形式，剪力则主要成为拱压力的竖向分力，即拱内的轴向力将分担梁的剪力。

下承式连续梁拱组合桥（图15.2.3）的拱不是加强连续结构的中支点截面，而是通过对中孔（类似系杆拱）的加强使内力重分布，以降低中孔加劲梁的建筑高度，并将荷载由拱直接传递到支点。

中承式连续梁拱组合桥（图15.2.4）在弯矩较大的跨中和中支点处，拱（压）与梁（拉）的相对距离增大，形成最佳的抗弯受力状态，而在剪力最大的中支点处，拱轴线与水平线呈最大倾角，拱压力的竖向分力有效平衡了剪力。

采用钢管混凝土之后，不仅使拱的施工方法得以简化，而且通过减小混凝土收缩、徐变，改善了拱与桥梁整体长期变择。

该结构型式相当于空腹的变截面连续梁（或是设置大角度V型墩的连续梁），恒载作用下对支墩的水平推力很小。

这种梁拱组合加强了中支点，只要矢跨比适当，拱压力及加劲梁的拉力将有效地抵抗支点处的负弯矩，也减少了拱对墩的推力，而且在跨中段可以梁拱合一获得最小的建筑高度。

在跨径较大时，拱的矢跨比对连续梁拱组合桥的力学性能影响很大，§15.3梁与索的组合实际上等于在梁结构上方增加了许多中间弹性支承，使梁的弯矩显著减小，因此在不增加梁截面高度的情况下，大大增加了组合结构的跨越能力，如特大跨度的斜拉桥和悬索桥。

●斜拉桥斜拉桥用斜拉索（或斜拉杆）支承梁板桥面系，结构体系由斜拉索、墩塔和主梁所组成。

用高强钢材制成的斜拉索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔，再通过墩基传至地基。

大跨度的主梁就象一根多点弹性支承（吊起）的连续梁一样工作，可大大减小主梁尺寸，减轻自重和节省材料，又大幅度提高桥梁本身的跨越能力。

斜拉桥的结构体系按其斜索、墩塔和主梁三者的不同结合方式可分为：悬浮体系（主梁仅在梁端设支座）、支承体系（主梁在中间塔墩上也设支座）、塔梁固结体系（主梁与塔固结，力学上固困难）(a) 辐射式(b) 竖琴式(c) 扇形布置塔柱主要承受轴力，即斜索的竖向分力，同时还要承受因车辆活载、温度变化等因素导致两侧不平衡斜索水平分力所引起的弯矩作用。

对于单塔单索面结构，还应保证塔柱的抗风稳定性。

A型和倒有利于分担斜索的水平分力，便于养护和减少行车噪音，但自重大。

混凝土斜拉桥主梁的截面型式有板式和半封闭式箱型，后者抗风性能好；对于单索面，则需要抗扭刚度大的单箱多室截面。

1991年建成的挪威斯卡恩圣特桥是跨度最大的双索面混凝土箱梁斜拉桥（主跨530m）。

1993年建成的上海杨浦大桥曾是世界最大跨度的结合梁斜拉桥（主跨为602m），2002年被福建闽江青州大桥超过（主跨605m）。

1994年法国诺曼底大桥（主跨856m的混合梁斜拉桥）、1999年日本多多罗大桥（主跨890m的钢箱梁斜拉桥）后来居上。

不久前动工的我国苏通斜拉桥将以主跨1040m再次向世界纪录发起冲击。

值得一提的是，近几年出现一种将斜拉体系应用于大跨度屋盖的组合结构形式。

斜拉体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构（主梁、桁架、平板网架等）提供了一系列中间弹性支承，使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度，从而达到节省材料的目的。

由于建造塔柱以及所需的边缘锚杆和受拉基础要增加造价，所以斜拉屋盖体系最适用于大跨度的多跨建筑，或虽为单跨但没有适当附跨的建筑（如收费站、停车棚），使塔柱两侧均可敷设斜拉索，或采用倾斜单塔以减少塔柱单向受力，保持塔顶平衡，这种受力体系在桥梁上已有成功的应用（图15.3.4）。

图15.3.4 荷兰鹿特丹马斯河桥●悬索桥悬索桥也称吊桥（图15.3.5），是一种最适合于大跨度的桥梁型式。

悬索桥承重主要靠大缆（主索），通过密布的吊杆，悬吊加劲梁和桥面系；大缆由高塔提供中间支承，大缆两端用锚碇固定。

锚碇用大体积的混凝土做成，或深埋于地下，其地面上的外形和桥台相似（也称锚台）；或在地面浇注三角块（图15.3.6），凭着锚块混凝土的重量，抵抗大缆的竖向分力，凭着锚碇底面与地基的摩擦力，抵抗大缆的水平分力；或在桥端附近山体中开挖隧道，然后灌注混凝土做锚碇。

这种传统的“地锚式”悬索桥多为“三跨简支”或“三跨连续”。

图15.3.5 传统三跨悬索桥此外，还有“自锚式”的悬索桥。

1990年建成的日本此花大桥是世界上第一座自锚体系、单主缆、斜吊索悬索桥（图15.3.7）。

该桥省去巨大的锚碇基础，而将主缆锚于加劲梁端部节段特殊设计的锚固梁上。

自锚索相当于为三跨连续加劲梁配置一根加大偏心距的体外预应力索。

单索面的斜吊索在加劲梁纵轴线上设置，形成一榀柔性的三角形“桁架”，有助于提高桥面刚度和增加动阻尼，颇具特色。

双层桥面结构的韩国汉城水受大桥也是一座自锚体系悬索桥，主缆在空间的曲线变化是该桥的主要特征。

两根主缆索在A型塔顶靠拢，到跨中分开在桥面两侧，主缆索锚固在加劲桁梁上。

图15.3.7 单索面自锚体系悬索桥古代吊桥有竹索桥、藤网桥和铁索桥（如泸定桥），多用索面支承桥面，由于受缆索曲线的限制，桥面难于通行，现代吊桥都已改用高强钢缆悬吊平直桥面。

吊桥纤细轻柔，下挠量较大，而且风荷载引起的桥面不对称扭转振动，有可能损毁结构。

直到桥梁工程界认识到重力刚度的意义和吊桥的气动弹性特性，才对吊桥恢复了信心。

吊桥的主要承重构件除了大缆、塔和锚碇外，还靠加劲梁来增加刚度，传递荷载。

可供选择的加劲梁主要有钢桁架梁和扁平钢箱梁。

目前仍保持吊桥跨度世界纪录（主跨1990米）的日本明石海峡桥就是用钢桁架加劲的公铁两用双层悬索桥。

近十年来，中国建造现代悬索桥技术突飞猛进，已跃居世界前列。

近来桥梁工程界提出一种悬索与斜拉索组合体系，也称吊拉组合体系，前不久竣工的我国贵州乌江大桥作了一次有益的尝试。

这种将自锚式的斜拉桥与地锚式的悬索桥两种体系结合在一起的方法，为扩大桥梁跨度开辟了新的途径。

土耳其即将修建的跨度为600m+2000m+200m的伊兹米特海湾桥就取这种方案。

边孔及中孔靠边孔的600m范围内用斜拉索承重，不设竖直吊杆（吊索）；而中孔跨中800m范围内用悬索承重，不设斜拉索。

§15.4 组合网架空间网格结构可以分为平板型（网架结构）和曲面型（网壳结构）两类。

它不仅包括铰结体系，也包括刚结体系。

网架结构是空间铰结杆系结构，其弦杆层数一般是双层的，在某些情况下也可做成三层（或多层）；而网壳有单层和双层两种，当单层网壳结构的单元尺寸和整体尺寸相比较小时，结构大多具有连续体性质。

双层网架结构的形式很多，其中平面桁架系网架是由平面桁架交叉组成（图15.4.1），其基本单元为一对平行等长的上下弦杆和一对等长的竖腹杆及一根斜腹杆组成，位于同一垂直平面内。

一般设计为斜腹杆受拉，竖杆受压。

斜腹杆与弦杆夹角宜在40°～60°之间。

常见有：两向正交正放、两向正交斜放、两向斜交斜放和三向（按60°相互交叉）网架等图15.4.1 平面桁架系网架此外还有四角锥体系网架和三角锥体系网架（图15.4.2、图15.4.3）。

网架的选型应根据建筑平面形状和跨度大小、网架的支承方式、荷载大小、屋面构造和材料、制作安装方法而板的自重也作为一种荷载加于网架节点上，板本身并不参与网架结构受力。

实际上，钢筋混凝土板可能参与网架结构的工作，如把板代替网架的钢上弦杆，就形成了有钢筋混凝土上弦板和钢腹杆及下弦杆的组合结构，称为组合网架（图15.4.4）。

组合网架的类型可按相应由于钢筋混凝土板有一定的抗弯刚度，面内刚度很大，因此组合网架在荷载作用下的挠度，比相同条件下的网架要小得多，钢腹杆和弦杆的内力也小许多。

可见组合网架可承受更大的荷载或可建设更大跨度的结构，在相同荷载条件下，建筑高度可比一般网架矮。

也就是说，组合网架具有刚度大、自重轻的特点。

此外，板的抗弯刚度与荷载大小有关，设计时应根据结构所受荷载和跨度的大小，选用合理的板厚、肋高、网架高，应使钢筋混凝土板与钢腹杆及下弦杆等强。

组合网架不仅使钢材和混凝土两种不同材料充分发挥各自的强度优势，又使结构的承重和围护功能合二为一，是近十几年来具有发展前途的一种结构形式，适宜于建造荷载较大的大跨度楼层结构，如仓库、厂房、百货公司、展览厅等建筑。

组合网架是从网架演变而来的，其荷载计算同网架。

有限元分析法是组合网架计算方法中最精确的计算方法，它把组合网架离散成板壳元、梁元和杆元等有限个在结点上彼此相连的单元。

各结点必需满足平衡条件和变形协调条件，以建立组合网架的总刚度方程，从而求得位移值和各单元内力。

§15.5 杆板壳结构杆、板、壳及其组合结构的工程应用相当广泛。

此类结构的力学行为从理论上说是三维弹性力学的一类特殊问题。