组合结构在桥梁工程中的发展现状及前景

(重庆交通大学　重庆　400041)

一、引言

20世纪30年代是欧美各国桥梁技术及其设计理论的一个重要发展时期。组合结构在这一时期开始了研究工作，到20世纪60年代得到广泛应用，建造了大量的各种形式的组合结构桥梁。桥梁采用混凝土与钢上下结合的结构形式由来已久，钢与混凝土组合结构桥梁形式多样，应用范围包括梁式桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥型，既应用于公路桥，也应用于铁路桥。随着理论研究、工程实践的不断发展，组合结构桥梁的使用性能与耐久性、可施工性与经济竞争力等方面获得了长足进步。借助于基础理论的发展以及市场竞争，组合结构桥梁的结构形式与材料指标得以不断优化，新结构与新工艺不断推出。多种结构形式适应了不同的建设需求，结构的简化减少了养护维修工作，快速施工缩短了投资回报期。总之，在西方发达国家，组合结构桥梁依靠其不断提升的技术与经济竞争力获得了巨大发展，并在桥梁建设中占有重要地位。

由两种或两种以上不同受力性质的建筑材料组成的、在荷载作用下具有整体作用、能协同工作的构件成称为组合构件，由组合构件组成的结构称为组合结构。

二、组合结构在桥梁中的发展现状

(一)梁式桥

在西方发达国家的桥梁建设中，组合结构成为最主要的桥梁形式，在欧洲国家尤其如此。这些国家的梁式桥梁中，组合梁展现了优越的技术经济竞争力，应用比例非常高，甚至达到90%以上。其中，结构简洁、施工便捷的组合钢板梁应用最为广泛。当前的组合钢板梁桥技术上有了巨大的进步，由早期的多纵梁、多横梁以及密集的加劲形式，经过大幅简化，发展到以双主梁或少主梁为主流，加劲构件也大幅减少。组合钢箱梁具有抗扭能力强、整体性好、适合曲线以及更能适应大跨等特点，已有大量的公路、铁路桥梁应用实例。在铁路桥梁以及山区公路桥梁中，组合钢桁梁桥也有着较多的应用实例。除了组合钢板梁、组合钢箱梁及组合钢桁梁三种典型结构之外，波折腹板组合箱梁桥与钢桁腹杆组合梁桥是20世纪80～90年代出现的结构形式。利用钢结构取代混凝土箱梁的腹板，从而达到改善力学性能与减轻上部结构自重的目的，也是组合结构桥梁发展中的有益探索。

(二)大跨度桥梁

组合梁在斜拉桥、悬索桥和拱桥中都有大量的工程应用，但不同类型的组合梁在三种大跨度桥梁中的应用水平和广泛程度差别较大，这与不同体系桥梁的力学性能、工程需求、技术发展等多方面的因素有关。不言而喻，斜拉桥、悬索桥和拱桥三者加劲梁受力性能的差异是最为重要的影响因素。

从斜拉桥的应用来看，组合钢板梁的抗风能力较弱，随着斜拉桥跨度的增加，需要采用组合钢箱梁来提高桥梁的抗风性能。从目前的工程实践看，需要承受巨大压力的斜拉桥加劲梁，最能发挥混凝土桥面板的抗压优势，因此组合梁在斜拉桥中应用最为广泛，面对不同的建设条件和功能要求，都有合适的加劲梁形式可以选用。

从悬索桥的应用来看，随着正交异性钢桥面板结构的发明，早期混凝土行车道板置于钢梁上的结构形式被取代，采用正交异性钢桥面板的钢梁几乎成了大跨度悬索桥的唯一选择。组合梁作为悬索桥的加劲梁多用于中小跨度的悬索桥。从工程技术与经济角度看，组合梁用于大跨度悬索桥，主要目的在于以混凝土桥面板替代存在疲劳损伤风险的正交异性钢桥面板，组合梁混凝土桥面板的抗压优势得不到发挥，较大的结构自重对经济性的不利影响随跨度增加而增加。从目前的工程应用看，组合梁在大跨度悬索桥中的应用较少，但在一些建设条件和环境条件下，组合梁在悬索桥中仍然可以展现技术与经济优势，具有一定的应用前景。

从拱桥的应用来看，采用组合梁(组合桥面结构)的拱桥，尽管在国内应用较少，但在欧洲等发达国家有着大量的应用。这些国家在系杆拱桥和中承式拱桥中，多采用钢梁为纵横梁格体系的组合钢板梁，混凝土桥面板与钢梁结合后参与承受桥面结构的弯曲作用及系杆拱桥的水平拉力作用；在上承式拱桥中，主梁也多采用组合梁。特别是采用组合桥面结构的系杆拱桥，在欧洲有着广泛的应用，跨度小到100m以下、大到接近300m都有工程应用。现代的系杆拱桥通常考虑混凝土桥面板参与承受拱脚的水平分力作用，桥面板不设预应力束，和梁式桥一样采用允许桥面板开裂、限制裂缝宽度的设计方法。

三、组合结构在桥梁中的应用前景

进入21世纪以来，随着我国社会经济的快速发展，我国的桥梁建设条件已经发生了巨大变化。按照目前的钢材和劳动力等价格水平，组合结构桥梁已经具备了获得经济竞争力的基础，无论从工程造价以及全寿命经济性角度，有必要大力发展并推广应用组合梁桥。尽管我国在组合结构桥梁的研究与实践方面与发达国家存在差距，面对未来的桥梁建设需求，组合梁桥具有广阔的应用前景。对于斜拉桥，就目前的工程实践来看，其跨度未获得大幅的增长，但采用传统混凝土桥面板的组合梁斜拉桥，仍然有着较大的发展空间。对于组合梁悬索桥，其主要问题就是经济性，若工程造价不是决定方案取舍的唯一条件，在一定程度上，组合梁悬索桥仍然具有一定的应用空间。

四、结束语

组合结构具有良好的受力性能和很好的综合效益，应用前景广阔。工程实践证明组合结构符合我国基本建设的国情，有利于促进国民经济建设的发展。尽管组合结构近年来取得了长足的发展，但是，如何更好地发挥其在工程结构中的优势需要政府主管部门、设计和施工单位取得更广泛的共识。