钢—混凝土组合梁结构的发展概况及其在桥梁中的应用

牛云峰

摘 要： 近年来，钢—混凝土组合梁结构形式越来越多地应用于桥梁建设中。本文围绕钢—混凝土组合梁结构设计和应用进行有关研究，了解现有结构的受力状态，分析结构受力特征，分析了钢—混凝土组合梁结构的发展现状及其需要进一步研究的问题，并提出了合理的设计建议。

关键词： 钢—混凝土连续组合梁桥;构件连接;优缺点;应用;发展展望

【中图分类号】TU398.9     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）23-0114-01

1 组合结构的发展和工程应用

钢—混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型的结构，主要有压型钢板组合板、组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土和外包钢混凝土等五类。

（1）钢板与混凝土组合板：压型钢板与混凝土组合板的特点是利用混凝土造价低、抗压强度高、刚度大等特点，作为板的受压区，而受拉性能好的钢材放在受拉区，代替板中受拉纵筋，使两种材料合理受力，各得其所，两种材料都能发挥各自的特点。

（2）混凝土组合梁：钢—混凝土组合梁是将钢梁与混凝土板组合在一起的梁，具有抗疲劳性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强刚度的优点，已被广泛应用于高层建筑、桥梁结构、多层工业厂房及结构的加固与修复等方面。

（3）型钢混凝土：型钢混凝土是在钢筋混凝土内含型钢的结构，与钢结构和钢筋混凝土相比具有许多优点，在工程中得到了广泛的应用。由于型钢混凝土与钢结构相比更耐久、更耐火，与钢筋混凝土相比施工方便、延性好，使之越来越多地应用于工程实践。

（4）钢管混凝土：由于钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好、抗震性能好等优点，因此，广泛应用于高层和超高层建筑、桥梁结构、空间结构、单层和多层工业厂房柱等建筑。

（5）外包钢混凝土：外包钢混凝土结构与钢筋混凝土结构性相比具有节省模板、降低造价和缩短工期的优点，与钢结构相比具有刚度好、耐火性能好和减小防锈面积等优点。

2 钢—混凝土梁组合结构的优缺点

由于组合梁能按各组成部件所处的受力位置和特点，较大限度地充分发挥出钢与混凝土各自材料的特性，不但满足了结构的功能要求，而且还有较好的技术经济效益。

2.1 组合梁有以下的优点：（1）施工快速方便、不中断现况交通。（2）实践表明，组合梁方案与钢结构方案相比，可节省钢材20—40%，每平方米造价可降低10—40%。（3）组合梁方案与钢梁方案相比，截面刚度大，梁的挠度可减少1/3—1/2;此外，还可提高梁的自振频率。（4）组合梁方案与钢梁或钢筋混凝土梁方案相比，可减少结构高度，增加净空高度。（5）组合梁方案由于它的整体性强，抗剪性能好，表现出良好的耐震性能。（6）组合梁施工中可以利用钢梁作混凝土板的模板支承，以节约支承用的木材或钢材。

2.2 组合梁不足之处主要表现为：（1）耐火等级差，对耐火要求高的结构，需对钢梁涂刷耐火涂料。（2）压型钢板组合板的连接性能不好，焊接质量不易保证，还存在焊接栓钉、镀锌可焊性很差等施工问题。

3 钢一混凝土组合梁结构在桥梁设计中的应用

混凝土组合梁桥是一种新型结构，目前我国在这方面尚没有成熟的设计理论和规范，其设计和施工都处于探索之中。

3.1 连续组合梁桥的一般特点

（1）钢梁通过连接件叠合混凝土翼板形成组合梁后，抗弯能力及截面刚度均比原来钢梁大有提高。

（2）单跨简支组合梁在工作的时候，一般的情况是跨中截面所承受的弯矩大而剪力小（或为零），支座截面所承受的剪力大而弯矩为零，故可分别按纯弯或纯剪条件来设计截面。

（3）单跨简支组合梁，因为有混凝土翼板对钢梁上翼缘起侧向扶持作用，可以不考虑整体稳定问题。

3.2 连续组合钢箱梁桥的一般设计方法

（1）钢箱梁的设计

钢箱梁一般都是在工厂制作，运输到施工现场进行吊装就位。因而，考虑到工厂预制条件、运输及吊装能力，一般在顺桥向根据桥梁长度将主梁分为几个制作段，纵向设置横隔板以减少畸变变形的影响，保证其整体受力性能;在横桥向设置横系梁，以保证各个箱体共同受力及桥梁整体稳定性。腹板一般做成内外不等高来实现桥面横坡，也有把腹板设计成槽形波纹钢板，以进一步减轻桥梁自重。

（2）桥面板的设计

根据施工方法的异同，可将组合梁的桥面板分为预制和现浇两种。预制预应力混凝土桥面板通过在纵向施加预应力，来提高桥面板的耐久性，加强预制块之间的连接以及满足连续梁支点负弯矩处抗弯承载力的要求。现浇桥面板的整体性好，并且与钢梁及剪力连接件之间的粘接效果良好，加快了施工进度，但桥面板整体稳定性不如前者好。

（3）抗剪连接件的设计

组合梁受力的关键所在是钢梁和混凝土板连接部位的抗剪连接件，该处受力复杂又是容易产生疲劳破坏的地方，特别是在组合梁负弯矩区工作的钢筋混凝土板，因为要承受拉应力，如果不施加预应力，则必须充分保证抗剪连接件的安全度。常见的机械连接件形式有栓钉、型钢和钢筋三种，设计时应根据不同的情况（如纵向剪力的大小及方向等）选用不同形式的连接件。

4 钢—混凝土梁组合结构需要进一步研究的问题

目前，钢—混凝土组合梁结构已被列入国家科技成果重点推广项目，为更好地规范和推广组合结构，需要进一步对以下问题进行研究：组合结构在复杂受力状态下的性能及设计方法研究，温度、徐变和收缩效应及残余應力的影响研究，组合结构的整体性能和施工力学问题研究，开展梁柱节点构造、构件及其节点制造的标准化和组合结构体系的性能研究等。

5 对钢—混凝土梁组合结构进一步发展的展望

由于钢—混凝土组合梁结构具有诸多的优点，近年来在我国已取得了较大的发展，广泛应用于各类建筑结构中，具有广阔的发展前景，工程实践表明，推广该类结构符合我国的基本建设国情和建筑结构技术发展方向。尽管如此，还需要进一步加大投入，就如何更好地发挥组合结构在工程结构中的优势进行深入研究，并应尽快出台完整的钢—混凝土组合结构设计规程，以促进钢—混凝土组合结构设计更加规范化。

参考文献

[1] 赵鸿铁编著：钢与混凝土组合结构.上海：科学出版社，2001.

[2] 聂建国：国内钢—混凝土组合梁的研究及其应用综述[J].工程力学，2001（sup）：182—190.

[3] 杨义东，李涛：钢—混凝土组合结构桥在日本的发展趋势[J].国外桥梁，1998（4）：39—42.

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