淺析組合結(jié)構(gòu)橋梁
2015-04-03
組合結(jié)構(gòu)是指至少兩種及其以上的建筑材料相互接合在一起，并且形成更加合理的構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)體系。在建筑材料中具有代表性的材料是鋼材和混凝土。材料與材料之間通過粘結(jié)、機械咬合或者連接件相互接合，使組合構(gòu)件能夠共同承擔作用力。
一、組合結(jié)構(gòu)橋梁的概述
組合結(jié)構(gòu)將材料合理地加以組合，充分利用各自材料的優(yōu)點，使得組合后整體的力學性能有所提高。鋼材在拉伸的過程中，其強度和延伸性都能很好的發(fā)揮，但處于壓縮狀態(tài)時，容易失穩(wěn)，由屈曲強度確定，特別是薄鋼板制作的構(gòu)件，材料性能不能完全發(fā)揮；而混凝土材料比鋼材價格低廉，自重較大，抗拉強度小的脆性材料。兩者利用各自優(yōu)勢，相互接合，在力學性能方面表現(xiàn)為，兩者的相互支援補足。
典型的實力即為鋼管混凝土，混凝土柱在外包鋼管的約束下，處于側(cè)向受壓的應力狀態(tài)下，顯著提高了混凝土的抗壓性能，而混凝土的存在，也提高了鋼管的剛度，兩者的有效結(jié)合使得結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力大幅提高，且遠遠高于兩者的單獨疊加效果。
二、組合結(jié)構(gòu)橋梁的分類及其特點
?。ㄒ唬┙M合鋼板梁橋
組合鋼板梁是將鋼板梁和混凝土橋面之間用連接件接合在一起，兩者不能自由發(fā)生相對滑移，共同承擔橋梁縱向彎曲。相對于非組合鋼板梁，其鋼板上翼緣截面面積及梁高可顯著減小，達到節(jié)約組合鋼材的目的，較組合箱梁橋，又具有簡單的結(jié)構(gòu)，便于施工等優(yōu)點，得以廣泛推廣使用。
當主梁為I型鋼具時，材料有很強的抗彎與抗剪強度，截面構(gòu)造也比較簡單。由于I型鋼具的面外剛度比較小，通常要將2根以上的型鋼順著橋梁的縱向排設(shè)，并且使用橫梁、水平及其豎向橫撐等輔助設(shè)施連接稱為一個整體，加強整體穩(wěn)定性，共同承擔橫向和豎向荷載。由于腹板比較薄、容易發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)，常常會在腹板的縱向和支座的端部處焊接加勁肋。
（二）波折腹板組合箱梁橋
波折腹板組合箱梁是由混凝土底板頂板、波折鋼腹板、橫隔板、體外預應力鋼筋或者鋼索等構(gòu)成。采用波折形狀的鋼腹板形成鋼板與混凝土的組合箱梁截面體系，能夠有效地施加預應力。與預應力混凝土箱梁比，箱梁的整體橫向剛度和抗扭剛度都有所減小。
波折腹板的形狀是滿足剪切屈服前不能發(fā)生剪切屈曲且極限荷載作用時亦不能發(fā)生剪切屈曲兩個條件，這種情況下，常常會伴隨波折高度及小的情況發(fā)生，這時需要依靠橋梁的整體橫向剛度等因素綜合確定各尺寸。波折板一般通過冷加工的方式制成，板的彎曲半徑一般要求為板厚的15倍以上，不滿足時要確保鋼材具有足夠的沖擊吸收功同時控制氮元素的含量或者早腹板之間采用螺栓連接加強穩(wěn)定性。
由于將混凝土腹板置換成波折鋼腹板后，板厚減小，抗扭剛度和抗彎剛度都有降低，所以還應在支座處和跨徑內(nèi)增設(shè)橫隔梁增加穩(wěn)定性。
對比預應力混凝土箱梁橋，波折腹板組合箱梁橋有以下幾方面優(yōu)勢：
?。?）自重減輕，下降大約20% ~ 30%
（2）波折腹板在橋梁縱向剛度幾乎為零，大幅提高施加預應力的效率
?。?）波折腹板在橋梁縱向剛度幾乎為零，可以減小混凝土上下翼緣的相互約束，同時減少混凝土的干縮、徐變的影響
（4）波折腹板用波形幾何形狀的腹板代替加勁肋，具有較高的抗剪強度
（5）箱梁腹板制作工廠化，也便于施工
（三）組合桁架橋
桁架是由上下弦桿與腹桿組成的靜定體系，桁架橋的各桿受力僅僅承受軸力。在設(shè)計桁架橋時，通常會在弦桿節(jié)點處設(shè)置橫梁加強橫向聯(lián)系，通過橫梁將力傳遞給主桁，但實際上橋面板在橋梁縱向上有著較大的剛度，可以約束住桁架上弦桿的變形。有效的將兩者結(jié)合起來，考慮他們的組合作用，可以使體系更加趨于合理。
為了式橋梁在壽命期內(nèi)費用最低，在技術(shù)層面我們可以采取一些措施。
通過不設(shè)或少設(shè)非承重桿件來改進承重結(jié)構(gòu)體系。近期的桁架橋的上下弦桿接近一致的截面尺寸和板厚、加長每根桿件的長度同時減少接頭、采用預應力技術(shù)等措施來盡可能少設(shè)主桁間的橫縱梁。這樣不僅使構(gòu)件加工費用降低，同時減少了后期的維護費用。
實行多跨連續(xù)梁體系并不設(shè)或少設(shè)伸縮縫。遮掩可以提高橋梁的行車舒適性和橋面的耐久性。設(shè)置體外索使應力便于控制，又易于維修。
改善節(jié)點設(shè)計，采用高強螺栓。近年來高強螺栓在現(xiàn)代桁架橋中已經(jīng)廣泛應用，工廠化的施工可以減少工作量。腹桿和弦桿之間采用對接方式連接也在逐漸普及，對接連接可以把腹桿的翼緣及其腹板都與弦桿直接連接，這樣傳力更加明確，但要考慮軸力和彎矩的共同作用。
桁架桿與混凝土橋墩固結(jié)，提高抗震能力。鋼構(gòu)體系的形成，不僅減少了支座制造維修費用，還可以減少主桁架的負彎矩區(qū)，增大跨徑，伴隨著超靜定次數(shù)的增高，抗震性增強。
（四）組合鋼構(gòu)橋
通常剛構(gòu)橋是由混凝土主梁和混凝土橋墩固結(jié)在一起。最近今年中，不同種材料的主梁與橋墩橋臺固結(jié)在一起的組合剛構(gòu)橋逐漸增多。鋼板梁及鋼箱梁與混凝土橋墩固結(jié)的組合剛構(gòu)橋具有十分廣闊的前景，在具有混凝土剛構(gòu)橋的一些優(yōu)點的同時，還有自身的一些技術(shù)特點，比如：剛度更大，提高抗震性能；主梁的彎矩區(qū)的受力性能改善明顯；實現(xiàn)了更大程度的跨越；可以采用混凝土剛構(gòu)橋的施工方法等。
三、結(jié)語
橋梁是土木工程中技術(shù)含量最高、要求最復雜的工程之一，能合理的利用各種建筑材料的組合性能，以提高承載能力和抵御自然災害的能力，確保壽命期間使用費用最低是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的趨勢。
【參考文獻】
[1] 劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M]. 北京：人民交通出版社, 2005
【作者簡介】雷曉鳴（1992.3 - ），男，本科，橋梁工程
