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(jī)械咬合或者連接件相互接合，使組合構(gòu)件能夠共同承擔(dān)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(diǎn)，使得組合后整體的力學(xué)性能有所提高。鋼材在拉伸的過程中，其強(qiáng)度和延伸性都能很好的發(fā)揮，但處于壓縮狀態(tài)時(shí)，容易失穩(wěn)，由屈曲強(qiáng)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(jià)格低廉，自重較大，抗拉強(qiáng)度小的脆性材料。兩者利用各自優(yōu)勢(shì)，相互接合，在力學(xué)性能方面表現(xiàn)為，兩者的相互支援補(bǔ)足。
典型的實(shí)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(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩者的單獨(dú)疊加效果。
二、組合結(jié)構(gòu)橋梁的分類及其特點(diǎn)
?。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(duì)滑移，共同承擔(dān)橋梁縱向彎曲。相對(duì)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(dá)到節(jié)約組合鋼材的目的，較組合箱梁橋，又具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，便于施工等優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛推廣使用。
當(dāng)主梁為I型鋼具時(shí)，材料有很強(qiáng)的抗彎與抗剪強(qiáng)度，截面構(gòu)造也比較簡(jiǎn)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(gè)整體，加強(qiáng)整體穩(wěn)定性，共同承擔(dān)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(huì)在腹板的縱向和支座的端部處焊接加勁肋。
?。ǘ┎ㄕ鄹拱褰M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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力。與預(yù)應(yīng)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(shí)亦不能發(fā)生剪切屈曲兩個(gè)條件，這種情況下，常常會(huì)伴隨波折高度及小的情況發(fā)生，這時(shí)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(shí)要確保鋼材具有足夠的沖擊吸收功同時(shí)控制氮元素的含量或者早腹板之間采用螺栓連接加強(qiáng)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(yīng)在支座處和跨徑內(nèi)增設(shè)橫隔梁增加穩(wěn)定性。
對(duì)比預(yù)應(yīng)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(shì)：
（1）自重減輕，下降大約20% ~ 30%
?。?）波折腹板在橋梁縱向剛度幾乎為零，大幅提高施加預(yù)應(yīng)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(shí)減少混凝土的干縮、徐變的影響
?。?）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(qiáng)度
?。?）箱梁腹板制作工廠化，也便于施工
?。ㄈ┙M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(jì)桁架橋時(shí)，通常會(huì)在弦桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系，通過橫梁將力傳遞給主桁，但實(shí)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(fèi)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(jìn)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(zhǎng)每根桿件的長(zhǎng)度同時(shí)減少接頭、采用預(yù)應(yīng)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(fèi)用降低，同時(shí)減少了后期的維護(hù)費(fèi)用。
實(shí)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(yīng)力便于控制，又易于維修。
改善節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)螺栓。近年來高強(qiáng)螺栓在現(xiàn)代桁架橋中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，工廠化的施工可以減少工作量。腹桿和弦桿之間采用對(duì)接方式連接也在逐漸普及，對(duì)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(fèi)用，還可以減少主桁架的負(fù)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(qiáng)。
（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(tái)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(diǎn)的同時(shí)，還有自身的一些技術(shù)特點(diǎn)，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(shí)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(fù)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(zāi)害的能力，確保壽命期間使用費(fèi)用最低是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。
【參考文獻(xiàn)】
[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(jiǎn)介】雷曉鳴（1992.3 - ），男，本科，橋梁工程
