組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用

1、組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用兩種不同性質(zhì)的材料組合成一個(gè)整體而共同工作的構(gòu)件稱為組合構(gòu)件組合結(jié)構(gòu)是由組合構(gòu)件組成。例如鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種物理力學(xué)性能完全不同的材料組合而成。50多年來組合結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用得到迅速發(fā)展至今已成為一種公認(rèn)的新的結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)的四大結(jié)構(gòu)即鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并列已擴(kuò)展成為五大結(jié)構(gòu)。從工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性考慮，代表性的建筑材料主要是鋼材與混凝土，因此一般所說的組

2、合結(jié)構(gòu)，就是指由這兩種材料通過粘結(jié)、機(jī)械咬合或連接件相互接合，并且能夠共同承擔(dān)作用力的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)。將抗拉性能強(qiáng)的鋼材、抗壓性能強(qiáng)的混凝土，分別合理地用在構(gòu)件的拉伸區(qū)及其壓縮區(qū)，極大限度地追求高性能、經(jīng)濟(jì)性是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。將兩種材料合理地加以組合后，從經(jīng)濟(jì)性來看要好于鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)最大的技術(shù)特點(diǎn)是組合后的性能已經(jīng)超過材料各自的力學(xué)性能。鋼材處于拉伸區(qū)域時(shí)，其強(qiáng)度及其延性能夠很好發(fā)揮，但當(dāng)處于壓縮區(qū)域時(shí)，由屈曲

3、強(qiáng)度決定，特別是薄鋼板制成的構(gòu)件，材料性能很難發(fā)揮，而混凝土是比鋼材便宜、自重大、抗拉強(qiáng)度顯著小的脆性材料。因此，兩者力學(xué)上的組合主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，即鋼材對(duì)混凝土的支援及混凝土對(duì)鋼材的支援。組合梁的優(yōu)點(diǎn)：1)抗疲勞性能好使用壽命長(zhǎng)。2)實(shí)際承載力高。梁的試驗(yàn)資料表明組合梁的實(shí)際承載力為設(shè)計(jì)承載力的2.2倍~2.6倍而普通鋼梁其破壞荷載較設(shè)計(jì)荷載一般不超過2.2。3)沖擊系數(shù)降低。鋼橋?qū)崪y(cè)資料表明用YH型機(jī)車以64.4km時(shí)速通過對(duì)全鋼

4、梁橋產(chǎn)生的沖擊系數(shù)為1.403而在同樣情況下的組合梁橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)為1.121后者較前者降低了20%。4)節(jié)省鋼材。以9m?12m平臺(tái)單元為例在相同荷載條件下對(duì)組合梁和非組合梁進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比組合梁較非組合梁的主、次梁分別節(jié)省鋼材35.6%及30%。5)降低梁高增強(qiáng)剛度。鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁與傳統(tǒng)混凝土橋相比，最大的區(qū)別體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，作為橋梁承重構(gòu)件的橋墩截面尺寸減小且大多采用薄壁空心截面。組合結(jié)構(gòu)橋梁在國(guó)外發(fā)展較早，應(yīng)用很廣。在法國(guó)

5、，跨度40m―100m的公路橋中85%是組合結(jié)構(gòu)橋梁，TGV高速鐵路中組合結(jié)構(gòu)橋梁占到45%，在美國(guó)，組合結(jié)構(gòu)橋梁在20m―160m的公路橋中競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)[3]；在德國(guó)[和日本，組合結(jié)構(gòu)橋梁隨處可見。隨著近年我國(guó)高速公路、城市快速干道、高速鐵路、鐵路客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè)，鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁受到了越來越多的關(guān)注，大跨徑拱橋、斜拉橋、中小跨徑公路鐵路橋梁中都有采用。根據(jù)歷次震害調(diào)查，橋梁結(jié)構(gòu)損傷多集中于下部墩柱結(jié)構(gòu)，在組合結(jié)構(gòu)橋梁大量建設(shè)的

6、今天，組合結(jié)構(gòu)橋梁是否具有進(jìn)一步降低墩柱結(jié)構(gòu)地震力需求的潛力，是否可作為今后橋梁抗震設(shè)計(jì)的有效策略，都是工程師非常關(guān)心的問題。因此，對(duì)其抗震潛力及抗震性能進(jìn)行研究，無論從工程角度、經(jīng)濟(jì)角度還行組合結(jié)構(gòu)橋梁受力分析通過引入結(jié)構(gòu)與材料本構(gòu)關(guān)系來考慮負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂影響，以更精確地評(píng)估結(jié)構(gòu)從加載開始到破壞過程的非線性行為關(guān)系與受力狀況。依靠新的穩(wěn)定理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，可以更準(zhǔn)確地考慮鋼結(jié)構(gòu)的總體與局部穩(wěn)定，尤其是組合結(jié)構(gòu)條件下的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)

7、定特性，為減少穩(wěn)定構(gòu)件、合理安排材料確立了基礎(chǔ)。借助大量研究成果及分析方法的進(jìn)步，發(fā)展了允許混凝土板開裂、用裂縫寬度限值代替拉應(yīng)力限值的設(shè)計(jì)方法，從而簡(jiǎn)化了構(gòu)造、方便了施工，促進(jìn)了連續(xù)組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。對(duì)于縱橫向加勁肋等穩(wěn)定構(gòu)造，不再沿襲過去依據(jù)簡(jiǎn)化模型制定的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，而是借助于新的穩(wěn)定理論與分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此鋼梁加強(qiáng)了高度簡(jiǎn)化的趨勢(shì)。此外，還有一些新的設(shè)計(jì)方法發(fā)展建立起來，例如：在結(jié)構(gòu)不同區(qū)域變化鋼與混凝土連接剛度達(dá)到截面完

8、全組合與不完全組合相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法；利用施工手段調(diào)節(jié)鋼梁與混凝土板應(yīng)力狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法；連接件以群釘形式間斷設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)有效施加預(yù)應(yīng)力的方法等。設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，可以更合理、更實(shí)際、更有效地安排材料，從而促進(jìn)組合結(jié)構(gòu)橋梁經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的提高并獲得了更大的發(fā)展。在鋼結(jié)構(gòu)材料方面，耐候鋼的使用，省去了涂裝費(fèi)用與養(yǎng)護(hù)工作量，變厚變寬鋼板的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)時(shí)可以更加合理地安排鋼梁材料，并且減少了焊接工作量。高性能鋼材的應(yīng)用，拓展了組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展空間，

9、進(jìn)一步提升了其技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力?；炷敛牧戏矫妫l(fā)展了密實(shí)性、流動(dòng)性、抗收縮性更好的混凝土以及纖維加強(qiáng)混凝土，提高了混凝土的質(zhì)量、有效地控制了混凝土裂縫的開展。在連接件方面，為了確保連接件的抗剪和抗拉拔、抗疲勞性能以及配合新結(jié)構(gòu)形式與工法的開發(fā)等，對(duì)原有連接件進(jìn)行改進(jìn)，并開發(fā)一些新的連接件，如：開孔板連接件、組合連接件、筒式連接件、螺栓連接件以及槽齒性連接件等。還有通過在焊釘根部使用可控制硬化時(shí)間的環(huán)氧樹脂，達(dá)到剛度滯后發(fā)揮的目的。在橋

10、面板方面，為了實(shí)現(xiàn)方便快速施工，開發(fā)了組合結(jié)構(gòu)橋面板，代表性的兩種類型有鋼——混凝土組合型與填充混凝土鋼格構(gòu)型。組合型橋面板又有折板式平面和空間桁架以及用預(yù)制鋼筋桁架組合橋面板等多種；填充混凝土鋼格構(gòu)型則是用型鋼代替一部分鋼筋，然后澆筑混凝土，其鋼板作為底模并構(gòu)成一體。組合鋼板梁、組合鋼箱梁、組合鋼桁梁的施工，經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，普遍采用先鋼梁再橋面板的施工方法；鋼梁施工常用頂推法，橋面板施工以鋼梁為平臺(tái)，進(jìn)行現(xiàn)澆或預(yù)制板鋪設(shè)。這種方法利用了