體外預應力鋼箱—混凝土結合梁橋發展與應用

賓 帆

鋼—混凝土結合梁橋具有結構高度小、承載能力高、自重輕、剛度大等特點，使得其在中小跨度橋梁、工業廠房、大跨結構、地下結構中得到了較為廣泛的應用，但結合梁也存在著變形大、負彎矩區易開裂等缺點。采用預應力結合梁兼有一般結合梁和預應力結構的優點，是解決上述問題的行之有效的辦法，是高效預應力技術在鋼—混凝土組合結構領域的進一步發展和應用。

1 體外預應力結合梁橋定義

鋼—混凝土組合結構是在鋼結構和鋼筋混凝土結構基礎上發展起來的一種新型結構，它是由外露的鋼梁或鋼桁梁和混凝土橋面板形成的組合結構，且在混凝土板和鋼梁之間設置抗剪連接件，以保證在使用荷載作用下混凝土板和鋼梁共同作用，共同變形。

體外預應力是將預應力鋼束布置在主體結構外部的預應力，是后張法無粘結預應力混凝土結構的重要分支。它的概念和方法產生于法國，由Eugene Freyssinet提出并首次應用。從20世紀70年代末開始在工程中大量應用。

體外預應力結合梁橋是綜合使用體外預應力和鋼—混凝土組合結構兩種技術的一種組合結構(見圖1)。鋼筋混凝土頂板和鋼梁通過剪力連接件結合成一個整體的受彎構件，兩種材料合理的結合可以取長補短，各盡其用。在此基礎上，合理地布置高強度預應力鋼索，并對其進行張拉，使結合梁在承受全部外荷載之前建立起預應力，該預應力的大小和分布能減小和抵消梁在外荷載作用下產生的應力，從而達到改善梁的受力狀態與性能，降低應力峰值，提高梁的剛度。

2 體外預應力鋼—混凝土結合梁的結構特點

體外預應力結合梁綜合了體外預應力結構體系和結合梁結構體系各自的特點。在鋼—混凝土結合梁結構體系中混凝土部分受壓為主，鋼梁受拉，充分發揮了混凝土和鋼材兩種材料各自特性，增加了梁的承載力。體外預應力混凝土橋梁結構一般采用簡化的折線預應力束，體外預應力筋僅在錨固區域和轉向塊處與橋梁結構相連接(見圖2)，體外預應力橋梁結構的受力特性與無粘結預應力橋梁結構類似。

圖2 體外預應力結合梁示意圖

預應力鋼—混凝土結合梁與鋼—混凝土結合梁相比，由于施加了預應力，調整了結構中的應力分布，提高了結構剛度，減小了結構變形，擴大了結構材料承載的彈性范圍。對于預應力鋼—混凝土組合連續梁，由于預加力的作用，使得在外荷載作用下內支座區域處于受拉的混凝土翼板預先受壓，大大改善了其結構性能，降低了中支座頂的負彎矩值，延緩了混凝土裂縫的產生與發展，大大改善該區域受力性能，因此具有更優越的結構受力性能。

根據以上的結構特點，體外預應力鋼—混凝土結合梁結構體系具有以下優點:

1)混凝土部分受壓為主，鋼梁受拉，充分發揮了混凝土和鋼材兩種材料各自特性，增加了梁的承載力，與鋼板梁方案相比，可節省鋼材、降低造價。2)混凝土板參與梁的工作，使截面高度增大，增加了梁的剛度，提高梁的自振頻率。3)結合梁增強了鋼梁的側向剛度，防止側向失穩。4)結合梁方案整體性強，抗剪性能好，表現出良好的耐震性能。5)可以利用鋼梁的剛度和承載力來承擔懸掛模板、混凝土板等施工荷載，壓型鋼板還可以直接作為模板，方便施工。6)預應力鋼索布置在體外，可以隨時方便的檢查體外索的使用狀況，方便維護更換。

但是，體外預應力結合梁結構體系也存在一些弱點，主要表現為:

1)抗剪連接件在與鋼梁焊接過程中易使產生焊接變形和殘余應力。2)結合梁的耐火等級不如混凝土結構。3)轉向塊和錨固區因承受著巨大的縱、橫向力，對于體外力筋，錨頭失效則意味著預應力的喪失。

3 體外預應力結合梁體系國內外研究歷史和現狀

對體外預應力結合梁的研究始于20世紀40年代后期，F.Dischinger作為先驅者在1949年首次提出用高強鋼絲束對組合橋梁施加預應力的設計構想。Coff因采用拋物線束對一個組合鋼梁和混凝土板系統施加預應力而獲得美國專利。Szilard對配置高強拋物線鋼絲束的預應力簡支組合梁進行研究后，利用虛功原理推導出計算應力的公式。Reagam和Krah在力平衡、變形協調和完全組合的假設前提下，建立了簡支預應力結合梁在彈性及非彈性狀態下鋼梁及混凝土板的應力計算公式。Basu等的試驗結果表明，負彎矩區的混凝土施加預應力可消除使用荷載下的裂縫，增強混凝土耐久性，提高負彎矩區混凝土的抗彎能力。Tong和Saadatmanesh對兩跨預應力組合連續梁采用剛度法和混合法進行了參數分析，考慮的參數包括預應力的大小、預應力筋偏心距、預應力筋長度及布筋形式、加載方式等，得出一系列結論:預應力使這種梁的工作荷載顯著提高;預應力增加時，反拱度、總預矩增加，撓度減小;預加力增加，反拱度、次彎矩也增加;初始偏心距增加，反拱度、次彎矩也增加;布筋范圍擴大，次彎矩顯著增加，使用荷載下預應力增量隨著鋼索增加而下降;折線布筋與直線布筋相比，前者鋼索應力增量不如后者明顯地取決于荷載布置方式，但兩者都取決于加載大小;各跨及支座施加預應力先后次序不同，產生的預應力效果也不同。Dall’s Asta和Dezi在考慮了預應力筋滑移和變形基礎上，給出了體外預應力簡支結合梁分析模型。

國內研究雖然起步較晚，但也取得了一系列成績。宗周紅等用有限元方法進行了預應力結合梁的非線性分析，并與試驗結果進行了對比，提出了預應力結合梁受彎極限承載力簡化計算的彈塑性模型。基于預應力結合梁界面的滑移性能的研究，李佳和余志武提出了鋼—部分預應力混凝土組合連續梁滿足承載力要求的彎矩調幅限值[β]的計算公式，其計算結果與試驗結果吻合較好。

此外，同濟大學、清華大學、東南大學等國內高校和科研機構也相繼進行了體外預應力組合梁承載力方面的研究，并取得了一定的成果。

4 體外預應力結合梁體系國內外橋梁工程中的應用

1955年，在德國Neckar運河上建成了世界上首座預應力結合梁橋——跨度為34 m的Lauffen橋。1957年，在德國Montabaur附近的Auback流域建成了一座三跨預應力結合梁橋，最大跨徑達到50.14 m。1960年，在前蘇聯西伯利亞地區Tom河上，建成的一座五跨預應力結合連續梁橋，采用變梁高結構，最大跨徑達109.12 m。1963年建成的頓河公路大橋采用了同樣的結構體系，最大跨徑達147 m，用鋼量僅為360 kg/m2，經濟效益顯著。1966年，在華盛頓Bellingham建成一跨長為46 m的預應力結合梁橋，每根梁重量不到同跨徑預應力混凝土梁的一半，梁高也比傳統鋼梁降低了305 mm。1984年，T.Y.Lin公司在美國北Idaho設計的BonnersFerry橋，是預應力結合梁應用的典范。該橋采用四根鋼梁橋，共十跨，跨徑介于30.5 m～47.2 m之間，其低廉的造價、合理的應力分布形式和較小的撓度顯示了該結構形式合理的經濟性和強大的競爭力。

在我國，預應力結合梁的應用范圍已從最初的工業廠房、鐵路、橋涵發展到工業與民用建筑、公共建筑、城市立交結構等。鐵科院西南分院在成都附近彭縣至白水河窄軌鐵路的湔江大橋上首次采用體外預應力技術進行加固。北京航天立交橋(44 m+64 m+44 m)等城市高架或立交橋上也開始采用預應力結合梁。2000年，主跨150 m的深圳彩虹大橋是國內首座由鋼管混凝土拱、預應力鋼—混凝土空心疊合板結合梁、鋼管混凝土組合橋墩構成的全鋼—混凝土組合橋梁。跨度148 m的深圳北站大橋也采用了預應力鋼—混凝土梁結構體系，橋梁結構高度小，自重輕，受力性能和抗震性能好，預應力效果明顯，使剛度增大，彈性彎曲應力降低，有效降低使用荷載下組合梁截面最大工作應力。廣州內環線同時建成的十余座預應力結合梁橋，比較典型的是中山北路高架橋，該橋為三跨(50+70+60)m變寬度展翅連續梁橋，結構輕盈，景觀效果好。近幾年新建的橋梁中采用此類結構的還有深圳麗水橋(主跨75 m)、深圳大學城一號橋(主跨50 m)、深圳大學二號橋(15 m+32 m+15 m)等。

體外預應力鋼箱—混凝土結合連續梁橋是一種受力合理、施工便捷、性能優良、節省材料的新型組合結構。目前，國內外學者對其研究還不夠深入，理論體系尚不完善，因此需要在結構穩定、剪力連接件、混凝土收縮徐變影響、動力性能等方面進行深入研究，以推動這一結構的發展應用。

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