組合結構在橋梁工程中的發展現狀及前景

(重慶交通大學　重慶　400041)

一、引言

20世紀30年代是歐美各國橋梁技術及其設計理論的一個重要發展時期。組合結構在這一時期開始了研究工作，到20世紀60年代得到廣泛應用，建造了大量的各種形式的組合結構橋梁。橋梁采用混凝土與鋼上下結合的結構形式由來已久，鋼與混凝土組合結構橋梁形式多樣，應用范圍包括梁式橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型，既應用于公路橋，也應用于鐵路橋。隨著理論研究、工程實踐的不斷發展，組合結構橋梁的使用性能與耐久性、可施工性與經濟競爭力等方面獲得了長足進步。借助于基礎理論的發展以及市場競爭，組合結構橋梁的結構形式與材料指標得以不斷優化，新結構與新工藝不斷推出。多種結構形式適應了不同的建設需求，結構的簡化減少了養護維修工作，快速施工縮短了投資回報期。總之，在西方發達國家，組合結構橋梁依靠其不斷提升的技術與經濟競爭力獲得了巨大發展，并在橋梁建設中占有重要地位。

由兩種或兩種以上不同受力性質的建筑材料組成的、在荷載作用下具有整體作用、能協同工作的構件成稱為組合構件，由組合構件組成的結構稱為組合結構。

二、組合結構在橋梁中的發展現狀

(一)梁式橋

在西方發達國家的橋梁建設中，組合結構成為最主要的橋梁形式，在歐洲國家尤其如此。這些國家的梁式橋梁中，組合梁展現了優越的技術經濟競爭力，應用比例非常高，甚至達到90%以上。其中，結構簡潔、施工便捷的組合鋼板梁應用最為廣泛。當前的組合鋼板梁橋技術上有了巨大的進步，由早期的多縱梁、多橫梁以及密集的加勁形式，經過大幅簡化，發展到以雙主梁或少主梁為主流，加勁構件也大幅減少。組合鋼箱梁具有抗扭能力強、整體性好、適合曲線以及更能適應大跨等特點，已有大量的公路、鐵路橋梁應用實例。在鐵路橋梁以及山區公路橋梁中，組合鋼桁梁橋也有著較多的應用實例。除了組合鋼板梁、組合鋼箱梁及組合鋼桁梁三種典型結構之外，波折腹板組合箱梁橋與鋼桁腹桿組合梁橋是20世紀80～90年代出現的結構形式。利用鋼結構取代混凝土箱梁的腹板，從而達到改善力學性能與減輕上部結構自重的目的，也是組合結構橋梁發展中的有益探索。

(二)大跨度橋梁

組合梁在斜拉橋、懸索橋和拱橋中都有大量的工程應用，但不同類型的組合梁在三種大跨度橋梁中的應用水平和廣泛程度差別較大，這與不同體系橋梁的力學性能、工程需求、技術發展等多方面的因素有關。不言而喻，斜拉橋、懸索橋和拱橋三者加勁梁受力性能的差異是最為重要的影響因素。

從斜拉橋的應用來看，組合鋼板梁的抗風能力較弱，隨著斜拉橋跨度的增加，需要采用組合鋼箱梁來提高橋梁的抗風性能。從目前的工程實踐看，需要承受巨大壓力的斜拉橋加勁梁，最能發揮混凝土橋面板的抗壓優勢，因此組合梁在斜拉橋中應用最為廣泛，面對不同的建設條件和功能要求，都有合適的加勁梁形式可以選用。

從懸索橋的應用來看，隨著正交異性鋼橋面板結構的發明，早期混凝土行車道板置于鋼梁上的結構形式被取代，采用正交異性鋼橋面板的鋼梁幾乎成了大跨度懸索橋的唯一選擇。組合梁作為懸索橋的加勁梁多用于中小跨度的懸索橋。從工程技術與經濟角度看，組合梁用于大跨度懸索橋，主要目的在于以混凝土橋面板替代存在疲勞損傷風險的正交異性鋼橋面板，組合梁混凝土橋面板的抗壓優勢得不到發揮，較大的結構自重對經濟性的不利影響隨跨度增加而增加。從目前的工程應用看，組合梁在大跨度懸索橋中的應用較少，但在一些建設條件和環境條件下，組合梁在懸索橋中仍然可以展現技術與經濟優勢，具有一定的應用前景。

從拱橋的應用來看，采用組合梁(組合橋面結構)的拱橋，盡管在國內應用較少，但在歐洲等發達國家有著大量的應用。這些國家在系桿拱橋和中承式拱橋中，多采用鋼梁為縱橫梁格體系的組合鋼板梁，混凝土橋面板與鋼梁結合后參與承受橋面結構的彎曲作用及系桿拱橋的水平拉力作用；在上承式拱橋中，主梁也多采用組合梁。特別是采用組合橋面結構的系桿拱橋，在歐洲有著廣泛的應用，跨度小到100m以下、大到接近300m都有工程應用。現代的系桿拱橋通常考慮混凝土橋面板參與承受拱腳的水平分力作用，橋面板不設預應力束，和梁式橋一樣采用允許橋面板開裂、限制裂縫寬度的設計方法。

三、組合結構在橋梁中的應用前景

進入21世紀以來，隨著我國社會經濟的快速發展，我國的橋梁建設條件已經發生了巨大變化。按照目前的鋼材和勞動力等價格水平，組合結構橋梁已經具備了獲得經濟競爭力的基礎，無論從工程造價以及全壽命經濟性角度，有必要大力發展并推廣應用組合梁橋。盡管我國在組合結構橋梁的研究與實踐方面與發達國家存在差距，面對未來的橋梁建設需求，組合梁橋具有廣闊的應用前景。對于斜拉橋，就目前的工程實踐來看，其跨度未獲得大幅的增長，但采用傳統混凝土橋面板的組合梁斜拉橋，仍然有著較大的發展空間。對于組合梁懸索橋，其主要問題就是經濟性，若工程造價不是決定方案取舍的唯一條件，在一定程度上，組合梁懸索橋仍然具有一定的應用空間。

四、結束語

組合結構具有良好的受力性能和很好的綜合效益，應用前景廣闊。工程實踐證明組合結構符合我國基本建設的國情，有利于促進國民經濟建設的發展。盡管組合結構近年來取得了長足的發展，但是，如何更好地發揮其在工程結構中的優勢需要政府主管部門、設計和施工單位取得更廣泛的共識。