钢-混凝土组合结构在我国的应用与发展

钢-混凝土组合结构在我国的应用与发展

0钢-混凝土组合结构发展历程桥梁的组合不同于狭义和广义。广义的组合包括:1)结构体系的组合,如斜拉与梁组合成为斜拉桥结构,梁与拱组合成为拱梁组合结构;2)同一结构(或构件)纵轴向采用不同材料的组合,如斜拉桥主跨加劲梁为钢梁,边跨为混凝土梁,称之为混合结构;3)结构(或构件)同一截面不同材料的组合,此类组合即为传统意义上的组合(狭义的组合),可将其称为截面材料的组合。本文所指的就是这种狭义的组合结构。根据截面所采用的建筑材料,组合结构又有多种,目前最常见的是钢与混凝土两种材料的组合,称为钢-混凝土组合结构,简称为组合结构。钢-混凝土组合结构的应用与研究最早可追溯到20世纪初。金属结构桥梁的关键是桥面系,最初,以木桥面系为主,随着混凝土的出现,1900年钢筋混凝土板开始被应用。1910年,法国铁路桥中出现了钢梁埋入混凝土板的结构(型钢混凝土结构),但二者之间没有采用剪力键传力,还不能视为真正的组合结构。随后,通过剪力键连接的现代钢-混凝土组合梁桥出现。第一次世界大战前,英国国家物理实验室对组合结构进行了试验,但是由于战争的缘故,直到1923年都没有完成。加拿大在1922年也开始了一系列的试验研究,这些研究促进了20世纪20年代组合桥梁的发展。1926年,为了充分发挥钢与混凝土的材料性能,Johnson在钢梁上外包混凝土时嵌入剪力连接件,从而标志着钢-混凝土组合桥梁的诞生。第二次世界大战后,这种结构体系的桥梁逐渐成为与钢桥、混凝土桥并列的三大桥梁类型之一。组合结构桥梁在我国起步较晚。1993年建成的北京国贸桥,首次采用了钢-混凝土组合梁结构。此后,随着我国大规模基础设施建设的进展和生产力水平的提高,组合结构的应用越来越多,如大量应用的钢管混凝土拱桥,大跨径的钢-混凝土组合斜拉桥等。我国仍处于大规模建设时期,钢-混凝土组合桥梁有着广阔的应用前景。组合结构在大部分桥型中都有应用,可分成组合梁桥、组合刚构桥、组合拱桥、组合斜拉桥等,其基本力学原理是充分利用钢材的高抗拉强度和混凝土的高抗压强度,形成经济合理的受力构件,进而组成桥梁结构,以最大限度地发挥两种材料的相对优势。由于混凝土抗拉强度低,因此这种组合构件主要用于受弯与受压构件中。本文从基本受力性能出发,将桥梁结构的主要形式分为组合梁、组合柱和组合拱,并分别对这三种基本结构的截面基本构成、受力与应用特点进行简要的介绍,分析其工程应用的基本情况,重点介绍其在我国的应用与新结构的研究进展,并指出今后的发展方向。1不同截面形式的选择钢-混凝土组合梁桥发展至今,出现了多种多样的截面形式,主要分为钢梁-混凝土板组合梁、钢腹板(杆)-PC组合箱梁和钢管混凝土组合梁。1.1剪力键优化设计钢梁-混凝土板组合梁主要由钢梁与混凝土上翼缘板组成,两者之间通过抗剪连接件连接,其类型又可根据钢梁的不同形式细分为工字钢梁-混凝土板组合梁、钢箱梁-混凝土板组合梁以及钢桁架-混凝土板组合梁三种。目前,钢梁-混凝土板组合梁的研究主要围绕超高性能钢(如高强、耐候、高焊接性能等)、变厚度钢、高性能混凝土、结构形式的优化和新型剪力键的开发等方面。钢梁-混凝土板组合梁主要用于组合结构桥梁结构中,也是应用最广的组合梁,简称钢-混凝土组合梁。它的研究也很成熟,美国AASHTO规范、美国AISC规范、加拿大建筑设计规范以及德国DIN078分别在1944年、1952年、1953年和1954年列入了有关组合梁的设计条文。欧洲共同体委员会也在1985年对《钢-混凝土组合结构设计》规范进行修订和补充,形成了目前比较完整的一部组合结构设计规范,即Eurocode4。近二三十年,我国在此类桥梁的应用与研究取得系列的研究成果,并纳入行业规范《公路钢结构桥梁设计规范》、国家规范《钢-混凝土组合桥梁设计规范》中。随着我国生产效率的提高和可持续发展的需要,钢-混凝土组合结构桥梁在我国的应用范围将会不断扩大。钢-混凝土板组合梁作为技术最为成熟的一种桥梁结构形式,将会得到大量的应用。我们应密切跟踪国际最新发展趋势,开展创新性的研究,为我国仍在进行的大规模基础设施建设服务,也充分利用这个建设时期,使我国钢-混凝土组合结构桥梁的技术领先于国际。1.2钢结构替代混凝土腹板钢腹板(杆)-PC组合箱梁从预应力混凝土箱梁发展而来,采用钢结构替代混凝土腹板,最早采用的平钢腹板,由于其抗剪屈曲强度低、吸收纵向预应力能力强等原因应用较少。目前的主要形式分为波形钢腹板-PC组合箱梁和钢腹杆-PC组合箱梁两种。1.2.1拉桥及斜拉桥结构文献收集了2010年以前世界已建成的113座波形钢腹板-PC组合箱梁桥,其中,国外107座,国内6座。图1为波形钢腹板-PC组合箱梁桥建成时间与主跨跨径的分布情况,其中给出了所建成的具有代表性的桥梁。从图1可以发现,波形钢腹板-PC组合箱梁桥的数量随时间推移基本呈增大趋势。波形钢腹板-PC组合箱梁主要用于梁桥中,其结构形式有简支梁、连续梁、连续刚构、斜拉桥和部分斜拉桥。统计结果显示,简支梁仅7座,最大跨径达51m;连续梁47座,最大跨径达135m;连续刚构56座,最大跨径达150.4m;部分斜拉桥2座,最大跨径180m;斜拉桥1座,其主跨跨径为235m。由此可见,连续梁和连续刚构是波形钢腹板-PC组合箱梁桥的主要桥型。波形钢腹板-PC组合梁桥在20世纪90年代被引入到国内。2005年,国内先后建成了三座波形钢腹板-PC梁桥,分别是江苏省淮安市长征桥(人行桥)、河南光山泼河大桥(公路桥)和重庆大堰河桥(公路桥)。此后,东营银座B桥、青海三道河桥、山东鄄城黄河公路大桥、深圳南山大桥等进入设计与实施阶段,无论是规模和跨径都有了突破性的发展。伴随着应用,研究也不断地深入。研究的内容包括波形钢腹板-PC组合结构的受力性能、设计计算方法、施工技术等内容。目前已出版了《波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工》、《波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用》等专著,形成了《组合结构桥梁用波形钢腹板》、《公路波形钢腹板预应力箱梁桥设计规范》等行业标准和地方标准。因此,波形钢腹板-PC组合梁桥在我国的应用已完成了初期的引进消化的阶段,今后的发展重点应该是对现有工程经验的总结、针对我国实际情况的研究和标准规范的完善。1.2.2钢腹杆组合箱梁结构钢腹杆-PC组合箱梁由混凝土顶底板、钢腹杆、体内体外预应力钢束等构成。钢腹杆可采用型钢或钢管,对于受压力较大的钢管,可在管内灌注混凝土形成抗压强度很高的钢管混凝土。钢腹杆-PC组合箱梁由于腹杆抗屈曲能力较波形钢腹板大,因此可采用较高的截面,从而提高截面的抗弯效率,适用于跨度较大的连续梁桥、刚构桥以及斜拉桥等其他桥型中。文献收集到国内外建成的钢腹杆-PC组合箱梁桥11座,包括连续梁桥、单跨刚构桥、连续刚构桥和斜拉桥。1985年法国建成了世界上首座钢腹杆-PC组合箱梁桥,即Arbois桥,随后又相继修建了Boulonnais高架桥、Brasdelaplaine桥等。其中,Brasdelaplaine桥(图2)是一座跨越深谷河流的单孔刚构桥。其他国家如日本、德国、葡萄牙以及瑞士也将钢腹杆组合箱梁这一新颖结构应用于其桥梁建设中,其中以日本应用最多。先后修建了Kinokawa桥、Shitsumi桥、Sarutagawa桥、Tomoegawa桥等连续梁桥。葡萄牙修建的Europe桥则为世界上首座建成的主梁为钢腹杆-PC组合箱梁的斜拉桥。国内的上海闵浦大桥,为双塔双索面双层桥面公路斜拉桥,跨径布置为4×63m+708m+4×63m,主跨主梁采用钢桁梁,边跨主梁采用钢腹杆-PC箱梁(图3),桥面宽度43.8m,主梁高度9m,边跨主梁可以有效平衡主跨主梁的自重,减小边跨主梁的长度及用钢量指标。在已建成的11座钢腹杆-PC组合梁桥中,刚构和斜拉桥各2座,其余7座均为连续梁桥。连续梁桥的跨径介于40~208m之间。等截面钢腹杆组合箱梁的高跨比在1/12.5~1/20之间,较混凝土箱梁高跨比(1/15~1/20)有所提高。除了法国BrasdelaPlaine桥的高跨比为1/70,变截面钢腹杆组合箱梁的墩上截面高跨比在1/10~1/18之间,较混凝土箱梁(1/15~1/25)的大,跨中截面高跨比与混凝土箱梁(1/25~1/40)相差不大。施工方法主要为悬臂拼装、悬臂现浇及劲性骨架施工。钢腹杆-PC组合箱梁桥具有较大的跨越能力,在双层桥面中具有特殊的优势。对于具体的工程应用,在节点受力性能、施工方法等方面可能有其特殊性,需要开展针对性的研究。1.3管混凝土组合梁1.3.1钢管混凝土受力性能钢管混凝土(concretefilledsteeltube,CFST)组合梁,简称钢管混凝土梁,由钢管桁梁发展而来。钢管桁梁结构具有自重轻、施工简单且外观轻盈美观等特点,在桥梁结构中多有应用,如1883—1890年修建的苏格兰FirthofForth铁路桥就是一座大跨径的钢管结构桥梁,主跨达到521m。然而,管结构节点刚度与承载力较小,节点疲劳问题突出,成为其应用的最主要限制因素。文献进行了空钢管桁梁B0、上弦杆为CFST下弦杆为钢管的桁梁B1,上下弦杆均为CFST的桁梁B2的受弯对比试验。表1给出了3种结构试件的承载力对比情况,从表1可以看出,节点失效时的荷载FB、峰值荷载FC,试件B1、B2均大于空钢管桁梁试件B0。特别需要指出的是,虽然下弦管为受拉构件,管内混凝土对受拉承载力提高不大,但由于它对提高节点承载力有较大的贡献,因此,对桁梁的整体受力性能提高有较大的作用。法国Maupre桥是一座较早采用钢管混凝土的梁式桥。它建于1988年,为7跨三角形箱形截面连续结合梁桥,下弦管采用钢管混凝土(图4)。该桥的主梁截面为等腰三角形,能有效地抵抗扭转力,竖直荷载引起的侧向拉力,由均匀分布在翼缘的横向预应力来平衡。采用顶推架设施工。此外,日本还修建了一座单圆管钢管混凝土铁路梁桥。在我国,钢管混凝土也被用于连续刚构和斜拉桥之中,如广东南海市紫洞大桥、湖北秭归县向家坝大桥、四川万县万州大桥等。施工时先逐段组装、平移及合拢空间钢管桁架,然后灌注弦管内的混凝土,在此基础上安装混凝土顶板,施工架设方便,结构自重轻,工程造价低。钢管混凝土在土木工程的应用以受力为主的柱与拱结构为主,有关钢管混凝土受压构件的研究已相当成熟。然而,在钢管混凝土组合桁梁中有以受拉为主的钢管混凝土构件,应充分挖掘管内混凝土在提高结点刚度与承载力等方面的作用,并开展提高其管内混凝土抗拉能力(如采用纤维混凝土)的研究。1.3.2混凝土桥面板模型试验2012年4月建成通车的四川干海子大桥,上部结构主要为44.5m和62.5m的钢管混凝土组合连续桁梁。截面由劲性骨架混凝土桥面板和钢管混凝土桁架组成,如图5所示。由于上述采用的是钢管弦杆,施工架设时刚度大;在后期将钢管混凝土的弦杆埋置于混凝土桥面板中,增大了桥面板及相应的上弦杆节点的刚度和承载力。图6所示为该桥的模型试验,图7为建成后大桥照片。劲性骨架混凝土桥面板-钢管混凝土桁梁是工程单位根据实际工程需要提出来的一种适合我国自然条件恶劣的西部山区应用的桥梁新结构,在(四)川-(西)藏高速公路等西部道路的建设中存在着应用的需要与可能。今后应在总结现有研究与应用的基础上,根据实际工程的需要,开展针对性的研究,为实际工程应用服务。1.3.3钢管混凝土弦杆结构尽管钢管混凝土结构节点的刚度与承载力均大于钢管节点,但节点仍可能是钢管混凝土组合桁梁承载力与刚度的控制因素。为此,将波形钢腹板引入钢管混凝土桁梁中,形成波形钢腹板-钢管混凝土组合梁,如图8所示。它与法国Maupre桥不同之处在于,上弦杆也为钢管混凝土弦杆,便于施工架设。文献设计了3根截面尺寸和材料与文献相同的试验梁试件,仅将腹杆用波形钢腹板代替,承载力分别为190.0、240.0、265.0kN,分别为表1中3根桁梁(峰值点)承载力的2.05、2.23、1.80倍。目前该结构已应用于厦门侨英人行天桥中(图9)。作为一种从结构受力原理提出的新型组合结构形式,波形钢腹板-钢管混凝土组合梁首先在小规模的人行天桥中应用是合适的技术推广路线。今后应在现有的应用经验总结的基础上,开展在道路桥梁中的应用研究,为我国钢-混凝土组合桥梁增加一种桥型结构。2组合柱2.1钢管混凝土柱钢-混凝土组合柱,以两种材料的相对位置可分为混凝土灌注在钢管内的钢管混凝土(CFST)柱和混凝土外包型钢的型钢混凝土(steelreinforcedconcrete,SRC)柱,如图10所示。钢管混凝土柱主要用于桥梁墩柱与桥塔中,可方便施工、减小断面和提高结构延性。当构件直径较小时,可采用普通钢管混凝土结构;当其直径较大时,常采用约束型钢管混凝土,如深圳彩虹(北站)大桥、兰州雁盐黄河大桥等。在这种结构中,钢管不直接参与受压,而主要起约束管内混凝土的作用,这可以避免钢管的局部屈曲问题,施工时它还可作为浇筑混凝土的模板。2.2钢管混凝土劲性骨架柱的概念钢管混凝土劲性骨架柱是将钢管混凝土埋入钢筋混凝土中的一种新型的型钢混凝土结构。施工时,首先架设空钢管,然后内填混凝土,再外包混凝土形成最终的钢管混凝土劲性骨架柱,如图11所示。本文称之为钢管混凝土劲性骨架柱,简写为CFST-SRC柱。较之采用型钢的SRC柱,钢管加工方便、刚度大,节约钢材,方便施工。CFST-SRC柱结构已在四川雅泸高速公路上的腊八斤特大桥和黑石沟特大桥的高墩(多个桥墩墩高在100m以上)中得到应用,如图12所示。2.3钢筋混凝土腹板钢管混凝土劲性骨架柱在解决西部山区高墩结构稳定问题方面发挥了重要作用。然而,实践中发现,钢管混凝土劲性骨架柱施工以及构造较为复杂,虽然已应用于实际工程但并未开展深入的理论和试验研究,因此没有得到推广应用,而是在此基础上又提出了钢管混凝土复合柱和混合柱。钢管混凝土复合柱以钢筋混凝土腹板代替传统钢管混凝土格构柱中的钢管缀杆。与上述的钢管混凝土劲性骨架柱相比,免去了外包混凝土的施工工序,减少了混凝土的用量。与钢管混凝土格构柱相比,减小了缀杆剪切变形带来的稳定系数降低的不利影响,提高了稳定系数;且钢筋混凝土腹板可以参与承受轴压力,减小了柱肢的压应力。在高墩中,底部采用钢管混凝土复合柱,上部采用钢管混凝土格构柱,形成了钢管混凝土混合柱。该类柱已被用于四川干海子大桥工程中,最高桥墩达107m,如图13、14所示。文献[23-24]开展了5根四肢钢管混凝土复合柱、5根四肢钢管混凝土混合柱和5根四肢钢管混凝土格构柱的轴压和偏压对比试验研究(图15)。试验结果表明,复合柱与混合柱的受力性能优于钢管混凝土格构柱。使用钢管混凝土复合柱、混合柱,可大量减少混凝土的用量,减轻对环境的压力,在我国山区高墩中具有较好的应用前景,应加强现有的技术总结与应用推广,并在实际工程应用中不断推进技术的进步。3组合拱桥3.1混凝土系统结构拱是以受压为主的结构,因此,组合柱中的两种主要结构形式均可用于拱结构中,即钢管混凝土拱和劲性骨架混凝土拱。后者主要从施工需要出发,采用型钢或钢管混凝土劲性骨架,从成桥受力来说,一般将其归于混凝土拱桥范畴,本文不再介绍。与墩柱和塔相比,拱除承受较大的压力外,还承受着较大的弯矩,因此,新型组合梁的结构形式也可以引入拱结构之中,即形成了钢腹板(杆)-混凝土组合拱。3.2桥的施工与养护技术近20年以来,钢管混凝土拱桥在我国的桥梁工程建设中得到广泛应用。据不完全统计,截至2010年6月,我国跨径大于或等于50m的钢管混凝土拱桥已达327座。钢管混凝土拱桥目前在我国的应用趋势仍在继续,跨径的增大也不断持续,目前已建成的四川合江长江一桥最大跨径为530m,如图16所示。随着大量经验的积累与科学研究的不断深入,钢管混凝土拱桥的设计理论基本体系已经形成,施工与养护技术也在不断进步。2011年4月福建省地方建设标准DBJ/T13-136—2011《钢管混凝土拱桥技术规程》获批,2011年7月15日正式执行。该规程以公路与城市钢管混凝土拱桥为对象,包括设计、施工与养护等内容。2011年7月重庆市交通委员会发布重庆市公路工程行业标准CQJTG/TD66—2011《公路钢管混凝土拱桥设计规范》,2011年11月1日正式实施。2008年交通运输部下达了行业标准JTG/TD65—2012《钢管混凝土拱桥设计规范》的编制任务,由四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院主编,2012年底已完成了报批稿。2011年3月,《钢管混凝土拱桥技术规范》列入国家建设标准的制定任务,由福州大学与中建七局三公司主编,适用范围为公路与城市钢管混凝土拱桥的设计、施工与养护等。在所有参编单位的共同努力下,于2012年形成了送审稿。2013年5月形成了报批稿。一系列规范标准的实施,必将促进我国钢管混凝土拱桥科技进步、建设与管理的科学化与规范化进程。在以后规范标准实行过程中,根据其存在的不足,针对性地开展研究,并根据实际工程中出现的新问题和取得的新经验,进行修改完善。3.3截面形式的选用由3.1节可知,组合柱的结构形式都已被用于拱桥之中。组合梁中,钢(梁)-混凝土桥面板的截面形式不适用于拱结构,而钢腹板(杆)-混凝土组合梁的截面形式可能适用。为此,提出了钢腹板(杆)-混凝土组合拱新结构,具体包含波形钢腹板-混凝土组合拱、平钢腹板-混凝土组合拱和钢腹杆-混凝土组合拱三种组合拱结构。3.3.1混凝土浇筑技术波形钢腹板-混凝土组合拱是将混凝土拱圈中的混凝土腹板用波形钢腹板来代替,顶底板仍采用混凝土,减轻了拱圈(肋)的自重,也减少了现浇法中现场混凝土浇筑的工作量,缩短了工期。文献[29-30]开展了这种新桥型的试设计、模型拱试验和受力性能研究(图17)。结果表明:波形钢腹板-混凝土组合拱的受力性能与钢筋混凝土拱相近,主拱质量比混凝土拱桥主拱质量可减轻30%左右,拱的轴力和基础的水平推力明显降低,地震反应明显减小。施工时,由于混凝土腹板被钢构件代替,可免除腹板模板的布设、浇筑混凝土等施工工序,拱圈浇筑的施工周期缩短近1/3。3.3.2波形钢腹板及其组合拱波形钢腹板-混凝土组合拱被提出来后,有质疑的观点认为,波形钢腹板不承受压力,应用于以受压为主的拱结构,受力不够合理。实际上,拱的承载能力不是以受压承载力为控制,而是稳定和弯压承载力,而这两个方面无不与其截面抗弯刚度和受弯承载力有关,采用波形钢腹板无疑提高了截面的抗弯效率,因此是可行的。根据拱结构受压为主的特点,应考虑在组合梁中已被否定的平钢腹板的应用。因为在拱结构中剪力较小,平钢腹板的受剪屈曲问题不突出,同时,它没有预应力,不存在预应力被顶、底板吸收从而减小了预应力效率的问题。文献对平钢腹板-混凝土组合拱开展了试验研究和理论分析。结果表明:平钢腹板对减轻结构的效率与波形钢腹板-混凝土拱相近,不同之处在于需要对平钢腹板进行加劲,以防止局部屈曲。在受力性能方面,试验研究(图18)和有限元分析表明,平钢腹板拱的受力性能更接近于钢管混凝土拱,而非钢筋混凝土拱或波形钢腹板-混凝土拱,因为平钢腹板可抑制裂缝在截面高度方向的发展,难以形成塑性铰的机构破坏模式。仅通过腹板少量钢材的应用,改变了结构的破坏模式,从另一方面说明了这种组合的良好效应。3.3.3劲性骨架法施工钢腹杆-混凝土组合拱(图19),与前述两种钢腹板组合拱相比,用腹杆代替腹板,同样具有减轻自重等优点,同时由于抗局部屈曲性能更强,适用于大跨度、截面较高的拱桥。其结构与受力性能以及施工性能主要受节点制约。如果采用劲性骨架法施工,劲性骨架的上下弦埋入顶底板中,无论施工与节点受力性能都将得到改善。钢腹板(杆)-混凝土组合拱是基于拱结构的受力特点,借鉴钢腹板-P