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1组合结构桥梁的发展和应用陈宜言（深圳市市政设计研究院有限公司深圳中国）一、组合结构桥梁的发展1.1组合结构桥梁的特点组合结构桥梁将抗拉性能强的钢材、抗压性能强的混凝土分别合理地用在构件的受拉区及受压区，极大限度地追求高性能和经济性；由于钢、混凝土两种材料的合理组合，组合结构桥梁的力学性能和经济性均好过钢结构桥梁或者混凝土桥梁。组合结构桥梁的另一突出优点是便于施工，这是桥梁建设的关键之一。1.2组合结构桥梁在国外的发展1950年前后欧美及日本等国开始发展组合桥梁研究。二战后，20世纪60年代，欧美及日本等国的桥梁建设黄金期间，组合结构桥梁以其整体受力的经济性、发挥两种材料各自优势的合理性、便于施工的突出优点而得到广泛应用，大量各种形式的组合结构桥梁建成。20世纪70年代，欧美及日本等国家又投入大量资金进行基础性理论研究及试验，制定组合结构规范；目前国外几个主要规范都包含组合结构桥梁设计部分，如：EUROCODE、BS5400、DIN、AASHTO等；同时，在深入研究的基础上，结合工程实践，发展了一些新的设计方法和施工工艺。20世纪80年代以来，国际桥梁及结构工程协会（IBASE）多次召开国际学术会议，对组合结构桥梁在研究、设计、施工等方面的发展进行交流和研讨，进一步促进了组合结构桥梁的发展。在法国，组合结构桥梁昀具竞争力的跨径范围为30～110m，跨度在40～100m范围内的公路桥梁中85％都是组合结构桥梁；而TGV高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例占45％，之后建设的高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例更高；英国，大多数20～160m及以上跨径的公路桥，组合结构桥梁竞争力很强；德国及美国组合结构桥梁应用更广泛。总之，组合结构桥梁由于其整体受力的经济性、发挥钢与混凝土两种材料各自优势的合理性、以及便于施工的突出优点，在欧美、日本等国的桥梁建设中占有重要地位，德国、美国的应用范围更加广泛，取得了世人瞩目的成就。21.3组合结构桥梁在国内的发展现状在国内，三十多年来，一方面，在寻求跨度突破的巨大技术需求推动下，大跨度桥梁得以快速发展并屡创世纪记录；另一方面，在大量中小跨度桥梁中，混凝土及预应力混凝土的桥梁占据绝对数量优势。总之，在我国，组合结构桥梁的技术水平落后于国际先进水平。而形成我国组合结构桥梁的研究与实践都与其国际发展水平有明显差距的主要原因是：简单的认为，因钢结构或组合结构的养护费用高而组合结构桥梁造价就高；简单的认为，钢材较贵，同时我国劳动力较低。其实，深入研究表明：同等的设计理论、方法以及当前国内施工水平，在40～100m甚至更大的跨度范围内，组合结构完全可以在造价上与预应力混凝土竞争。二、组合结构桥梁的主要分类2.1组合钢板梁桥组合钢板梁桥是由钢板梁和混凝土桥面板组合而成。I字型钢板组合梁，断面图（图1）。早期的组合钢板梁桥在并排钢板梁间设置很多横梁、水平及竖向支撑，在腹板上焊接很多横向加劲肋，纵梁间距很小；20世纪80年代，上述问题得以持续改进，对传统结构体系进行了大幅度简化；目前，组合钢板梁桥多采用双主梁或少主梁形式，在20～150m跨度范围内有很强的竞争力。法国里昂的Mascaret桥（图2）是主跨95m的变高组合钢板梁桥，桥宽13.12m。图1：I字型钢板组合梁断面图图2：法国里昂的Mascaret桥32.2组合钢桁梁桥组合钢桁梁桥是由钢桁架梁和混凝土桥面板组合而成。德国的Korntal-Munchingen桥（图3），总长:300m，9跨，昀大跨径41m。组合钢桁梁桥以其更能适应大跨与重载的特点获得发展与竞争力。在德国的铁路桥中，有较多的组合钢桁梁桥，如：主跨208m的Nantenbach双线铁路桥（图4），三跨连续梁中间支点的钢桁架下弦设有混凝土板相结合共同受力。丹麦的公铁两用厄勒海峡桥的引桥采用了主跨140m的等高度组合钢桁梁桥，采用全截面预制整孔吊装法施工；日本主跨155m的小白仓公路桥是采用预应力混凝土桥面板的组合钢桁梁桥；西班牙主跨170m的Sil桥钢桁梁采用顶推法施工。图3：德国Korntal-Munchingen桥图4：德国Nantenbach桥2.3组合钢箱梁桥组合钢箱梁桥是由闭合或槽型截面钢箱梁和混凝土桥面板组合而成。槽型截面钢箱梁，横截面（图5）图5：槽型截面钢箱梁横截面组合钢箱梁桥具有抗扭能力强、整体性好、适合曲线以及更能适应大跨等特点，已经有大量的公路、铁路组合钢箱梁桥建成。目前连续组合箱梁桥昀大跨度已超过200m，单箱桥面宽度超过30m。德国海得明登的维拉河谷桥，主跨96m，施工时钢箱梁先顶推到位，再现浇桥面板，采用中间支点附件桥面板后浇的间断施工方法。德国Neuotting桥（图6），主跨154m,采用了双层组合结构，在中间支点附件钢梁4下翼缘附加有混凝土板。图6：德国Neuotting桥2.4波形钢腹板箱梁桥（波形钢腹板＋混凝土顶、底板）波形钢腹板箱梁桥（图7）是由波形钢腹板和混凝土顶、底板组合而成。图7：波形钢腹板箱梁桥波形钢腹板箱梁桥用波形钢腹板取代混凝土箱梁的腹板，从而达到改善力学性能和减轻上部结构自重的目的。该类桥梁在减少施工量、缩短工期、降低成本以及提高效益等方面有很大的优势。1986年，法国首次设计建成了Cognac桥（图8），随后分别建成了Maupre桥（图9）和Asterix桥等；1993日本开始了该类桥梁的建设，陆续建成新开桥、本谷川桥、兴津川桥、栗东桥（图10）和东京都江凉风桥（图11）等，迄今为止日本在建、已建的该类桥梁已有近200座。图8：法国Cognac桥图9：法国Maupre桥5图10：日本栗东桥图11：日本东京都江凉风桥波形钢腹板PC组合箱梁桥在20世纪90年代被介绍到国内，此后国内对这种桥型的科研工作也相继开展，现已经成为研究者的热门研究课题之一；中国目前为止已建、在建的波形钢腹板PC箱梁桥有：青海三道河桥：50m单箱双室简支梁桥（已建）；江苏淮安长征桥（图12）：18.5m+30.5m+18.5m连续梁人行桥（已建）；河南信阳泼河大桥（图13）：4×30m先简支后连续箱梁公路桥（已建）；重庆永川大堰河桥：25m简支箱梁公路桥（已建）；山东鄄城黄河大桥主桥：70m＋11×120m＋70m公路连续梁桥（在建）；深圳南坪快速路二期工程之南山大桥、平铁大桥：80m+130m+80m连续梁桥（完成施工图设计）；图12：淮安长征桥图13：泼河大桥2.5钢桁腹杆组合梁桥钢桁腹杆组合梁桥（图14）是由钢桁架腹杆和混凝土顶底板组合而成。图14：钢桁腹杆组合梁桥6钢桁腹板组合梁桥是用钢管空间桁架来代替混凝土腹板。法国对该类桥梁进行了积极探索并取得显著成就，如：首座钢桁腹板组合梁桥Boulonnais高架桥（图15）；跨径280m的BrasdelaPlaine桥（图16）；法国Arbois桥（图17）。日本对该类桥梁也有积极的研究与实践，如:主跨85m的Kinokawa桥（图18）是日本的第一座钢桁腹板组合桥。法国Boulonnais高架桥，是首座钢桁腹板组合梁桥。架设从1997年1月开始，至1997年12月底完成。Boulonnais高架桥由三座高架桥组成：Quehen高架桥跨径布置为（44.5+5×77+44.5）m，梁高5.5m；Herquelingue高架桥跨径布置为（52.5+2×77+52.5）m，梁高5.5m；Echinghen高架桥桥跨布置为（44.5+3×77+93.5+5×110+93.5+3×77）m。图15：法国Boulonnais高架桥法国BrasdelaPlaine桥是一座跨越深谷河流的公路桥，1999年开始施工，2001年竣工通车。该桥为单孔刚构，跨径280m，全长305m，桥宽11.9m；变截面，跨中梁高4m，桥台根部梁高17.4m。图16：法国BrasdelaPlaine高架桥法国Arbois桥建于1985年，跨越Cuisance河，等截面三跨连续公路梁桥，跨径布置29.85+40.40+29.85m，桥梁全长100.1m，桥面宽度11.0m。日本的Kinokawa高架桥为4跨连续钢桁腹杆混凝土组合梁桥，全长268m（=51.85+2×85.0+43.85m），桥宽10.5m，主梁采用梁高为6m的等截面，腹杆采用钢管（直径为φ406.4，t=9.5～22mm）。2003年建成。7图17：法国Arbois桥图18：日本Kinokawa高架桥2.6钢管混凝土拱桥除梁桥外，组合结构还广泛应用于斜拉桥、拱桥与悬索桥等桥型中，钢管混凝土拱桥即为很好的例子。钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢管与混凝土相互弥补了彼此的弱点，却充分发挥了各自的长处：钢管保护混凝土在三向受压时的纵向开裂，混凝土保证了薄壁钢管的局部稳定。钢管混凝土结构在国内应用较多，而国外则较少采用。三、我院组合结构桥梁的应用情况我院在组合结构桥梁方面的研究和应用追溯到二十世纪90年代初，研究和实践的主要组合结构桥梁有：普通钢－混凝土组合箱梁桥（20多座）；钢管混凝土拱桥（6座）；波形钢腹板箱梁桥（2座）83.1普通钢－混凝土组合箱梁桥（20多座）普通钢-混凝土组合箱梁桥一览表工程名称跨径布置（m）结构形式桥面宽度（m）梁高（m）深圳丽水路桥1×50简支梁261.6深圳火车站天桥1×54简支梁82深圳大学城1、2号桥2×(15+32+15)连续梁201.2深圳仙湖植物园环圆高架9×20连续梁9.91.2香梅路跨线桥31.17+40+47+35+33.17连续梁161.6107国道机场立交桥改建工程26+26连续梁461.2牛儿河桥（拓宽工程）11×40河沟塘大桥（拓宽工程）11×40简支梁（拓宽）3.752.5广深公路立交主线30+45.4+44.6+36连续梁171.8罗莎公路改造工程B段40+51+40连续梁10.51.9深圳市南坪快速路二期主线工程-A段36+71+36连续梁172.6深圳市南坪快速路二期主线工程-F匝道段30+37.5+44+44+28.92连续梁81.734+41.6+34深圳市南光高速南坪快速互通立交-D匝道27.976+40+25+3810.51.745+45+41.81.8深圳市南光高速南坪快速互通立交-C匝道44+52.8+44连续梁10.52深圳宝岗路桥30＋36.319＋29.65连续梁23.91～301.4～1.533东莞大道立交31.15+38+48+38+31.15连续梁44.51.6白沙立交75+150+75连续刚构22.753～6.59深圳丽水路桥、东莞市环城路-东莞大道跨线桥、深圳北环香梅路跨线桥、深圳宝岗路桥、深圳机场立交、深圳大学城1、2号桥、深圳仙湖植物园环园高架桥。（图19～图25）图19：深圳丽水路桥图20：东莞市环城路-东莞大道跨线桥图21：深圳北环香梅路跨线桥图22：深圳宝岗路桥图23：深圳机场立交图24：深圳大学城1、2号桥10图25：深圳仙湖植物园环园高架桥3.2钢管混凝土拱桥（6座）钢管混凝土拱桥一览表工程名称跨径布置（m）桥面宽度（m）拱肋高（m）深圳彩虹大桥1×15028.53深圳芙蓉大桥55+80+5523.52.4东莞水道大桥50+280+5026.15.5东莞大汾北水道桥1×128243.5长沙天华路天桥1×32(两座)6.31.2越南跨河拱桥1×328.41.2二十一世纪初建成、由我公司设计的深圳北站桥（彩虹桥）（图26）位于深圳市市区，是连接八卦三路与田贝四路的城市道路上跨越深圳火车北站的城市跨线桥。大桥为主跨150米的下承式无铰系杆拱桥，桥面宽23.5米，拱脚处桥面宽28米。其上部结构、下部结构及桥面结构均采用钢－混凝土组合结构，是世界上首座全组合结构大跨桥梁；其采用的预应力钢－高托座混凝土空心板叠合梁也属首创。深圳北站桥（彩虹桥）工程荣获2001年广东省优秀工程设计一等奖、部级（建设部）优秀勘查设计三等奖；以该大桥为工程依托的、由我公司为第一主要完成单位的项目“钢－混凝土组合结构关键技术的研究及应用”获国家科技进步二等奖、“深圳彩虹（北站）大桥钢－混凝土组合桥梁设计与研究