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西南交通大学研究生课程组合结构桥梁主讲：赵灿晖教授联系电话：13881914364一、组合结构入门作者：聂建国出版社：人民交通出版社教材参考资料一、组合结构入门1.1组合结构的分类组合结构狭义：叠合梁（或组合梁）受压区以混凝土作为主要受力材料，受拉区以钢作为主要受力材料广义：叠合梁，混合结构，钢管混凝土结构，波形钢腹板结构，混合-组合结构组合结构：由钢结构和混凝土结构两种结构组合而成的新型结构一、组合结构入门1.2组合结构的特点1.叠合结构（梁）混凝土板受拉受压•叠合梁在受压区使用混凝土结构，受拉区使用钢结构，充分发挥了混凝土抗压强度高的优点，避免了在受拉区使用混凝土，充分发挥了钢、混凝土两种材料的优点。一、组合结构入门1.叠合梁用途：简支梁、连续梁、斜拉桥，中承式拱桥桥道梁重庆观音岩长江大桥叠合梁一、组合结构入门就截面形式而言可分为：板梁、箱梁、桁架梁•由至少2片钢主梁和混凝土板构成，横梁一般采用钢结构，主要有梁式和桁架式两种，需注意的是混凝土顶板既是主梁的一部分，也是桥面板组合板梁1.叠合梁一、组合结构入门多箱截面单箱双室单箱双室带挑臂•由至少1片钢主梁和混凝土板构成，钢主梁可为开口箱也可为闭口箱，可根据需要设置成多种截面形式，十分灵活，同样地混凝土顶板既是主梁的一部分，也是桥面板闭口钢箱开口钢箱双箱截面互通匝道桥采用的斜置双向截面组合箱梁混凝土1.叠合梁一、组合结构入门•与组合箱梁相比，只是将钢箱换为了桁架，由于桁架的用钢梁较大，目前一般在公、铁两用桥中使用，但桁架可以散件拼装，适应山区不便于大件运输的特点，在山区大跨度桥梁中有发展潜力。组合桁架梁钢桁架混凝土板1.叠合梁一、组合结构入门混合结构是指在结构的不同部分分别使用钢结构和混凝土结构，并通过钢-混结合部将两种结构连接为整体的结构。与叠合梁的区别：整个结构钢、混凝土两种结构构成，但在同一截面内仍为同一种材料。2.混合结构钢梁混凝土混凝土湖北鄂东长江大桥边跨混凝土梁截面中跨钢箱梁截面钢混结合段一、组合结构入门重庆观音岩长江大桥2.混合结构钢梁混凝土板钢梁横隔板叠合梁截面一、组合结构入门2.混合结构•混合结构用途十分广泛，除用于斜拉桥主梁外，还可用于连续刚构桥（主梁）、拱桥（主拱）、斜拉桥、悬索桥桥塔等钢－混连接段南京长江三桥钢-混凝土混合索塔一、组合结构入门2.混合结构重庆石板坡大桥——混合梁连续刚构重庆菜园坝大桥——混合结构拱桥•特点：在跨度大的中跨（或一部分）采用钢梁，减轻自重，增大跨越能力，边跨采用混凝土结构保证边中跨平衡，也充分发挥了钢、混凝土两种材料的优点。一、组合结构入门3.钢管混凝土结构•钢管混凝土结构由外包的钢管和管内混凝土构成，主要用于以受压为主的结构中，如拱桥、桥墩混凝土普通钢筋混凝土型钢钢管混凝土混凝土型钢或钢管钢筋混凝土钢管混凝土型钢混凝土劲性骨架混凝土一、组合结构入门3.钢管混凝土结构•特点：以钢管包裹混凝土大幅改善了混凝土的性能；钢管既作为结构的一部分也是混凝土施工的模板，在施工时只需安装重量较轻的钢管结构，解决了大跨拱桥，高墩的吊装问题，大大简化了施工。•钢管混凝土结构发展迅猛，目前在主梁中也开始应用钢管混凝土结构，并形成了钢管混凝土叠合结构一、组合结构入门4.波形钢腹板结构•波形钢腹板结构以波折形钢腹板取代混凝土箱梁中的混凝土腹板形成的组合结构，通过波折钢腹板接头与混凝土顶、底板连接，在大跨和中等跨度主梁中均有中应用波形钢腹板一、组合结构入门4.波形钢腹板结构一、组合结构入门4.波形钢腹板结构•波形钢腹板梁从根本上解决了大跨混凝土箱梁的腹板开裂问题，减轻了结构自重，由于波折钢腹板轴向刚度小，提高了作用于顶底板的预应力效率。波形钢腹板梁发源于平腹板梁，但平腹板梁易在主压应力的作用下屈曲，若设置加劲又将使结构复杂化，采用波折钢增大了面外刚度，解决了稳定问题一、组合结构入门4.波形钢腹板结构•波形钢腹板梁的发展正方兴未艾，在日本、韩国得到了较为广泛的应用，在我国正处于快速发展之中，先后修建了南京滁河大桥等桥梁中得到应用，在正在设计的汶九高速、雅康高速中也拟大规模使用一、组合结构入门5.组合混合结构•在结构的一部分使用叠合梁，在其余部分使用混凝土梁，或钢梁，形成组合混合结构。•目前主要用于斜拉桥中叠合梁混凝土梁一、组合结构入门5.组合混合结构•根据工程需要在结构的不同部分灵活使用钢结构或混凝土结构已成为桥梁设计的一种基本思想，也给工程师提供了充分发挥其构思的空间，组合结构是目前桥梁工程中发展最为活跃的领域之一。叠合梁钢梁一、组合结构入门6.组合结构桥梁的研究内容组合结构整体结构行为：如研究叠合简支梁的刚度、剪力滞，混合梁斜拉桥的稳定，钢管混凝土拱桥地震响应剪力键（抗剪连接件）：如剪力栓钉的力学性能（承载能力，刚度），PBL连接件的力学性能，新型连接件的研发钢-混接头：如混合结构的钢-混结合部构造、力学行为、设计方法，叠合梁混凝土板与钢梁的连接二、组合结构桥梁设计原则•组合结构的设计方法主要有容许应力法和极限状态法两类，目前以极限状态法为主，无论哪一种设计方法，其原则都已为大家所熟知•组合结构桥梁所采用材料主要是钢和混凝土两类，混凝土和普通钢材（含钢筋）的力学性能也是大家所熟知的内容，这里我们只对高性能钢材做一介绍•至于组合结构桥梁所需考虑的荷载及其组合，所采用的支座与钢结构桥梁、混凝土结构桥梁并无差异，这里也不做介绍二、组合结构桥梁设计原则高性能钢材高屈服点钢材（屈服强度大于685MPa）屈服点与厚度无关钢材抗层状撕裂钢低预热厚钢板高强超厚钢板耐候钢不锈钢2.1.高性能钢材二、组合结构桥梁设计原则•耐候钢：是具有良好耐腐蚀性的钢材•耐腐蚀机理：在钢材表面生成致密的氧化层，从而阻碍了腐蚀介质的渗入，除耐大气腐蚀的耐候钢外，还有耐海水腐蚀、耐盐蚀耐候钢•我国耐候钢种：Q235GNH、Q345GNH、Q390GNH，GNH为高耐候，GNHL为含Cr、Ni元素，塑性性能更好一些•注意：耐候钢在焊接时，焊缝也必须是耐候的，否则焊缝会成为薄弱环节二、组合结构桥梁设计原则•不锈钢：是具有良好耐腐蚀性的钢材•耐腐蚀机理：在钢材表面生成稳定、透明的氧化铬钝化层•优点：免维护•缺点：价格高昂，焊接不便，没有屈服台阶•目前在桥梁工程中应用较少•铝合金：具有重量轻、韧性好、疲劳强度高、耐腐蚀的优点，但弹性模量小，焊接不便，且价格相对较高二、组合结构桥梁设计原则2.2.桥面板有效宽度•就本质而言叠合梁是一个内部无限次超静定结构，靠近钢梁位置刚度大，分担荷载多，从而形成靠近钢梁腹板处混凝土板应力大，向两侧应力逐渐减小的应力分布形态，即存在剪力滞后•1.问题的提出二、组合结构桥梁设计原则2.2.桥面板有效宽度•计算时若按曲线分布的应力进行将是十分复杂的，因此期望用一个矩形分布的应力去代替，这个矩形应力图的宽度即为有效宽度二、组合结构桥梁设计原则2.2.桥面板有效宽度•等效原则：•（1）等效后的最大应力与原最大应力相等•（2）等效后的力相等（HIJK的面积与ABCDE面积相等）二、组合结构桥梁设计原则•有效宽度的影响因素：•（1）钢梁间距与跨度之比•（2）荷载形式；（3）受力阶段（弹性、塑性）•（4）约束条件（简支、连续、悬臂、边支座、中支座）•（5）截面特征（是否有承托，板厚）•2.有效宽度计算方法•目前各国规范有效宽度的计算方法均按弹性阶段为依据，当组合梁截面达到极限状态时，大部分已进入塑性，截面应力的分布更均匀，因此按弹性阶段得到的有效分布宽度计算极限承载力是偏于安全。二、组合结构桥梁设计原则•（1）公路规范的计算方法•公路规范的计算方法引自EuroCode4，•适用范围：仅适用于受弯为主的主梁（简支梁、连续梁、连续刚构），对于主梁以受压为主的斜拉桥需进行专门研究0eeibbb跨中及中间支座处•bei=Le/8≤bi，bi为最外连接件至相邻钢梁中线的距离，或为最外连接件至自由边的距离。二、组合结构桥梁设计原则•bei=Le/8≤bi，Le等效跨度，简支梁为支座中心线间的距离，连续梁中跨为0.7跨度，连续梁边跨为0.85倍跨度，负弯矩段为相邻两跨跨度之和的0.25倍，悬臂梁为跨度的两倍。0eieibbb边支座处：0.550.025/1ieiLb•Le边跨等效跨度，其余符号意义同前二、组合结构桥梁设计原则•可以看出，由于约束条件的不同，跨中、边支点、中支点处有效宽度是不同的。当用于结构的内力计算时，有效宽度均按跨中有效跨度取值（简支、连续），悬臂梁按支座处取值，但进行截面验算时则应考虑不同截面取用不同有效宽度二、组合结构桥梁设计原则•（2）建筑结构规范的计算方法•建筑规范考虑了承托的影响和板厚的影响，012ebbbb跨中及中间支座处•b0板托顶部宽度（书上图有误），当板托倾角α小于45O时按45O计，无板托时取钢梁上翼缘宽度。•b1梁外侧的计算宽度，取主梁跨度的1/6和翼板厚度6倍中的小值，且b1s1•b2梁内侧的计算宽度，取主梁跨度的1/6和翼板厚度6倍中的小值，且b2s0/2有板托无板托二、组合结构桥梁设计原则•（3）英国BS5400规范的计算方法•BS5400按表格的形式给出有效宽度•考虑的因素包括荷载形式，宽跨比。表中b为钢梁腹板间距，基本上采用在腹板间距b的基础上乘以一个小于1的系数的形式。二、组合结构桥梁设计原则•（3）英国BS5400规范的计算方法•BS5400还规定：•（1）对于有自由边的情况，有效宽度取0.85ψb,b为腹板中心线至自由边的距离•（2）l：对于悬臂梁取悬臂长度；对于一般情况取支座间距•（3）同时明确指出，不适用于受压的情况三、抗剪连接件（shearconnector）•1.抗剪连接件的作用及要求3.1抗剪连接件（也称剪力键，传剪器）的基本受力性能•混凝土板的I=0.000667，EI=23000•钢梁I=0.011，EI=2310000•混凝土板+钢EI=2333000•混凝土板的I=0.000667，EI=23000•钢梁I=0.011，EI=2310000•混凝土板+钢EI=3381000无连接件有连接件三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件的基本受力性能无连接件有连接件•作用1：连接件承担了混凝土板与钢梁界面的剪力，协调混凝土板与钢梁的变形，将混凝土板与钢梁组合在一起共同工作，是组合梁得以实现的关键三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件的基本受力性能•作用2：连接件需承担混凝土板的上掀力，保证钢、混凝土变形的曲率相同，这也是二者变形协调共同工作的重要条件局部放大局部脱空由于混凝土板与钢梁刚度不同，导致其变形的曲率不同，在局部可能出现脱空，导致钢与混凝土不能协调工作钢梁混凝土板三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件的基本受力性能•组合结构对连接件的要求：•1.能够传递混凝土板与钢梁间的剪力•2.能够提供混凝土板与钢梁间的抗拔力，保证钢与混凝土变形曲率相同•3.施工方便三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件的基本受力性能•2.连接件分类刚性连接件：优点：连接件刚度大，钢与混凝土间的相对滑移小，截面的应变分布更接近平截面假定。•按刚度可分为刚性连接件和柔性连接件刚性连接件三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件的基本受力性能缺点：（1）混凝土局部应力大，可能因此而导致混凝土板先于整体结构破坏，没有充分发挥钢结构的作用，极限承载力不一定较柔性连接件高，（2）破坏比较突然。荷载滑移曲线-荷载作用下钢与混凝土间的相对错动量-表征连接件延性的重要指标三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件的基本受力性能缺点：（3）各连接件剪力分布很不均匀，连接件的布置需根据剪力图进行，导致了连接件布置复杂化弹性阶段各连接件剪力分布不均匀，明显与结构的剪力分布有关塑性阶段各连接件剪力分布逐渐趋于均匀，但不均匀度仍很明显三、抗剪连接件（shearconnector）3.1抗剪连接件