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我国钢·混组合结构桥的应用与发展中国工程设计大师王用中我国钢·混组合结构的应用与发展钢·混组合结构桥概述我国应大力发展钢·混组合结构桥钢·混组合结构桥在我国的应用我国应大力发展钢·混组合结构桥我国应大力发展钢·混组合结构桥我国已成为桥梁大国，经济的发展要求建设更多的桥梁。•我国桥梁总数远远超过世界上任何一个国家。•到2010年我国公路桥梁数量将达65.81万座。•到2020年我国铁路运营里程将达12万公里以上。•我国各种桥型大跨径桥梁的跨度记录均居世界前列。环保、节能和实现可持续发展是使社会经济同能源、资源、环境实现良性循环的措施，是社会发展与自然关系的协调与保证。中国混凝土产量（未计港、澳、台地区）1998年是13亿m3，而到2003年则达到15亿m3，2005年统计我国工程用混凝土总量更达24亿m3,占世界混凝土总量的40-60%，2012年砼用量更达40亿m3，其耗用砂、石、水泥用量巨大，而水泥、骨料的生产让我们国家付出了沉重的环保代价。工程界有识之士正在大力呼吁采用高性能高强混凝土、采用钢-混组合结构，推广钢结构，以彻底改变我国工程结构以混凝土为主的现状，以与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。预应力混凝土桥梁由于施工工艺的局限而普遍存在质量问题，大量混凝土的应用，也让我们为之付出了沉重的环保代价。残缺的青山绿水从产量规模上看，中国是世界粗钢产品的最大产出国，2008年粗钢产量超过6万吨，占世界总量的49%中国钢铁产量连续12年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家。中国钢铁产量比排名2-8位的日本、美国、俄罗斯、印度、韩国、德国、乌克兰等七个国家的总和还多！13.313.412.28.78.98.38.27.87.711.310.48.07.6chart1：近年世界与中国粗钢产量（IISI）1.01.11.21.31.41.51.82.22.73.54.24.96.6024681012141996199820002002200420062008中国世界（除中国）Chart2:2008年世界粗钢产量前9国家比对（IISI）中国,6,6日本,1.19美国,0.91俄罗斯,0.69印度,0.55韩国,0.53德国,0.46巴西,0.34乌克兰,0.37VS2008年中国粗钢产量超过6亿吨，占世界总量49%，相当于日本的4倍，美国的5倍，德国的11倍！2012年中国粗钢产量更达7.16亿吨，稳居世界首位。“十二五”期间年复合增长率达到17.23%。“十二五”期间年复合增长率达到12.53%。“十二五”期间年复合增长率达到20.71%。钢和混凝土桥梁的比较桥式优越性不足性钢桥①抗拉强度高，弹性模量高，材料利用效率高。②结构自重小，可延伸跨度③质量易于保证④适于快速施工⑤延性、韧性好，抗震性优越⑥正常涂装情况下，物理寿命长①作为受压构件或板件，承载力受压曲性能控制②用于受拉构件时，疲劳问题应慎重对待③涂装维修费用稍高④价格较高混凝土桥①价格便宜②适用于受压构件③短期内维修量少①抗拉性能差②因盐害、中性化、碱骨料反应、冻融等病害，物理寿命较短③PC结构施工繁杂，施工期较长④干燥收缩、水化热反应、温差等原因，施工时应慎重防止早期裂纹⑤脆性大，不利于抗震⑥自重大，大跨桥梁受限制⑦大量使用砂石材料，不利于环保复合结构可利用的效果效果说明组合效果与钢梁相比增大了截面系数和刚度相互支持效果由于钢与混凝土的相互支持和约束，增大了强度和抗变形能力。如处于二轴或三轴受力状态（钢管或钢箱内混凝土）的混凝土，强度得到成倍提高；提高了与混凝土板连续的钢梁翼缘的压屈强度高质量、快速施工厂内预制钢梁和混凝土板，确保了质量，可快速架设和安装架设钢材作为主体结构吊桥和斜拉桥主塔用型钢骨架立模板，可有效控制施工精度；斜拉桥主塔的刚锚固体直接传力并平衡两侧索的拉力，避免了PC锚固体施工的复杂性轻型化中小跨度钢梁、组合梁和PC梁的重量之比大约为1：（2~2.5）：（4~4.5），相比减小了恒载内力及地震时的惯性力，大大减少了作用在下部结构的荷载平衡重效果大跨度连续梁、矮塔斜拉桥（extradosedbridge）、斜拉桥、斜腿刚构中，跨中区段用钢梁代替PC梁，既可避免端支点负反力，又可平衡中跨弯矩节省模板材料钢梁作为混凝土桥面板的脚手架和模板保护效果上翼缘混凝土板使下面钢梁避免雨水和阳光的直接照射，改善了腐蚀环境，可延长钢梁涂装寿命环保效果混凝土的主要原料是砂石，就地开采矿石对环境造成严重破坏并污染大气，减少砂石用量有利于环境保护法国组合梁桥在不同跨长上的分布率钢·混组合结构桥概述钢-混组合结构定义在型钢或钢板焊接（或冷压）钢构件，上面、四周或内部浇筑混凝土，使混凝土与钢构件形成整体，共同受力的结构，统称为钢-混凝土组合结构。由钢梁和混凝土板通过连接件连成整体而共同受力的承重构件是为钢-混组合梁。钢-混组合结构的优点钢-混凝土结合梁桥在中等跨度(20~90m)桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是：组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，因而具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。与钢桥相比有：①节省钢材；②降低建筑高度；②减少冲击，耐疲劳；④减少钢梁腐蚀；⑤减少噪音；⑥维修养护工作量较少等。与混凝土桥相比有：①重量较轻；②制造安装较为容易；③施工速度快，工期短等。组合结构桥梁在国外的发展（1/4）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；组合结构桥梁在国外的发展（2/4）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；组合结构桥梁在国外的发展（3/4）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，组合结构桥梁最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；组合结构桥梁在国外的发展（4/4）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。组合结构桥梁在国内的发展现状（1/2）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；组合结构桥梁的技术水平落后于国际先进水平。组合结构桥梁在国内的发展现状（2/2）形成中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认识原因有：钢结构或组合结构的造价高、养护费用高；钢材较贵，同时我国劳动力费用较低；而深入研究表明：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。组合结构桥梁发展展望西方国家在40~100m跨度的桥梁，甚至更大跨度范围的桥梁中，组合结构桥梁已经显示出技术经济上的优势。组合结构桥梁在国内完全可以表现出经济竞争力。国内在组合结构的发展过程中必须充分重视经济性，失去经济上的竞争力就不可能获得良好的发展前景和发展动力。组合结构设计理念长江三峡库区向家坝大桥为43.3m+72.2m+43.3m三跨连续钢桁架组合梁，其材料费用指标与附近基本相同跨径、桥宽、桥高的峡口二号大桥对比如下表：桥名指标向家坝大桥峡口二号大桥每平米桥面主梁混凝土总用量0.33m30.66m3主梁预应力钢材用量11.2kg46.1kg主梁钢管、型钢、钢筋用量182.5kg96.0kg全桥造价（2000年）2834元4167元法国不同跨长PC梁桥与组合梁桥的造价对比（1995年）组合结构桥梁的主要分类组合钢板梁桥组合钢箱梁桥组合钢桁梁桥钢桁腹杆组合梁桥波形钢腹板箱梁桥除梁桥外，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。新型组合梁桥—少I字梁桥少I字梁桥因I型梁数量少组合桥面板或预应力桥面板径增大，主梁减少从而实现横梁、横隔的结构简化。经济适用跨度少I字主梁桥与传统的多主梁桥比较示意如下新型组合梁桥—少I字梁桥新型组合梁桥—少I字梁桥设定传统多主梁桥各项目指标为100时，相应少I字主梁各项目指标百分比钢重大型板材片数小型板材片数焊接长度涂装面积新型钢桥架设实例—少I字梁桥•由于采用少I字梁组合桥面板，故可不用主体工程支架。由于采用了厚钢板，提高了屈曲强度，由于组合桥面板的采用，可提高横向刚度，使顶推施工得以实现。紀勢大橋（大内山川橋）新型组合梁桥—开口断面箱梁桥开口断面箱梁桥上翼缘构件类同I字梁，在桥面板做成后成为闭断面箱梁桥。因腹板间距较大多使用组合结构桥面板导致纵梁，导致纵横梁等桥面板大量简化、省略。经济适用跨度与传统主箱梁相比开口断面箱梁桥比较结果示意如下新型组合梁桥—开口断面箱梁桥新型钢桥架设实例—开口箱梁桥•由于主梁构造优化致构件数量减少，组合桥面板的采用以及底板具有补强功能，导致顶推牵引施工的可能性。雄物川橋设定传统主箱梁桥各项目指标为100时，相应开口断面箱梁桥各项目指标百分比钢重大型板材片数小型板材片数焊接长度涂装面积新型组合梁桥—开口断面箱梁桥组合钢箱梁桥的优点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最大跨度已超过200m，单箱桥面宽度超过30m。新型组合梁桥—窄幅箱梁桥窄幅箱梁桥的箱梁幅宽较传统的箱梁要窄，另一方面翼缘板加厚故使箱梁内部构造简化（箱梁内纵肋减少，横肋取消），又因采用组合结构桥面板或预应力混凝土桥面板从而导致桥面板构造的简化与合理化。经济适用跨度窄幅箱梁桥与传统的宽箱梁桥的比较示意如下新型组合梁桥—窄幅箱梁桥设定传统的宽幅箱梁桥各项目指标为100时，则窄幅箱梁与之相比指标为：钢重大型板材片数小型板材片数焊接长度涂装面积新型组合梁桥—窄幅箱梁桥新型钢桥架设实例—窄幅箱梁桥•伴随主梁构造的优化，纵梁承托和桥面板等构造的省略，架设工期可望缩短。町屋川橋（員弁川橋）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，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。法国Boulonnais高架桥，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。•法国B