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來(lái)源：筑龍論壇

一、組合鋼板梁橋主要內(nèi)容

1、組合梁與非組合梁在力學(xué)上的相異點(diǎn)

2、組合鋼板梁的分類及其特點(diǎn)

3、組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀及其發(fā)展

4、鋼板梁

5、鋼板梁

6、梁與混凝土橋面板的連接

7、連續(xù)組合鋼板梁橋

二、組合梁與非組合梁

組合梁與非組合梁在力學(xué)上的相異點(diǎn)

三、組合梁的分類及其特點(diǎn)

組合梁的定義：當(dāng)鋼梁與混凝土橋面板之間用連接件接合在一起，兩者間不能自由發(fā)生相對(duì)滑移、共同承擔(dān)縱橋向彎矩時(shí)，稱為組合梁。

組合鋼板梁的定義：是指用3塊鋼板焊接成截面為I形鋼梁的組合梁。

圖2 連接件

四、組合梁連接剛度分類

剛性組合梁：梁板接合面上使用的是剛性連接件，兩者間不發(fā)生相對(duì)滑移，截面應(yīng)變變化連續(xù)，平截面假定成立，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。

彈性組合梁：梁板接合面上使用的是彈性連接件，允許兩者間發(fā)生一定程度的相對(duì)滑移，截面應(yīng)變變化不連續(xù)，計(jì)算比較復(fù)雜。

柔性組合梁：梁板接合面上使用的是柔性連接件，允許兩者間發(fā)生相當(dāng)程度的相對(duì)滑移，截面應(yīng)變變化不連續(xù)，計(jì)算比較復(fù)雜。

圖3 剛度不同時(shí)相對(duì)滑移量的分布

活荷載組合梁：不用腳手架施工、直接在鋼梁上拼裝模板、澆筑混凝土橋面板時(shí)，鋼梁及其橋面板等前期死荷載由鋼梁承擔(dān)，而路面鋪裝等比較小的后期死荷載由混凝土橋面板已經(jīng)硬化的組合梁承擔(dān)，即承擔(dān)后期死荷載及其活荷載的組合梁。

死活荷載組合梁：用腳手架施工、在橋面板完全硬化后撤除腳手架時(shí)，鋼梁、橋面、路面鋪裝等死荷載都由組合梁承擔(dān)，即承擔(dān)所有死荷載與活荷載的組合梁。

圖4 組合梁承重按施工分類

六、組合梁結(jié)構(gòu)體系分類

簡(jiǎn)支組合梁：簡(jiǎn)支組合梁的鋼梁下翼緣承受拉應(yīng)力，而混凝土橋面板可以設(shè)計(jì)成僅僅承受壓應(yīng)力，完全沒(méi)有拉應(yīng)力作用。

連續(xù)組合梁：連續(xù)組合梁在橋墩上受到很大的負(fù)彎矩作用，其橋面板如何承受拉應(yīng)力、防止發(fā)生有害裂縫是一個(gè)未完全解決的課題。

七、組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展

非組合鋼板梁橋：橫撐、豎撐，加勁肋等輔助構(gòu)件很多

圖5 非組合鋼板梁橋的承重體系

組合鋼板梁橋—?dú)W洲設(shè)計(jì)上的變遷

組合鋼板梁橋—日本設(shè)計(jì)上的變遷

圖5 日本早川橋 相鄰2座橋（4根主梁--2根主梁）

采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，減少主梁根數(shù)；不設(shè)或少設(shè)橫撐、腹板加勁肋 ；維護(hù)容易，造價(jià)大幅度降低。

組合鋼板梁橋的發(fā)展趨勢(shì)

八、鋼板梁

組合鋼板梁的承載性能--屈曲形式

圖6 鋼板梁屈曲形式

非組合鋼板梁的承載性能—防止屈曲失穩(wěn)的措施

腹板的局部屈曲：加大腹板厚度、設(shè)橫縱向加勁肋

壓縮翼緣的豎向屈曲：限制腹板寬度與厚度比

壓縮翼緣的扭轉(zhuǎn)屈曲：限制翼緣寬度與厚度比

梁整體橫向屈曲：調(diào)整翼緣與腹板截面積的比，設(shè)豎向橫撐

九、組合鋼板梁

組合鋼板梁的承載性能—承載性能方面的特點(diǎn)

在彎矩作用區(qū)間，中性軸位置向橋面板側(cè)上移，終局時(shí)鋼梁截面壓縮區(qū)范圍很小，可以不設(shè)縱向加勁肋。

彎矩作用區(qū)間，即使把橫向加勁肋的間距增大、即縱橫比加大到a=3，還有增大腹板高厚比的余地。

組合鋼板梁試件的最大荷載，與把截面假定完全塑性狀態(tài)算出的抗彎承載力較接近，能夠發(fā)揮密實(shí)截面的承載性能。

在組合鋼板梁的剪力作用較大區(qū)間，腹板屈曲后的剪切強(qiáng)度很難提高，還不宜加大縱橫比或減小腹板厚度的限值。

組合鋼板梁橋面板的混凝土、鋼筋能夠承擔(dān)一部分剪力，其抗剪承載力比純鋼板梁大約增大16%。

以2主梁橋?yàn)槔匿摪辶涸O(shè)計(jì)要點(diǎn)

在組合鋼板梁的彎矩作用區(qū)間，中性軸位置向橋面板側(cè)上移，終局時(shí)鋼梁截面壓縮區(qū)范圍很小，可以不設(shè)縱向加勁肋。這種情況下，如果鋼板梁腹板厚度過(guò)大，設(shè)置一列縱向加勁肋、使腹板厚度統(tǒng)一起來(lái)是可行的。

正彎矩區(qū)的鋼板梁受到的剪力較小，再加上由于省略縱向加勁肋后鋼板變厚、剪應(yīng)力相對(duì)地減小。為此，橫向加勁肋的縱橫比可以加大到a=3，即橫梁之間不設(shè)置橫向加勁肋是可能的。但是中間橋墩附近等剪力較大的區(qū)間，橫向加勁肋的間距還有待進(jìn)一步研究。

伴隨著鋼板翼緣及其混凝土橋面板的厚度都相應(yīng)增大，翼緣受到橋面板的約束及其腹板受到翼緣的約束都變大，屈曲強(qiáng)度也增大。在組合鋼板梁的正彎矩作用區(qū)間，即使把橫向加勁肋的間距增大、即縱橫比加大到a=3，還有增大腹板高厚比的余地，其上限可以設(shè)為h0/tw=180。

以2主梁橋?yàn)槔臋M梁布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

將橫梁布置在橫斷面上部比布置在中部，主梁下翼緣的水平位移與彎曲應(yīng)力大約高出5倍、3倍，當(dāng)布置在下部時(shí)進(jìn)一步減小?？紤]到橋面板等的施工，把橫梁布置在橫斷面中部或稍微偏下的位置比較妥當(dāng)。

橫梁間距越大，下翼緣的水平位移也越大，但是，即使是間距大到30m其位移也未達(dá)到3mm，反而橋墩附近的彎曲應(yīng)力隨之減小。調(diào)查已建橋梁可知，橫梁間距大致在5~10m，而橋墩附近即負(fù)彎矩作用區(qū)一般都比較小，大致為5m。

橫梁截面剛度越大其位移也減小。調(diào)查已建橋梁可知，橫梁一般都使用I形鋼，基本上依據(jù)施工時(shí)的荷載及其安定性來(lái)決定截面尺寸。但同時(shí)為了防止負(fù)彎矩區(qū)的鋼梁整體橫向屈曲，要確保橫梁的截面剛度。

為了防止鋼梁整體橫向屈曲，要保證橫梁與橫向加勁肋構(gòu)成的U形剛構(gòu)具有一定的剛度，特別要驗(yàn)算支座上的U形剛構(gòu)的剛度，確保由橋面板傳來(lái)的橫向荷載有效地傳給支座。

橫梁在使用荷載作用下的應(yīng)力極其小，與主梁接合部的疲勞問(wèn)題不突出，接合方式等可以考慮施工性來(lái)決定。

要考慮橫梁在施工時(shí)的作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，兼作橋面板施工的支架等等。

十、橋面板

橋面板的分類與特點(diǎn)

混凝土橋面板

鋼橋面板

鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)橋面板

十一、混凝土橋面板

混凝土橋面板：現(xiàn)澆，預(yù)制；預(yù)應(yīng)力，非預(yù)應(yīng)力；直線底面型，曲線底面型；固定支架施工，移動(dòng)支架施工。

現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的特點(diǎn)

施加預(yù)應(yīng)力之前，后澆混凝土段接縫附近橋面底板產(chǎn)生斜裂縫后澆混凝土的約束所致。

施加預(yù)應(yīng)力之后，后澆混凝土段的橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫預(yù)應(yīng)力、支架移動(dòng)、鋼板梁約束所致。

施加預(yù)應(yīng)力一段時(shí)間后，在橫梁正上方橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫預(yù)應(yīng)力鋼筋偏心配置后，橋面板上拱，同時(shí)主梁上翼緣受到橫梁與橫向加勁肋的約束而不能隨橋面板協(xié)調(diào)變形，使橫梁正上方的連接件受拉，從而在橫向預(yù)應(yīng)力作用發(fā)生橫向裂縫。

現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的預(yù)防

抑制混凝土發(fā)熱量：盡可能減少水泥單位用量，或使用發(fā)熱小的水泥。要保持橋面板上面的濕度，加強(qiáng)保溫，下面盡可能采用木制模板。

添加適量膨脹劑：一般伴隨著降溫，混凝土?xí)l(fā)生體積縮小，通過(guò)使用膨脹劑能夠某種程度地抑制體積縮小。

分級(jí)施加預(yù)應(yīng)力：可考慮在初期階段，將預(yù)應(yīng)力僅施加能夠保證支架移動(dòng)的部分，其余的待混凝土完全硬化后再施加。

固定支架澆灌：支架移動(dòng)所引起的應(yīng)力加劇了早期裂縫的發(fā)生，將移動(dòng)支架改為固定支架澆灌混凝土也是可以選擇的施工方法之一。

增加鋼筋用量：鋼筋用量的增加一般不會(huì)直接防止裂縫的發(fā)生，但是會(huì)減小裂縫寬度及其間距。為此，可以采取在鋼板梁上方沿著縱向配置中段鋼筋，在接縫附近增加橫向鋼筋等措施。

適當(dāng)?shù)卦O(shè)置連接件：防止橫梁正上方的橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫的方法之一，是要在橫梁處正上方合理設(shè)置連接件。

現(xiàn)澆橋面板的損壞機(jī)理

橋面板的收縮變形受到鋼板梁的約束，在施工階段就可能產(chǎn)生了沿著縱橋向的附加拉應(yīng)力，甚至出現(xiàn)了肉眼觀察不到的微細(xì)裂縫。

通行后的車(chē)輛荷載引起的拉應(yīng)力與早期發(fā)生的拉應(yīng)力合成，就會(huì)在橋面板底面產(chǎn)生橫向裂縫，如圖(a)所示。

隨著車(chē)輛荷載的長(zhǎng)期作用，產(chǎn)生縱向裂縫后形成縱橫交錯(cuò)的形狀，并貫通到橋面板上表面，如圖(b)所示。

伴隨著裂縫面間骨料咬合力的喪失，橋面板的抗剪性能逐漸降低，產(chǎn)生更多裂縫，如圖(c)所示。

當(dāng)車(chē)輛荷載超過(guò)其抗剪強(qiáng)度后，混凝土就開(kāi)始脫落而損壞，如圖(d)所示。一般認(rèn)為導(dǎo)致最終的破壞是剪切疲勞。

預(yù)制橋面板的技術(shù)特點(diǎn)

從現(xiàn)澆混凝土橋面板的損壞過(guò)程可以認(rèn)識(shí)到，損壞一般起因于非荷載作用所引起的裂縫，要確保其耐久性就必須對(duì)早期裂縫的發(fā)生加以防止。

預(yù)制橋面板在澆灌后到鋪設(shè)，都放置一定的期間加以養(yǎng)護(hù)，其水合熱引起的溫度應(yīng)變及其干燥收縮變形都未受到外界的約束，產(chǎn)生的應(yīng)力極小，預(yù)制橋面板的推廣使用很有必要。

當(dāng)預(yù)制橋面板單向配筋、既僅在橋梁橫向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的情況下，即使已出現(xiàn)裂縫其裂縫面間的磨損速度也大幅下降。

僅在橋梁橫向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)制橋面板不僅可以防止早期裂縫的發(fā)生，而且其抗疲勞強(qiáng)度也大幅度提高，當(dāng)然采用雙向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的話其性能將更加被改善。

預(yù)制橋面板的接縫形式

• 摩擦型

一般在橋梁縱向施加預(yù)應(yīng)力時(shí)使用的形式之一，彎矩由預(yù)應(yīng)力鋼筋負(fù)擔(dān)，而剪力假設(shè)由兩者間的摩擦負(fù)擔(dān)。接縫間涂上膠結(jié)劑，達(dá)到防水的目的。

• 剪力鍵型

在兩塊板的接合面上做成槽形，并填充砂漿，使其發(fā)揮剪力鍵的功能。填充的砂漿要確保不會(huì)收縮，有時(shí)使用無(wú)收縮砂漿或加入若干膨脹劑。與摩擦型類似，無(wú)需繁雜的施工工序，一般在橋梁縱向施加預(yù)應(yīng)力。

預(yù)制橋面板的接縫形式

• 環(huán)形鋼筋型

在間距很大的接縫中，把兩塊板的鋼筋各自做成環(huán)形并相互交錯(cuò)，然后填充混凝土。橋梁縱向無(wú)需施加預(yù)應(yīng)力，基本上具有與橋面板同等的強(qiáng)度性能。

• 鋼管鍵型

把填充砂漿了的方鋼管作為剪力鍵，并在接縫之間灌注能夠防水的樹(shù)脂。用到橋梁縱向未施加預(yù)應(yīng)力的人行天橋橋面板上后，未發(fā)現(xiàn)漏水等事故，非常完好。

十二、組合結(jié)構(gòu)橋面板

組合結(jié)構(gòu)橋面板

用焊釘、彎折鋼板、鋼管等等都可以作為連接件的連接件型組合。

格構(gòu)型組合板是用型鋼代替一部分鋼筋然后澆灌混凝土，一般用較薄的鋼板作為底模板并構(gòu)成一體。

用開(kāi)孔鋼板連接件

夾層式組合

十三、鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—橋面板的有效寬度

主梁Ga與Gb之間的橋面板截面內(nèi)應(yīng)力s(y)在主梁上成為最大、即達(dá)到smax，越到跨中變得越小，通常將這一現(xiàn)象稱為剪力滯。精確計(jì)算是比較復(fù)雜的，一般用橋面板有效寬度考慮。

橋面板有效寬度：假設(shè)橋面板跨中某寬度的截面是不發(fā)揮作用的，僅某寬度λ范圍內(nèi)的截面承擔(dān)荷載。即有效寬度依據(jù)應(yīng)力分布面積相等，用下式計(jì)算：

有效計(jì)算模式

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—截面分力法

將截面上作用的彎矩M分解成，分別作用在鋼梁與橋面板截面上的彎矩M_s、M_c及其軸力N_s、N_c。即采用截面分力法，依據(jù)梁理論，橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應(yīng)力用下列各式計(jì)算。

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—荷載引起的截面力

作用力平衡式、截面轉(zhuǎn)角及其軸向變形條件式為：

依此可以推導(dǎo)出M_s、M_c、N_s、N_c的計(jì)算式為：

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—徐變引起的截面力

組合梁在彎矩M的作用下，混凝土橋面板截面上分擔(dān)了彎矩Mc及其軸力Nc。當(dāng)橋面板不受到鋼梁約束時(shí)，其截面中性軸上會(huì)因徐變而自由地產(chǎn)生應(yīng)變e1（圖b）；當(dāng)使橋面板的截面返回到當(dāng)初的應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，施加的拉力為N1（圖c）

實(shí)際上橋面板受到了約束而必須與鋼梁的變形保持協(xié)調(diào)，為此將拉力N1釋放，因徐變其組合截面上產(chǎn)生軸力N1及其彎矩M1，由下式計(jì)算。Φ₁為徐變系數(shù)。

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—干燥收縮引起的截面力

收縮變形與徐變一樣也是混凝土所特有的性質(zhì)，伴隨著收縮變形徐變也發(fā)生，且徐變系數(shù)j₂比持續(xù)荷載作用下的j₁大許多，j₂=2j₁。則混凝土的彈性模量為E_c2=E_c/(1+j₂/2)，與此相對(duì)應(yīng)，彈性模量比為n₂=n(1+j₂/2)。當(dāng)橋面板不受到鋼梁約束時(shí)，其截面中性軸上會(huì)因收縮變形而自由地產(chǎn)生應(yīng)變e₂；當(dāng)使橋面板的截面返回到當(dāng)初的應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，施加的拉力為N2。

因收縮變形，組合截面上產(chǎn)生軸力N2及其彎矩M2由下式計(jì)算。

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—溫差引起的截面力

在鋼板梁與橋面板間的連接件時(shí)溫差的影響也不容忽視。即使對(duì)于簡(jiǎn)支梁體系，鋼梁與混凝土橋面板的溫度升降不同（導(dǎo)熱率不同），兩者間必然產(chǎn)生溫差DT，可以不考慮徐變的影響，即混凝土的彈性模量不因溫差而改變。

設(shè)鋼材與混凝土的熱膨脹系數(shù)都為a，因溫差組合截面上產(chǎn)生軸力N3及其彎矩M3為:

當(dāng)求出由徐變、收縮及其溫差引起的組合截面作用力后，計(jì)算橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應(yīng)力,并與荷載作用下的應(yīng)力相組合加以驗(yàn)算。

組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—應(yīng)力驗(yàn)算

當(dāng)求出由徐變、收縮及其溫差引起的組合截面作用力后，計(jì)算橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應(yīng)力,并與荷載作用下的應(yīng)力相組合加以驗(yàn)算。

設(shè)某組合截面梁上作用彎矩M=1500kNm，收縮應(yīng)變?yōu)?em>e₂=20×10-5，溫差為DT=10℃，組合截面上由徐變、收縮及其溫差引起的應(yīng)力分布為：

連接件上剪切作用力的計(jì)算—荷載作用時(shí)

在剪力S作用下，鋼板梁與橋面板間單位長(zhǎng)度上作用的縱向剪力的計(jì)算

連接件上剪切作用力的計(jì)算—徐變、收縮、溫差的影響

由徐變、收縮、溫差產(chǎn)生的鋼梁與橋面板間剪力一般在梁端部最大，離梁端越遠(yuǎn)即達(dá)到某個(gè)長(zhǎng)度l_h時(shí)幾乎為零，假設(shè)剪力分布為三角形，a為主梁間距，L為跨度。

由徐變、收縮及其溫差引起的橋面板上作用的軸力求出之后，鋼板梁與橋面板間單位長(zhǎng)度上的縱向水平剪力用下式計(jì)算：

當(dāng)求出由徐變、收縮及其溫差引起的，鋼板梁與橋面板間單位長(zhǎng)度上的縱向水平剪力后，并與荷載作用下的剪力相組合，加以驗(yàn)算連接件的數(shù)量。

十四、連續(xù)組合鋼板梁

連續(xù)組合梁的分類--按照負(fù)彎矩區(qū)組合梁設(shè)計(jì)方法分類

連續(xù)組合梁在跨中附近即正彎矩作用下，截面拉伸區(qū)是抗拉強(qiáng)度高的鋼材板、壓縮區(qū)是抗壓強(qiáng)度高的混凝土橋面板，組合后性能進(jìn)一步得到了提高。

在橋墩附近受到很大的負(fù)彎矩作用，截面拉伸區(qū)是橋面板、壓縮區(qū)是鋼板，不僅兩種材料的性能未能有效地發(fā)揮，而且橋面板處于最不利受力位置。

根據(jù)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板的性能要求，可以分成不允許拉應(yīng)力發(fā)生、不允許裂縫產(chǎn)生、限制裂縫寬度的3種設(shè)計(jì)方法。

如果繼續(xù)細(xì)分的話，又可以分成在包括活荷載、及其不包括活荷載的荷載組合下，不允許拉應(yīng)力或裂縫發(fā)生。

在不采取任何措施的情況下，負(fù)彎矩區(qū)橋面板發(fā)生裂縫是不可避免的，問(wèn)題是要確保裂縫寬度不要發(fā)展到有害的程度是設(shè)計(jì)原則。

連續(xù)組合梁的分類--按照負(fù)彎矩區(qū)是否沿著縱向施加預(yù)應(yīng)力分類配置預(yù)應(yīng)力鋼筋法

連續(xù)組合梁的分類--按照負(fù)彎矩區(qū)是否沿著縱向施加預(yù)應(yīng)力分類

支座頂升法：

將中間支座上的鋼梁預(yù)先抬升某個(gè)高度，然后澆筑混凝土橋面板，待硬化后使鋼梁返回到設(shè)計(jì)位置。這是使支座上的鋼梁預(yù)先作用正彎矩，間接地給橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力。當(dāng)對(duì)多跨橋梁的所有中間支座上的鋼梁同時(shí)頂升時(shí)，頂升高度較大，安全性難以保證，施工成本也上升。這種情況下，可以采取逐個(gè)支座頂升及其澆筑混凝土橋面板的施工法，其頂升高度將大幅度下降。

加載配重法

利用鋼梁的彎曲變形恢復(fù)性能，首先澆筑正彎矩區(qū)的混凝土橋面板，待硬化后加載配重；然后澆筑負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板，待硬化后撤去配重。

負(fù)彎矩區(qū)使用鋼纖維混凝土

物部川鐵路橋

各跨跨徑：46.9m+2*47.5m+46.9m

橋面板：輕質(zhì)混凝土橋面板

鋼材：耐候鋼

連續(xù)組合梁的分類--按照組合是否沿著橋梁全長(zhǎng)連續(xù)分類

沿著橋梁全長(zhǎng)用剛性連接件連接、即組合連續(xù)，橋墩上橋面板就發(fā)生很大的拉應(yīng)力。

要減少這個(gè)拉應(yīng)力，將負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)為非組合或柔性組合、即組合斷續(xù)。

采取組合斷續(xù)的連續(xù)梁，在均勻分布荷載作用下，支座上橋面板拉應(yīng)力能夠降低。

在這里值得要說(shuō)明的是橋面板仍然是連續(xù)的，僅僅是鋼梁與橋面板的組合是斷續(xù)的。