賓 帆

鋼—混凝土結(jié)合梁橋具有結(jié)構(gòu)高度小、承載能力高、自重輕、剛度大等特點(diǎn)，使得其在中小跨度橋梁、工業(yè)廠房、大跨結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但結(jié)合梁也存在著變形大、負(fù)彎矩區(qū)易開裂等缺點(diǎn)。采用預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁兼有一般結(jié)合梁和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是解決上述問題的行之有效的辦法，是高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

1 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋定義

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，它是由外露的鋼梁或鋼桁梁和混凝土橋面板形成的組合結(jié)構(gòu)，且在混凝土板和鋼梁之間設(shè)置抗剪連接件，以保證在使用荷載作用下混凝土板和鋼梁共同作用，共同變形。

體外預(yù)應(yīng)力是將預(yù)應(yīng)力鋼束布置在主體結(jié)構(gòu)外部的預(yù)應(yīng)力，是后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的重要分支。它的概念和方法產(chǎn)生于法國(guó)，由Eugene Freyssinet提出并首次應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代末開始在工程中大量應(yīng)用。

體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋是綜合使用體外預(yù)應(yīng)力和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)兩種技術(shù)的一種組合結(jié)構(gòu)(見圖1)。鋼筋混凝土頂板和鋼梁通過剪力連接件結(jié)合成一個(gè)整體的受彎構(gòu)件，兩種材料合理的結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，各盡其用。在此基礎(chǔ)上，合理地布置高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼索，并對(duì)其進(jìn)行張拉，使結(jié)合梁在承受全部外荷載之前建立起預(yù)應(yīng)力，該預(yù)應(yīng)力的大小和分布能減小和抵消梁在外荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，從而達(dá)到改善梁的受力狀態(tài)與性能，降低應(yīng)力峰值，提高梁的剛度。

2 體外預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土結(jié)合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁綜合了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系和結(jié)合梁結(jié)構(gòu)體系各自的特點(diǎn)。在鋼—混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)體系中混凝土部分受壓為主，鋼梁受拉，充分發(fā)揮了混凝土和鋼材兩種材料各自特性，增加了梁的承載力。體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)一般采用簡(jiǎn)化的折線預(yù)應(yīng)力束，體外預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固區(qū)域和轉(zhuǎn)向塊處與橋梁結(jié)構(gòu)相連接(見圖2)，體外預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)類似。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁示意圖

預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土結(jié)合梁與鋼—混凝土結(jié)合梁相比，由于施加了預(yù)應(yīng)力，調(diào)整了結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布，提高了結(jié)構(gòu)剛度，減小了結(jié)構(gòu)變形，擴(kuò)大了結(jié)構(gòu)材料承載的彈性范圍。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土組合連續(xù)梁，由于預(yù)加力的作用，使得在外荷載作用下內(nèi)支座區(qū)域處于受拉的混凝土翼板預(yù)先受壓，大大改善了其結(jié)構(gòu)性能，降低了中支座頂?shù)呢?fù)彎矩值，延緩了混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，大大改善該區(qū)域受力性能，因此具有更優(yōu)越的結(jié)構(gòu)受力性能。

根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，體外預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)體系具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)混凝土部分受壓為主，鋼梁受拉，充分發(fā)揮了混凝土和鋼材兩種材料各自特性，增加了梁的承載力，與鋼板梁方案相比，可節(jié)省鋼材、降低造價(jià)。2)混凝土板參與梁的工作，使截面高度增大，增加了梁的剛度，提高梁的自振頻率。3)結(jié)合梁增強(qiáng)了鋼梁的側(cè)向剛度，防止側(cè)向失穩(wěn)。4)結(jié)合梁方案整體性強(qiáng)，抗剪性能好，表現(xiàn)出良好的耐震性能。5)可以利用鋼梁的剛度和承載力來承擔(dān)懸掛模板、混凝土板等施工荷載，壓型鋼板還可以直接作為模板，方便施工。6)預(yù)應(yīng)力鋼索布置在體外，可以隨時(shí)方便的檢查體外索的使用狀況，方便維護(hù)更換。

但是，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁結(jié)構(gòu)體系也存在一些弱點(diǎn)，主要表現(xiàn)為:

1)抗剪連接件在與鋼梁焊接過程中易使產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力。2)結(jié)合梁的耐火等級(jí)不如混凝土結(jié)構(gòu)。3)轉(zhuǎn)向塊和錨固區(qū)因承受著巨大的縱、橫向力，對(duì)于體外力筋，錨頭失效則意味著預(yù)應(yīng)力的喪失。

3 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁體系國(guó)內(nèi)外研究歷史和現(xiàn)狀

對(duì)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁的研究始于20世紀(jì)40年代后期，F(xiàn).Dischinger作為先驅(qū)者在1949年首次提出用高強(qiáng)鋼絲束對(duì)組合橋梁施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)構(gòu)想。Coff因采用拋物線束對(duì)一個(gè)組合鋼梁和混凝土板系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力而獲得美國(guó)專利。Szilard對(duì)配置高強(qiáng)拋物線鋼絲束的預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支組合梁進(jìn)行研究后，利用虛功原理推導(dǎo)出計(jì)算應(yīng)力的公式。Reagam和Krah在力平衡、變形協(xié)調(diào)和完全組合的假設(shè)前提下，建立了簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁在彈性及非彈性狀態(tài)下鋼梁及混凝土板的應(yīng)力計(jì)算公式。Basu等的試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)彎矩區(qū)的混凝土施加預(yù)應(yīng)力可消除使用荷載下的裂縫，增強(qiáng)混凝土耐久性，提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土的抗彎能力。Tong和Saadatmanesh對(duì)兩跨預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁采用剛度法和混合法進(jìn)行了參數(shù)分析，考慮的參數(shù)包括預(yù)應(yīng)力的大小、預(yù)應(yīng)力筋偏心距、預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度及布筋形式、加載方式等，得出一系列結(jié)論:預(yù)應(yīng)力使這種梁的工作荷載顯著提高;預(yù)應(yīng)力增加時(shí)，反拱度、總預(yù)矩增加，撓度減小;預(yù)加力增加，反拱度、次彎矩也增加;初始偏心距增加，反拱度、次彎矩也增加;布筋范圍擴(kuò)大，次彎矩顯著增加，使用荷載下預(yù)應(yīng)力增量隨著鋼索增加而下降;折線布筋與直線布筋相比，前者鋼索應(yīng)力增量不如后者明顯地取決于荷載布置方式，但兩者都取決于加載大小;各跨及支座施加預(yù)應(yīng)力先后次序不同，產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效果也不同。Dall’s Asta和Dezi在考慮了預(yù)應(yīng)力筋滑移和變形基礎(chǔ)上，給出了體外預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支結(jié)合梁分析模型。

國(guó)內(nèi)研究雖然起步較晚，但也取得了一系列成績(jī)。宗周紅等用有限元方法進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁的非線性分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，提出了預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁受彎極限承載力簡(jiǎn)化計(jì)算的彈塑性模型。基于預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁界面的滑移性能的研究，李佳和余志武提出了鋼—部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)梁滿足承載力要求的彎矩調(diào)幅限值[β]的計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

此外，同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)也相繼進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力組合梁承載力方面的研究，并取得了一定的成果。

4 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁體系國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的應(yīng)用

1955年，在德國(guó)Neckar運(yùn)河上建成了世界上首座預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋——跨度為34 m的Lauffen橋。1957年，在德國(guó)Montabaur附近的Auback流域建成了一座三跨預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋，最大跨徑達(dá)到50.14 m。1960年，在前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)Tom河上，建成的一座五跨預(yù)應(yīng)力結(jié)合連續(xù)梁橋，采用變梁高結(jié)構(gòu)，最大跨徑達(dá)109.12 m。1963年建成的頓河公路大橋采用了同樣的結(jié)構(gòu)體系，最大跨徑達(dá)147 m，用鋼量?jī)H為360 kg/m2，經(jīng)濟(jì)效益顯著。1966年，在華盛頓Bellingham建成一跨長(zhǎng)為46 m的預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋，每根梁重量不到同跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁的一半，梁高也比傳統(tǒng)鋼梁降低了305 mm。1984年，T.Y.Lin公司在美國(guó)北Idaho設(shè)計(jì)的BonnersFerry橋，是預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁應(yīng)用的典范。該橋采用四根鋼梁橋，共十跨，跨徑介于30.5 m～47.2 m之間，其低廉的造價(jià)、合理的應(yīng)力分布形式和較小的撓度顯示了該結(jié)構(gòu)形式合理的經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

在我國(guó)，預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁的應(yīng)用范圍已從最初的工業(yè)廠房、鐵路、橋涵發(fā)展到工業(yè)與民用建筑、公共建筑、城市立交結(jié)構(gòu)等。鐵科院西南分院在成都附近彭縣至白水河窄軌鐵路的湔江大橋上首次采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行加固。北京航天立交橋(44 m+64 m+44 m)等城市高架或立交橋上也開始采用預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁。2000年，主跨150 m的深圳彩虹大橋是國(guó)內(nèi)首座由鋼管混凝土拱、預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土空心疊合板結(jié)合梁、鋼管混凝土組合橋墩構(gòu)成的全鋼—混凝土組合橋梁。跨度148 m的深圳北站大橋也采用了預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土梁結(jié)構(gòu)體系，橋梁結(jié)構(gòu)高度小，自重輕，受力性能和抗震性能好，預(yù)應(yīng)力效果明顯，使剛度增大，彈性彎曲應(yīng)力降低，有效降低使用荷載下組合梁截面最大工作應(yīng)力。廣州內(nèi)環(huán)線同時(shí)建成的十余座預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋，比較典型的是中山北路高架橋，該橋?yàn)槿?50+70+60)m變寬度展翅連續(xù)梁橋，結(jié)構(gòu)輕盈，景觀效果好。近幾年新建的橋梁中采用此類結(jié)構(gòu)的還有深圳麗水橋(主跨75 m)、深圳大學(xué)城一號(hào)橋(主跨50 m)、深圳大學(xué)二號(hào)橋(15 m+32 m+15 m)等。

體外預(yù)應(yīng)力鋼箱—混凝土結(jié)合連續(xù)梁橋是一種受力合理、施工便捷、性能優(yōu)良、節(jié)省材料的新型組合結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究還不夠深入，理論體系尚不完善，因此需要在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剪力連接件、混凝土收縮徐變影響、動(dòng)力性能等方面進(jìn)行深入研究，以推動(dòng)這一結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用。

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