邵長宇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

組合結構橋梁的發(fā)展與應用前景

邵長宇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

簡要介紹了組合結構橋梁在國際上的應用以及設計理論、施工方法等方面的技術發(fā)展，分析介紹了梁式橋以及大跨度橋梁的技術特點與應用概況，最后對國內組合結構橋梁的應用前景進行了展望。分析指出：梁式組合結構橋梁已經具備了獲得經濟競爭力的基礎，具有廣闊的推廣應用前景；組合梁斜拉橋仍然有著較大的發(fā)展空間，技術經濟合理跨度可以達到800 m以上；組合梁懸索橋隨跨度增加經濟性下降，當建設和環(huán)境條件合適時可以展現(xiàn)技術與經濟優(yōu)勢，具有一定的應用前景；組合梁系桿拱橋在200 m跨度范圍具有很強的競爭力，在上承式和中承式拱橋中組合結構也有拓展應用的空間。

組合結構橋梁；發(fā)展概況；應用前景

0　引言

20世紀30年代是歐美各國橋梁技術及其設計理論的一個重要發(fā)展時期。組合結構在這一時期開始了研究工作，到20世紀60年代得到廣泛應用，建造了大量的各種形式的組合結構橋梁。橋梁采用混凝土與鋼上下結合的結構形式由來已久，鋼與混凝土組合結構橋梁形式多樣，應用范圍包括梁式橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型，既應用于公路橋，也應用于鐵路橋。在組合鋼板梁、組合鋼箱梁以及組合鋼桁梁獲得長足發(fā)展的同時，出現(xiàn)了一些新型組合結構橋梁，如波折腹板組合箱梁橋、鋼桁腹桿組合橋等。隨著理論研究、工程實踐的不斷發(fā)展，組合結構橋梁的使用性能與耐久性、可施工性與經濟競爭力等方面獲得了長足進步。借助于基礎理論的發(fā)展以及市場競爭，組合結構橋梁的結構形式與材料指標得以不斷優(yōu)化，新結構與新工藝不斷推出。多種結構形式適應了不同的建設需求，結構的簡化減少了養(yǎng)護維修工作，快速施工縮短了投資回報期?？傊谖鞣桨l(fā)達國家，組合結構橋梁依靠其不斷提升的技術與經濟競爭力獲得了巨大發(fā)展，并在橋梁建設中占有重要地位。

早期由于對組合結構橋的受力機理與構造研究不足，出現(xiàn)較多問題。20世紀七八十年代以來，歐洲以及日本等國大力進行基礎性理論研究和試驗，內容涉及焊釘連接件性能、鋼梁局部穩(wěn)定、結構力學性能、橋面板開裂性能以及特殊部位結構等方面。通過研究與實踐，制定并完善了相應規(guī)范，建立了新的分析與設計方法。依靠新的設計理論、方法以及計算機技術的進步，可以更準確地考慮鋼結構的總體與局部穩(wěn)定，尤其是組合結構條件下的鋼結構穩(wěn)定特性，為減少穩(wěn)定構件、合理安排材料奠定了基礎。借助于大量研究成果及分析方法的進步，發(fā)展了允許混凝土板開裂、用裂縫寬度限值代替拉應力限值的設計方法，從而簡化了構造，方便了施工，促進了連續(xù)組合結構橋梁的發(fā)展。對于縱橫向加勁肋等穩(wěn)定構造，不再沿襲過去依據(jù)簡化模型制定的相關設計規(guī)定，而是借助于新的穩(wěn)定理論與分析方法進行設計，由此鋼梁加強了高度簡化的趨勢。設計與施工方法的進步，可以更合理、更實際、更有效地安排材料，從而促進組合結構橋梁經濟競爭力的提高，并獲得更大的發(fā)展。

1　組合結構橋梁的應用

1.1梁式橋

在西方發(fā)達國家的橋梁建設中，組合結構成為最主要的橋梁形式，在歐洲國家尤其如此。這些國家的梁式橋梁中，組合梁展現(xiàn)了優(yōu)越的技術經濟競爭力，應用比例非常高，甚至達到90%以上。其中，結構簡潔、施工便捷的組合鋼板梁應用最為廣泛。當前的組合鋼板梁橋技術上有了巨大的進步，由早期的多縱梁、多橫梁以及密集的加勁形式，經過大幅簡化，發(fā)展到以雙主梁或少主梁為主流，加勁構件也大幅減少。以采用S355鋼材的組合鋼板梁為例，鋼材用量指標在跨度100 m時約為250 kg/m2，在跨度40 m時約為150 kg/m2，顯然這將使組合鋼板梁具有很強的經濟競爭力。組合鋼板梁橋多采用雙主梁或少主梁形式，其適用跨度范圍不斷雙向拓展，在20～150 m的跨度范圍都有很強的競爭力。

組合鋼箱梁具有抗扭能力強、整體性好、適合曲線以及更能適應大跨等特點，已有大量的公路、鐵路橋梁應用實例。德國在相關研究與實踐方面做了大量工作：在海得明登的維拉河谷橋，主跨96 m，施工時鋼梁先頂推到位，再現(xiàn)澆橋面板，采用中間支點附近橋面板后澆的間斷施工方法；主跨154 m的Neuo¨t t i ng橋，采用了雙層組合結構，在中間支點附近鋼梁下翼緣附加有混凝土板。目前連續(xù)組合箱梁橋最大跨度超過200 m，單箱橋面寬度超過30 m。這些橋梁的修建，在經濟性、耐久性以及橋梁美學方面，充分展現(xiàn)了組合結構橋梁的競爭能力。

在鐵路橋梁以及山區(qū)公路橋梁中，組合鋼桁梁橋有著較多的應用實例。德國主跨208 m的Nant enbach雙線鐵路橋，三跨連續(xù)梁中間支點的鋼桁架下弦設有混凝土板相結合共同受力，橋面板不配置預應力，采用允許開裂、限制裂縫寬度的設計方法；丹麥的公鐵兩用厄勒海峽橋的引橋，采用了主跨140 m的等高度組合鋼桁梁橋，采用全截面預制整孔吊裝法施工；西班牙Si l橋采用了主跨170 m的組合鋼桁梁橋，其鋼桁梁采用頂推法施工。從這些實例不難看出，組合鋼桁梁以其更能適應大跨、重載以及山谷地區(qū)等特點，獲得了發(fā)展與競爭力。

組合鋼板梁、組合鋼箱梁、組合鋼桁梁的施工，經過長期發(fā)展，普遍采用先鋼梁再橋面板的施工方法。鋼梁施工常用頂推法，橋面板施工以鋼梁為平臺，進行現(xiàn)澆或預制板鋪設。這種方法利用了鋼梁自重輕、承載能力強的特點，可以降低對機具設備與臨時設施的要求，同時也體現(xiàn)了快速施工的特點。大量的工程實踐形成了設計與施工相互依存的理念，使得人們不再從單一角度考慮問題，而是從設計與施工的各個環(huán)節(jié)全面考慮，其結果是材料更加節(jié)省，施工更加便捷。

除了組合鋼板梁、組合鋼箱梁及組合鋼桁梁三種典型結構之外，波折腹板組合箱梁橋與鋼桁腹桿組合梁橋是20世紀80～90年代出現(xiàn)的結構形式。利用鋼結構取代混凝土箱梁的腹板，從而達到改善力學性能與減輕上部結構自重的目的，也是組合結構橋梁發(fā)展中的有益探索。

1.2大跨度橋梁

采用組合梁的理念可以從兩個方面來看：與早期混凝土行車道板置于鋼梁上的結構形式相比，增加了結構的整體性，提高了結構的受力性能，可以減少后期維護工作量，提高結構的耐久性；與采用正交異性鋼橋面板的鋼梁相比，用混凝土橋面板代替鋼梁上緣的正交異性鋼板，提高橋面剛度，避免鋼橋面疲勞損傷問題，可以降低加勁梁的造價。組合梁在斜拉橋、懸索橋和拱橋中都有大量的工程應用，但不同類型的組合梁在三種大跨度橋梁中的應用水平和廣泛程度差別較大，這與不同體系橋梁的力學性能、工程需求、技術發(fā)展等多方面的因素有關。不言而喻，斜拉橋、懸索橋和拱橋三者加勁梁受力性能的差異是最為重要的影響因素。

從斜拉橋的應用來看，加拿大的Annaci s橋、中國的南浦大橋、希臘的Ri on-Ant i ri on橋，加勁梁均為組合鋼板梁，其鋼梁為縱橫梁格體系，與橋面板結合后形成組合梁，這種結構形式是斜拉橋應用最多的組合梁形式。然而，組合鋼板梁的抗風能力較弱，隨著斜拉橋跨度的增加，需要采用組合鋼箱梁來提高橋梁的抗風性能。東海大橋主航道橋和椒江二橋主橋采用了組合鋼箱梁。對于公鐵兩用橋，雙層結構的加勁梁常常是最為合適的選擇。丹麥的厄勒海峽橋主橋采用了跨度490 m的組合鋼桁梁斜拉橋。從目前的工程實踐看，需要承受巨大壓力的斜拉橋加勁梁，最能發(fā)揮混凝土橋面板的抗壓優(yōu)勢，因此組合梁在斜拉橋中應用最為廣泛，面對不同的建設條件和功能要求，都有合適的加勁梁形式可以選用。

從懸索橋的應用來看，隨著正交異性鋼橋面板結構的發(fā)明，早期混凝土行車道板置于鋼梁上的結構形式被取代，采用正交異性鋼橋面板的鋼梁幾乎成了大跨度懸索橋的唯一選擇。組合梁作為懸索橋的加勁梁多用于中小跨度的懸索橋。在大跨度懸索橋中，2010年前后建成的貴州壩陵河大橋和湖南吉首矮寨大橋，都是跨度超千米的大跨度懸索橋，鋼桁加勁梁沒有采用正交異性鋼橋面板，而是采用鋼與混凝土組合梁作為行車道板。1990年在瑞士日內瓦湖上的橋梁方案競爭中，出現(xiàn)了950 m跨度采用組合鋼箱梁的懸索橋方案，展現(xiàn)了組合梁懸索橋在千米以內跨度范圍的技術與經濟競爭力。2015年建成的武漢鸚鵡洲長江大橋為主跨2×850 m的三塔懸索橋，加勁梁采用了組合鋼板梁。如前所述，組合鋼板梁抗風能力較弱，隨著跨度的增加或者在沿海風環(huán)境惡劣地區(qū)，組合鋼板梁難以滿足抗風要求，需要采用組合鋼箱梁以解決抗風問題。從工程技術與經濟角度看，組合梁用于大跨度懸索橋，主要目的在于以混凝土橋面板替代存在疲勞損傷風險的正交異性鋼橋面板，組合梁混凝土橋面板的抗壓優(yōu)勢得不到發(fā)揮，較大的結構自重對經濟性的不利影響隨跨度增加而增加。從目前的工程應用看，組合梁在大跨度懸索橋中的應用較少，但在一些建設條件和環(huán)境條件下，組合梁在懸索橋中仍然可以展現(xiàn)技術與經濟優(yōu)勢，具有一定的應用前景。

從拱橋的應用來看，采用組合梁（組合橋面結構）的拱橋，盡管在國內應用較少，但在歐洲等發(fā)達國家有著大量的應用。這些國家在系桿拱橋和中承式拱橋中，多采用鋼梁為縱橫梁格體系的組合鋼板梁，混凝土橋面板與鋼梁結合后參與承受橋面結構的彎曲作用及系桿拱橋的水平拉力作用；在上承式拱橋中，主梁也多采用組合梁。特別是采用組合橋面結構的系桿拱橋，在歐洲有著廣泛的應用，跨度小到100 m以下、大到接近300 m都有工程應用?，F(xiàn)代的系桿拱橋通常考慮混凝土橋面板參與承受拱腳的水平分力作用，橋面板不設預應力束，和梁式橋一樣采用允許橋面板開裂、限制裂縫寬度的設計方法。拱橋所能達到的跨度有限，橋面結構形式的選擇基本不受抗風問題制約，因此構造簡潔的組合鋼板梁是應用最為普遍的結構形式。除此而外，在一些特殊條件下，組合鋼箱梁和組合鋼桁梁也時有工程應用的實例出現(xiàn)。

2　國內組合結構橋梁的應用前景

2.1梁式橋

中國在組合結構橋梁研究及應用方面相對落后，在工程中最普遍的梁式橋中，預應力混凝土結構仍然占有絕對多數(shù)，公路橋中組合梁橋應用很少，城市高架橋梁中多為跨越道路等特殊應用，還沒有出現(xiàn)大規(guī)模的應用。然而，20世紀80年代以來，組合結構在發(fā)達國家獲得了巨大發(fā)展。法國自1980年起，建造的公路橋梁以鋼-混凝土組合橋梁為主，其最有競爭力的跨徑范圍為60～80 m，甚至可達30～110 m，以這個跨徑范圍建設的橋梁有85%是組合結構橋梁。日本也大力進行基礎性理論研究和試驗，開發(fā)了不同形式的組合結構橋梁，并制定了相應規(guī)范。在英國，大多數(shù)20～160 m跨徑及以上的公路橋梁，組合結構橋梁競爭力很強。德國及美國的組合結構橋梁應用更廣。

20世紀改革開放之初，我國經濟落后，資源短缺，由于混凝土取材方便，勞動力價格便宜，預應力混凝土橋梁在我國得到大力發(fā)展，在量大面廣的梁式橋梁中，預應力混凝土梁占據(jù)了絕對多數(shù)。進入21世紀以來，隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，我國的橋梁建設條件已經發(fā)生了巨大變化。按照目前的鋼材和勞動力等價格水平，組合結構橋梁已經具備了獲得經濟競爭力的基礎，無論從工程造價以及全壽命經濟性角度，有必要大力發(fā)展并推廣應用組合梁橋。盡管我國在組合結構橋梁的研究與實踐方面與發(fā)達國家存在差距，面對未來的橋梁建設需求，組合梁橋具有廣闊的應用前景。

2.2斜拉橋

斜拉橋采用組合梁，理念上是用混凝土橋面板代替鋼梁上緣受壓的鋼正交異性板，可以發(fā)揮混凝土材料的抗壓性能優(yōu)勢，減少鋼材用量，降低造價并改善橋面性能。斜拉橋中最為常用的組合鋼板梁，其鋼梁為縱橫梁格體系，鋼主梁（縱梁）與斜拉索的布置相互匹配，傳力路徑明確順暢，構造簡潔，不僅結構受力高效，而且便于因地制宜選用多種施工方案，展現(xiàn)了優(yōu)良的技術經濟優(yōu)勢。隨著斜拉橋跨度的增加，組合鋼板梁不能適應強風環(huán)境的抗風要求時，采用具有良好抗扭性能的組合鋼箱梁，可以適應跨度增加的結構受力和抗風要求。對于公鐵兩用橋，較寬的上層公路面采用混凝土板與鋼桁結合，形成組合鋼桁梁，用于斜拉橋同樣具有技術經濟競爭力。從目前的工程實踐看，面對不同的建設條件和功能要求，都有合適的加勁梁形式可以選用。

一座斜拉橋由加勁梁、斜拉索、橋塔、橋墩及基礎等組成，在斜拉橋的總造價中，梁、索、塔等不同構件所占比重各不相同。總體而言，加勁梁造價所占比例最高，對于鋼箱梁斜拉橋，加勁梁采用組合梁替代鋼箱梁，由混凝土替代鋼材承受壓力，具有良好的經濟性。斜拉橋的加勁梁是結構體系中重要的承載構件，加勁梁自身的經濟性對橋梁整體經濟性影響較大。有研究表明，斜拉橋的跨度在1 000 m以內條件下，組合梁的造價將低于鋼箱梁。但是，重量較大的組合梁必然會引起斜拉索、橋塔及其基礎造價的增加，斜拉索的增加量基本與梁重在總荷載中的增幅同步，橋塔及基礎則只是增加了其所受的軸力，并不會對其所受彎矩造成明顯的影響，工程量將小于重量增幅。隨著跨度的加大，加勁梁重量增加的不利影響將超越其有利影響，使得斜拉橋整體經濟性不再具有優(yōu)勢。研究表明，即使在沿海軟基強風環(huán)境下，組合梁斜拉橋技術經濟合理跨度可以達到800～900 m。

從目前的工程實踐看，面對不同的建設條件和功能要求，都有合適的加勁梁形式可以選用。從適用跨度看，雖然自楊浦大橋建成至今，組合梁斜拉橋的跨度未獲大幅的增長，但采用傳統(tǒng)混凝土橋面板的組合梁斜拉橋，仍然有著較大的發(fā)展空間。因此，組合梁斜拉橋推廣應用前景廣闊。

2.3懸索橋

懸索橋是跨越能力最大的橋型，其技術經濟競爭力主要表現(xiàn)在大跨度橋梁上。一般來說，懸索橋在500 m以上跨度才能表現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。懸索橋加勁梁的材料用量指標不會隨著跨度的變化而發(fā)生明顯的變化，除非超大跨度懸索橋由于抗風等因素而較大改變加勁梁的形式，比如由閉口鋼箱梁改變成分體式鋼箱梁。重量較大的加勁梁將會引起纜索索力的增長，隨著懸索橋跨度的加大，纜索系統(tǒng)及錨碇材料用量指標大幅增加，主塔及其基礎用材也將增加，進而導致經濟競爭力下降。因此，人們普遍認為鋼梁幾乎是千米級大跨度懸索橋的唯一選擇。

地錨式懸索橋由加勁梁、纜索、錨碇、橋塔及基礎等組成，加勁梁由組合梁替代鋼箱梁，自身造價將有大幅的下降，但重量增加必然會引起纜索、橋塔、錨碇及基礎造價的增加。對于橋塔及基礎，加勁梁重量的增加只是增加了其所受的軸力，因此不會引起橋塔及基礎規(guī)模與重量增幅同步增加；纜索的增加量則以超過梁重增幅的速度增加，這也直接引起錨碇工程量的相應增加。在懸索橋的總造價中，加勁梁造價基本不受跨度變化的影響，隨著跨度的增加所占比例將逐步下降；纜索與錨碇的材料用量指標與跨度密切相關，隨著跨度的增加其造價在總造價中的比例顯著提高。

對于地錨式懸索橋，加勁梁隨著跨度增加逐步退化為傳力構件，加勁梁自身的經濟性對橋梁整體經濟性雖然有較大影響，但加勁梁的重量對造價的影響更加顯著。用組合梁代替鋼箱梁，在總造價中加勁梁造價降低，但每平方米造價指標基本不會隨跨度變化而變化，而纜索、錨碇、橋塔以及基礎等的造價指標隨著跨度加大而不斷增加。目前已有工程在地質條件較好、錨碇費用較低的情況下，跨度800 m左右的組合梁懸索橋展現(xiàn)了技術經濟競爭能力，可以預見，在更小的跨度范圍和合適的條件下，組合梁懸索橋和鋼梁懸索橋相比，將更加可能在經濟上展現(xiàn)競爭優(yōu)勢。然而，隨著跨度的減小，將進入斜拉橋的技術經濟優(yōu)勢范圍，懸索橋還將面臨斜拉橋的強有力競爭。顯然，組合梁懸索橋合理跨度的進一步增加，技術上沒有問題，難度在于經濟性。采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋面板的組合梁，用于懸索橋的經濟合理跨徑將在800 m左右范圍內，即使在一些有利條件下也很難提高。當然，工程造價并不是決定方案取舍的唯一條件，在條件合適時，組合梁懸索橋仍然具有一定的應用空間。

2.4拱橋

目前，在歐洲國家系桿拱橋普遍采用組合橋面結構。由于系桿拱橋的優(yōu)勢跨度通常在200 m以內，實際應用也較少超過300 m，采用組合橋面結構不僅在經濟上具有競爭力，還可以提高橋面結構的剛度并方便安裝施工。當跨度在200 m以內時，系梁（橋面結構）的造價在總造價中所占比例較高，采用組合梁替代正交異性鋼橋面板的鋼梁，可以大幅降低造價，綜合考慮拱結構及基礎費用的增加，采用組合橋面結構的系桿拱橋仍然具有競爭力。中承式拱橋采用組合梁作為橋面結構也有很多實例，既有簡單體系的推力拱橋，也有組合體系的部分推力拱橋。近年來，在國內500 m級大跨度中承式拱橋中，出現(xiàn)了采用組合梁行車道板支撐在縱橫梁體系的鋼梁上，雖然不是嚴格意義上的組合梁，作為一種選擇，可以回避正交異性鋼橋面疲勞損傷風險，避免混凝土行車道板的較大自重。工程實踐表明，拱橋的橋面結構的整體性關系到使用性能和耐久性，一些橫梁體系的橋面結構由于整體性差，易于造成結構損傷，而且一旦吊桿破壞結構承載的冗余度較低，直接采用組合梁（組合結構）替代組合橋面板支承于鋼梁的體系，不僅可以增加構剛度和整體性，也降低了后期維護工作量。我國的上承式拱橋多修建在山區(qū)，拱上主梁多采用混凝土或預應力混凝土結構，少數(shù)超大跨度拱橋采用鋼箱梁，從減輕結構自重、規(guī)避鋼橋面板及其鋪裝耐久性角度，組合梁具有很大的推廣應用空間，特別是耐候鋼材料的開發(fā)成熟以及未來批量使用后價格更趨合理，采用耐候鋼的組合梁將有望得到更多應用。從目前國際工程實踐看，組合梁（組合橋面結構）在拱橋中應用廣泛，在300 m以下跨度，具有很強的技術經濟競爭力，在300 m以上跨度，考慮到橋梁的使用性能和可維護性等，仍然能夠表現(xiàn)出競爭力。

3　結語

我國未來的交通發(fā)展仍然需要修建大量的橋梁，面對各種不同的建設條件以及經驗教訓的總結，迫切需要提高橋梁耐久性、使用性、環(huán)保性和景觀性，并降低工程造價?；炷翗蛄弘m然短期養(yǎng)

U448.21+6

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1009-7716（2016）09-0011-04

2016-08-16

邵長宇（1963-），男，安徽懷遠人，工學博士，教授級高級工程師，全國工程勘察設計大師，從事橋梁工程設計研究工作。