肖林 衛(wèi)星 溫宗意 李剛

摘 要：鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是土木工程中一種主要組合結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮混凝土和鋼材的性能，可作為一種可持續(xù)發(fā)展的橋梁結(jié)構(gòu)。近年來，隨著綠色建造以及可持續(xù)建造理念的普及，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在公路、鐵路橋梁中所占比例逐步提高，學者們從多個方面開展了對鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的科學研究和工程應(yīng)用。為了促進對該結(jié)構(gòu)更加全面、深入的研究，指導鋼混凝組合結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中更切合實際的應(yīng)用與推廣，對2019年度鋼混組合結(jié)構(gòu)整體力學行為、鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵、鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及波形鋼腹板混凝土組合結(jié)構(gòu)5個方面的最新研究進行梳理與總結(jié)，并對未來鋼混組合結(jié)構(gòu)研究熱點和方向進行展望。

關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu);力學行為;剪力鍵;鋼管混凝土

中圖分類號：U448.38 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0168-15

收稿日期：2020-04-03

基金項目：國家自然科學基金（52078424）

作者簡介：肖林（1982- ），男，副教授，主要從事橋梁鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的計算分析理論、耐久性研究，E-mail：xiaolin@ swjtu.edu.cn。

衛(wèi)星（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：we_star@home.swjtu.edu.cn。

Received：2020-04-03

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（No. 52078424）

Author brief：Xiao Lin （1982- ）， associate professor， main research interests： calculation theory and durability of steel bridge and steel-concrete composite bridge， E-mail： xiaolin@ swjtu.edu.cn.

Wei Xing （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： we_star@home.swjtu.edu.cn.

Abstract：

Steel-concrete composite structure is one of the main structures in the field of civil engineering construction，which can give full play to the properties of concrete and steel， thus leading to a sustainable development direction of the bridge structure.In recent years， with the popularization of the concept of green construction and sustainable construction， the proportion of steel-concrete composite bridges in highway and railway bridges has gradually increased. Consequently， many scholars have carried out scientific research and engineering applications on various aspects of steel-concrete composite structural bridges. In order to promote comprehensive and further basic research on this structure， and to guide the practical application in bridge construction， the latest domestic and foreign researches in 2019 were reviewed and summarized. The researches include the overall mechanical behavior of steel-concrete composite structures， shear connectors of steel-concrete composite structures， steel-UHPC composite structures， concrete-filled steel tube structures and steel-concrete composite structures with corrugated steel webs.Based on the latest research progress above， the future research focuses and directions of steel-concrete composite structure are prospected.

Keywords：composite structure; mechanical behavior; shear connectors; concrete-filled steel tube structures

鋼混組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮混凝土和鋼材的性能，是一種可持續(xù)發(fā)展的橋梁結(jié)構(gòu)形式。常見的鋼混組合橋梁有組合梁橋、組合桁梁橋、組合剛構(gòu)橋、組合拱橋、組合斜拉橋等。鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁是利用剪力連接件將高抗拉強度的鋼材和高抗壓強度的混凝土連成整體，形成在橫截面內(nèi)共同受力的構(gòu)件，進而組成橋梁結(jié)構(gòu)，極大發(fā)揮了兩種材料相對優(yōu)勢[1]。20世紀90年代以來，鋼混組合結(jié)構(gòu)在中國梁式橋、拱橋、懸索橋及斜拉橋中均得到不少應(yīng)用，但數(shù)量占比仍然不超過0.5%。2016年7月，交通運輸部發(fā)布《關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導意見》，要求到“十三五”期末新建大跨、特大跨徑橋梁以鋼結(jié)構(gòu)為主。隨著綠色建造以及可持續(xù)建造理念的普及，加上橋梁工程產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型升級，標準化和工業(yè)化建造鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在公路、鐵路橋梁中所占比例將逐步提高。

2019年，學者們針對組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究主要采用數(shù)值模擬與模型試驗方法，研究內(nèi)容主要側(cè)重于鋼混組合橋梁整體力學行為、鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵、鋼UHPC組合橋面板力學行為、鋼管混凝土橋梁力學行為及波形腹板組合梁橋力學行為5個方面。中國關(guān)于鋼混組合結(jié)構(gòu)的研究主要集中于鋼混組合結(jié)構(gòu)整體力學行為及波形鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)方面，而其他國家較多地集中在鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵研究和鋼管混凝土構(gòu)件力學行為方面。筆者梳理、總結(jié)鋼混組合結(jié)構(gòu)上述5個方面在2019年度取得的研究進展，并指出今后鋼混組合結(jié)構(gòu)發(fā)展方向。

1 鋼混組合結(jié)構(gòu)整體力學行為研究

鋼板混凝土組合梁和鋼混凝土組合箱梁是鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式，可作為梁式橋和斜拉橋的主梁，近年來在中國橋梁工程中逐漸得到推廣應(yīng)用。2019年對鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁總體力學行為研究可分為6類：鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁工程應(yīng)用研究、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁彎曲性能研究、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁空間受力行為研究、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁動力性能研究、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁局部受力性能研究及其他研究。其中，工程應(yīng)用研究、彎曲性能研究、空間受力行為研究占比較大。

1.1 工程應(yīng)用研究

在鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁工程應(yīng)用研究方面，主要研究內(nèi)容分為兩方面：1）結(jié)合具體工程項目介紹鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)[2];2）討論鋼混組合結(jié)構(gòu)在大跨橋梁、山區(qū)橋梁、高速鐵路橋梁（圖1）、軌道交通軌道梁、預(yù)制裝配式橋梁等結(jié)構(gòu)中的適應(yīng)性。相關(guān)研究結(jié)果表明[3]，在大跨度無砟軌道橋梁中，宜采用PC梁與鋼結(jié)構(gòu)組合橋梁，比如PC梁與鋼結(jié)構(gòu)拱組合、PC梁鋼桁組合，均能滿足高速鐵路無砟軌道的要求，而且可以較好地控制混凝土徐變和主梁變形，進而可為大跨度無砟軌道橋梁選型拓寬思路。

1.2 彎曲性能研究

在鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁彎曲性能研究方面，劉勁等[4]對鋼混組合梁在負彎矩作用下的抗彎剛度進行了研究，研究結(jié)果表明，組合梁在負彎矩作用下，抗彎剛度受剪力連接度影響較大，縱筋率影響其次，而如栓釘布置、栓釘直徑及組合梁跨度等參數(shù)影響較小。

萬世成等[5]利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼混凝土組合連續(xù)梁負彎矩區(qū)，提高組合梁抗彎承載力，梁體抗裂性也大幅增強如圖2。通過該加強措施可使組合梁抗彎極限承載力提高19.4%，碳纖維板加固可限制裂縫產(chǎn)生和擴展，并減小梁體撓度和裂縫寬度。

冀偉等[6]、Zhang等[7]對鋼混組合梁撓度計算方法進行了研究（圖3），研究表明，鋼混組合梁撓度計算需考慮層間滑移效應(yīng)，梁體剛度會因?qū)娱g滑移效應(yīng)增大而減小，既而梁體撓度會增大，剪力連接件抗剪剛度大于1 200 MPa時，可不考慮滑移效應(yīng)影響，否則需予以考慮。

1.3 空間受力研究

在鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁空間受力研究方面，文獻[8]研究了鋼混組合梁橋彎扭耦合效應(yīng)，彎扭耦合效應(yīng)會增大鋼混組合梁橋在活載作用下剪力滯效應(yīng)，剪力滯輪載局部綜合影響系數(shù)會超過2.0，且支點截面處橋面板剪力滯輪載局部效應(yīng)大于跨中截面，同時，在不考慮剪力滯輪載局部效應(yīng)時，控制截面的偏載系數(shù)仍可能超過1.2，大于設(shè)計采用的經(jīng)驗系數(shù)1.15。由此可見，彎扭耦合效應(yīng)會增大鋼混組合梁橋跨中截面和支點截面的剪力滯系數(shù)，特別是剪力較大的支點控制截面，所以針對彎扭耦合效應(yīng)較大的鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁需充分考慮該效應(yīng)帶來的影響。

雙主梁式鋼板組合梁橋因鋼主梁間距較大，橋面板正應(yīng)力橫向分布不均，剪力滯效應(yīng)顯著，文獻[9]對雙主梁鋼板組合梁橋翼緣有效寬度、寬跨比、主梁間距等幾何參數(shù)進行了研究，研究結(jié)果表明，有效寬度可基于現(xiàn)行規(guī)范進行計算，寬跨比設(shè)計時宜小于等于3，而主梁間距計算可參考文獻[9]中對應(yīng)公式。

1.4 動力特性研究

在鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁動力特性研究方面，重點圍繞大跨鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁地震響應(yīng)、高速鐵路鋼混連續(xù)結(jié)合梁橋車橋動力響應(yīng)及寬幅鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁風致振動開展了研究。

大跨度鋼混結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系較柔，自振周期較長，地震響應(yīng)顯著。文獻[10]對近斷層脈沖地震作用響應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)與非脈沖地震作用相比，近斷層脈沖作用使得主梁和主塔地震響應(yīng)顯著增大，最大可增大177.9%，因此，建議在基于內(nèi)力控制的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中考慮長周期脈沖影響。

在對高速鐵路鋼混結(jié)合梁動力響應(yīng)研究過程中，一般采用車橋耦合振動理論對其動力響應(yīng)進行模擬，未考慮結(jié)合梁自身構(gòu)造影響，文獻[11]研究結(jié)果表明，結(jié)合梁柔性栓釘連接件會影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，柔性栓釘引起的界面滑移可減小梁體剛度，降低自振頻率，同時，栓釘連接剛度對移動荷載作用下梁體跨中撓度響應(yīng)也有較大影響。

鋼混結(jié)合梁截面形式通常為半開放截面，易發(fā)生渦激振動現(xiàn)象，在結(jié)合梁中被廣泛應(yīng)用的整體式風嘴無法降低寬幅雙箱結(jié)合梁渦激振幅，文獻[12]（如圖4）通過在箱梁側(cè)下方安裝風嘴來減弱箱梁邊緣流動分離，優(yōu)化結(jié)構(gòu)氣動分離，進而減小渦激振幅，研究結(jié)果表明，-3°、0°兩種風攻角下主梁豎向渦激振動均低于規(guī)范允許振幅，3°風攻角下振幅略大于規(guī)范值。所以，在提高鋼混組合梁抗風能力時，可以考慮在不改變截面形式的基礎(chǔ)上改變細部構(gòu)造來改善結(jié)構(gòu)的抗風特性。

1.5 局部受力研究

在鋼混組合結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造力學性能研究方面，研究對象主要圍繞鋼混組合索塔（如圖5）和混合梁鋼混結(jié)合段（如圖6）進行。

鋼混組合索塔的鋼錨箱與混凝土塔壁有內(nèi)置和外置兩種結(jié)合方式，中國一般采用內(nèi)置形式。錨箱承擔索力豎向分量通過剪力鍵傳遞給塔壁，索力水平分量則由錨箱端板傳遞給塔壁。文獻[13]研究結(jié)果表明，錨箱和塔壁應(yīng)力水平較低，分布均勻，二者相對滑移較小，相對滑移最大值僅為0.029 mm;增大剪力鍵抗剪剛度可減小塔壁主拉應(yīng)力水平，主拉應(yīng)力可減小17.3%?；诖?，可通過提高鋼混組合索塔的剪力鍵抗剪剛度來改善索塔應(yīng)力水平分布，避免一定范圍內(nèi)應(yīng)力集中。

鋼混結(jié)合段是混合梁斜拉橋關(guān)鍵部位，是主梁剛度突變點，傳力復(fù)雜，存在局部應(yīng)力集中情況。文獻[14]研究結(jié)果表明，鋼混結(jié)合段在荷載作用下，應(yīng)力變化平順，且應(yīng)力水平較低，可有效傳遞內(nèi)力，但部分部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，如加勁T肋尾端，箱梁底板折角與橫隔板交接處。剪力連接件受力不均，距承壓板越遠，剪力釘和PBL剪力鍵所受剪力越大，否則越小。

此外，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的抗火性能[15]及體外預(yù)應(yīng)力加固后鋼混組合連續(xù)橋梁的疲勞性能[16]也受到了關(guān)注。

2 鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵

組合橋梁結(jié)構(gòu)中，剪力連接件是保證組合效應(yīng)的關(guān)鍵，是該類結(jié)構(gòu)研究的重點。目前，栓釘剪力鍵和開孔鋼板剪力鍵在鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁中應(yīng)用較多，研究手段多為推出試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究重點集中在其抗剪剛度、滑移性能、承載力、疲勞性能等方面。2019年度剪力鍵研究包括栓釘剪力鍵、PBL剪力鍵、高性能混凝土剪力鍵、新型剪力鍵及剪力鍵的耐久性5個方面。

2.1 栓釘剪力鍵

已有研究中，無論是通過推出試驗還是梁式試驗，都對一般的栓釘剪力連接鍵抗滑移性能、疲勞作用下抗剪性能進行了較多研究，且已有部分廣泛使用的橫向力滑移公式，但對其抗拔性能研究相對較少。中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對組合橋栓釘剪力鍵高度與直徑之比有大于4的限制，以保證正常使用狀態(tài)下的抗拔性能，而在特殊荷載下，如疲勞荷載作用下，其工作性能需求仍需進一步研究。由于較多抗剪公式都是通過推出試驗結(jié)果擬合得到，公式適用范圍與實際使用中拉剪復(fù)合作用環(huán)境略有差別，在剪力栓釘高徑比較大時，承載力性能差別與現(xiàn)有公式差別也會顯現(xiàn)。

文獻[17-20]研究了疲勞作用下可拆卸螺栓剪力鍵的性能（圖7），栓釘基本抗拔、抗剪性能，以及拉剪復(fù)合極限狀態(tài)下栓釘破壞特性（圖8），并提出了受拉力影響栓釘抗剪承載力的折減公式。當栓釘受拔作用占到較大比例時，鋼板的材料特性也要考慮進來，復(fù)合拉剪的破壞形式與純剪切有所不同，在有限元計算中，考慮以比較靠近端頭處的混凝土壓應(yīng)變和剪力釘?shù)睦瓚?yīng)變來判斷失效模式，所提出的折減公式[20]對于直徑在13～22 mm的普通混凝土可用。

2.2 PBL剪力鍵

PBL剪力連接鍵多用于波形鋼腹板組合梁橋、混合梁交界面、索塔錨固區(qū)域等，其破壞形式較栓釘復(fù)雜，影響因素也多，PBL剪力鍵基本承載性能、滑移狀態(tài)和疲勞性能仍持續(xù)受到關(guān)注[21-23]。對PBL剪力鍵兩種試驗方法（標準試件與埋入式試件）進行了對比，研究發(fā)現(xiàn)，兩者存在明顯差異，且滑移狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)均表現(xiàn)不同，埋入式試件滑移更大，承載力也更大。其次，分析了試件細節(jié)（混凝土強度、開孔鋼板、貫通鋼筋、布置鋼筋等）對試件承載力的影響，并提出了相應(yīng)的擬合公式;另一方面，在常規(guī)PBL剪力鍵基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新構(gòu)造[24]，如圖9中雙PBL連接鍵、圖10中帶橡膠環(huán)的PBL連接鍵，帶橡膠環(huán)的PBL剪力連接鍵減輕了局部應(yīng)力集中問題，有利于提高連接鍵滑移性能，改善了不均勻剪切力分布，充分發(fā)揮了混凝土抗壓性能。

2.3 高性能混凝土剪力鍵

隨著高性能混凝土（UHPC、ECC等）在組合結(jié)構(gòu)橋梁（特別是組合橋面板）中的應(yīng)用，鋼高性能混凝土組合橋面板中剪力鍵力學行為越來越受關(guān)注[25-26]。如圖11、圖12所示，由于正交異性鋼橋面板疲勞問題較為突出，為緩解疲勞問題，采用鋪設(shè)UHPC橋面承受輪載，從而推動了UHPC中剪力鍵力學性能研究的發(fā)展;同時，連續(xù)組合梁負彎矩區(qū)開裂問題推動了ECC的應(yīng)用，ECC中剪力鍵的性能需求受到關(guān)注;鋼混組合梁支座因受到較強的腐蝕作用，可以采用UHPC與剪力鍵加固方法強化支座的承載力，其研究主要是揭示破壞形態(tài)和相對滑移公式。

2.4 裝配式剪力鍵

為適應(yīng)橋梁快速施工（ABC）要求，解決濕法施工技術(shù)帶來的較多現(xiàn)場作業(yè)的問題，裝配式剪力鍵（Prefabricated Composite Shear Connectors）正受到關(guān)注，主要有各種形式螺栓裝配，也有螺旋銷式，可裝配式剪力鍵促進了橋梁建設(shè)施工方法濕法向干法施工的轉(zhuǎn)變，可以減少現(xiàn)場澆筑作業(yè)，同時，由于裝配式剪力鍵安裝方便及其可拆卸性，在橋梁加固方面，對于舊橋加固以及部分區(qū)域損傷加固都有用武之地，裝配式剪力鍵力學性能仍在研究[27-30]，部分研究表明，其可以取得較好抗滑移和組合效應(yīng)，且疲勞性能高于焊接栓釘，如圖13～圖15所示。此外，通過預(yù)制板+集束式剪力釘布置的施工設(shè)計方法也可以加快施工，減少現(xiàn)場作業(yè)，但對相關(guān)方法的適用性和耐久性仍需進一步研究。

2.5 剪力鍵耐久性

為適應(yīng)不同使用環(huán)境，保證組合結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性，剪力鍵耐久性能研究成為必然要求。腐蝕環(huán)境[31]（如圖16）、低溫環(huán)境[32]及凍融環(huán)境下[33]剪力鍵力學性能逐漸得到關(guān)注，研究內(nèi)容主要集中在栓釘剪力連接件的耐久性。模擬栓釘銹蝕的手段一般是通過將推出試件或者梁式試件浸泡在NaCl溶液中，進行通電，電流作用下加快栓釘銹蝕過程;也可將試件放置在實驗室內(nèi)，通過調(diào)節(jié)濕度與溫度，模擬大氣腐蝕。前者常表現(xiàn)為較均勻腐蝕;后者表現(xiàn)為不均勻腐蝕，與實際情況更為匹配，但耗時更長。研究表明，栓釘銹蝕后，其疲勞壽命下降更為突出，單調(diào)荷載下梁式試件仍表現(xiàn)為局部失效，但疲勞荷載下表現(xiàn)為栓釘剪斷，隨著腐蝕速率的增加，殘余彎曲剛度和滑動剛度隨著疲勞循環(huán)的進行而降低;凍融與低溫環(huán)境主要影響的是混凝土強度，它是栓釘連接件抗剪承載力的主要影響因素，控制著栓釘推出試驗的破壞形式。在凍融循環(huán)下，混凝土內(nèi)部結(jié)合水不斷地膨脹融化，加速表面砂漿層脫落，使混凝土出現(xiàn)損傷，混凝土彈性模量和立方體抗壓強度以及栓釘連接件性能下降，且試驗表明，凍融循環(huán)次數(shù)對開裂荷載的影響大于極限荷載。

3 鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)

為提高組合結(jié)構(gòu)橋梁耐久性和受力性能，超高性能混凝土UHPC及高性能鋼材逐漸在橋梁工程中得到研究和應(yīng)用，目前，鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)研究重點集中在靜力承載力、疲勞性能兩個方面。

3.1 靜力承載力

關(guān)于鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)靜力承載力，研究對象包括UHPC板+正交異性鋼橋面組合結(jié)構(gòu)和UHPC華夫板+鋼梁組合結(jié)構(gòu)，見圖17、圖18。

為研究UHPC+正交異性鋼板組合結(jié)構(gòu)的撓曲開裂行為，文獻[34]測試了40根鋼UHPC復(fù)合板和8根鋼UHPC復(fù)合梁，分別研究了它們在橫向和縱向的開裂特性。研究結(jié)果表明，配筋率和保護層厚度對開裂應(yīng)力影響較大，且當保護層厚度較小時，通過提高配筋率可以最大幅度提高開裂應(yīng)力，減小栓釘間距也可以提高開裂應(yīng)力，但提高幅度有限，UHPC層厚度對開裂應(yīng)力影響較小。由此可見，對于一般較薄的UHPC層而言，改善配筋率是一種有效提高其開裂應(yīng)力的加強方式。

鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)因混凝土橋面板自重大，且負彎矩區(qū)易開裂，因而引入UHPC華夫板代替普通混凝土橋面板來解決上述問題，文獻[35]提出一種新型組合梁，即裝配式UHPC華夫型上翼緣組合梁，并以某典型3跨連續(xù)梁橋為研究對象進行研究。研究結(jié)果表明，在荷載作用下，中支座負彎矩段華夫型上翼緣縱肋底緣和面板最大拉應(yīng)力均小于配筋UHPC的抗拉強度設(shè)計值。研究中采用的UHPC華夫板可有效降低橋面板自重，且強度較高，可推廣至一般鋼混組合結(jié)構(gòu)負彎矩區(qū)域。

3.2 疲勞性能

隨著交通量增加，正交各向異性鋼橋面板（OSD）疲勞已成為近年來橋梁運營的關(guān)鍵問題。文獻[36]（如圖19）對UHPC正交異性鋼復(fù)合橋面板負彎曲段進行了疲勞試驗研究，研究結(jié)果表明，在復(fù)合橋面板所有易疲勞細節(jié)中，僅發(fā)現(xiàn)縱肋腹部出現(xiàn)縱向裂紋，裂紋具體位于縱肋與橫向隔板焊趾相交處，而且復(fù)合橋面板還因UHPC和鋼橋面板分層發(fā)生疲勞剪切破壞，疲勞剪切破壞是受短頭栓釘剪力鍵疲勞剪切強度控制，該強度遠大于規(guī)范中規(guī)定的疲勞強度值。

文獻[37]對鋼UHPC橋面板的橫向疲勞行為進行了研究，研究結(jié)果表明，該組合結(jié)構(gòu)橋面板力學性能退化加速了OSD易疲勞細節(jié)損傷累積，在疲勞強度評估中必須考慮結(jié)構(gòu)力學性能的退化。

4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為組合結(jié)構(gòu)橋梁重要組成部分，自20世紀90年代初在中國橋梁工程中應(yīng)用以來，已修建完成超過400座不同類型的鋼管混凝土橋梁。由于良好的受力性能，鋼管混凝土較多地應(yīng)用于拱橋，此外，鋼管混凝土桁架在梁式橋中也有不少應(yīng)用。2019年關(guān)于鋼管混凝土橋梁的研究主要包括鋼管混凝土構(gòu)件基本力學性能研究、鋼管混凝土橋梁總體力學行為、鋼管混凝土桁架關(guān)鍵節(jié)點力學行為、新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力學性能。

4.1 構(gòu)件基本力學性能

鋼管混凝土構(gòu)件基本力學性能主要有鋼管混凝土受單軸壓力作用性能，其中包括偏心和非偏心受壓。偏心受壓下鋼管混凝土N-M曲線和構(gòu)件延性是研究鋼管混凝土柱受壓性能的重點，由于混凝土與鋼管自身特性，可能發(fā)生徐變收縮效應(yīng)，導致內(nèi)壁鋼混分離和鋼管壁局部屈曲等組合性能降低的現(xiàn)象。

Wang等[38]研究了混凝土非線性徐變對鋼管混凝土柱受力的影響（如圖20），鋼管混凝土中鋼管對內(nèi)嵌混凝土約束，達到充分發(fā)揮混凝土抗壓性能的目的，但由于混凝土收縮徐變效應(yīng)，常常引起內(nèi)力重分布。研究表明，按線性蠕變考慮會低估蠕變作用效果，經(jīng)蠕變作用后，試件極限承載力沒有發(fā)生較大變化，但變形能力較未經(jīng)過蠕變作用的試件有所降低?；谠囼灲Y(jié)果，提出了可用于鋼管混凝土非線性蠕變預(yù)測的模型。總體而言，常用徐變理論為線性徐變理論，對于受壓構(gòu)件來說，其應(yīng)力水平一般較高，會出現(xiàn)超出線性徐變理論適用范圍的情況，學者們對非線性徐變研究較少，且一般以試驗研究為主。

Lee等[39]研究了偏心加載作用下CEFT鋼管混凝土柱延性和破壞狀態(tài)（如圖21）;Song等[40]研究了鋼管局部屈曲行為下鋼管混凝土受力狀態(tài)（如圖22），考慮了鋼管幾何缺陷和殘余應(yīng)力用以預(yù)測屈曲后極限強度，由于混凝土灌注后，混凝土收縮導致了鋼管壁和內(nèi)嵌混凝土表面分離或者其他受力狀態(tài)導致了分離，這種分離現(xiàn)象降低了鋼管約束作用，同時，鋼管側(cè)向約束的降低增大了局部屈曲風險，對此類失效模式的研究有助于不利狀態(tài)下鋼管混凝土承載能力的評估。

4.2 整體力學性能

鋼管混凝土拼接后形成鋼管混凝土桁架，可用作鋼管混凝土桁架橋上部結(jié)構(gòu)或鋼管混凝土格構(gòu)柱等結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土桁架桿件較多，各個管節(jié)點施工工藝復(fù)雜，近年來也頗有應(yīng)用，如干海子特大橋等。由于復(fù)雜的桿件關(guān)系，可能存在較多因素制約其性能的發(fā)揮，如管節(jié)點疲勞，制造缺陷等問題。鋼管混凝土格構(gòu)柱施工便捷、承載能力高、延性好，在橋墩中應(yīng)用較為合適，因此，十分有必要對其抗震特性進行研究。目前，對鋼管混凝土格構(gòu)柱在地震作用下響應(yīng)行為的研究還不夠充分。

Chen等[41]研究了考慮初始缺陷的鋼管混凝土桁架力學行為（如圖23），由于缺陷具有隨機性特性，研究了不同初始缺陷影響的可靠度指標，針對隨機初始缺陷，提出了可靠性和相關(guān)系統(tǒng)阻力因素，研究中著重分析了鋼管內(nèi)填充混凝土后的制造缺陷（混凝土與鋼管的間隙）對桁架梁可靠性的影響，未考慮混凝土相關(guān)的時變效應(yīng)，給多變量的可靠性評估提供了框架。袁輝輝等[42]對鋼管混凝土格構(gòu)柱振動特性及抗震性能進行了研究，驗證了此類結(jié)構(gòu)具有良好的強度儲備和變形能力，多次強震后仍具有一定承載力，適用于高烈度地區(qū)橋梁工程。

4.3 管節(jié)點

管節(jié)點是鋼管混凝土桁架橋梁的關(guān)鍵受力部位，管節(jié)點應(yīng)力集中程度高，軸向徑向剛度變化大，再加上焊接初始缺陷、殘余應(yīng)力等影響，反復(fù)荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞開裂，是管結(jié)構(gòu)研究重點之一。一些學者采用應(yīng)力集中系數(shù)評估疲勞性能，如熱點應(yīng)力、切口應(yīng)力，也有通過斷裂力學研究方法對產(chǎn)生疲勞裂紋后的裂紋拓展進行的研究。2019年，學者們[43]對管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)的研究仍在繼續(xù)（如圖24），研究管管相貫節(jié)點、管板節(jié)點和掃把型節(jié)點的熱點應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)果顯示管板節(jié)點熱點應(yīng)力系數(shù)較低。Jin等[44]和周凌宇等[45]對兩類可拆卸式新型管節(jié)點的受力特性進行了研究，分別研究了可拆卸式管管K型節(jié)點的失效模式與接頭強度和外接板式K型節(jié)點的初始剛度（如圖25、圖26）?？刹鹦妒焦芄?jié)點有利于結(jié)構(gòu)元素的重復(fù)利用，是促進減少能源消耗和建設(shè)排放的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

4.4 新型結(jié)構(gòu)研發(fā)

前述內(nèi)容多為普通性能鋼混組合結(jié)構(gòu)，近年來，隨著材料的發(fā)展，高強鋼和特種混凝土的應(yīng)用也逐漸廣泛，如再生混凝土、橡膠混凝土、超高性能混凝土，纖維混凝土等。不僅在材料上種類繁多，在復(fù)合結(jié)構(gòu)形式上也層出不窮，除了鋼管內(nèi)嵌混凝土，還有不同型鋼外包混凝土，不同型鋼外包混凝土再內(nèi)嵌入鋼管內(nèi)，以及多個鋼管混凝土柱組合外包混凝土再內(nèi)嵌入鋼管內(nèi)，根據(jù)不同承壓需求，耐高溫、耐久性等要求，形式多樣。同時，為保證內(nèi)填混凝土的約束作用以及與鋼管的協(xié)同作用，內(nèi)置鋼筋形式也是設(shè)計者研究的方向。

Mohd Raizamzamani等[46]研究了鋼管+泡沫混凝土組合柱對填充有泡沫混凝土的圓形鋼管在軸向推力和彎曲作用下的約束作用進行研究，并估計了填充泡沫混凝土鋼管柱的最佳軸向和抗彎能力。Dong等[47]對鋼管+橡膠混凝土鋼管混凝土柱進行了研究，利用橡膠具有資源二次利用和改善混凝土延展性的優(yōu)點，盡管犧牲了部分強度和剛度，內(nèi)填橡膠混凝土對有大變形需求的構(gòu)筑物，如地震活動區(qū)結(jié)構(gòu)中的立柱等，提供了良好的解決方案。Xu等[48]對鋼管+再生混凝土進行了研究，重點研究了再生混凝土替代率對組合結(jié)構(gòu)復(fù)合彈性模量的影響。研究表明，復(fù)合彈性模量對結(jié)構(gòu)尺寸的敏感性高于再生混凝土替代率，再生混凝土的利用減少了廢混凝土對環(huán)境的影響，具有發(fā)展前景。在結(jié)構(gòu)組合多樣性方面，Liang等[49]研究了雙鋼管混凝土工作性能。Wang等[50]驗證了一種用于替代鋼管混凝土的新型波紋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，利用外鍍鋅波紋鋼管優(yōu)異的耐腐蝕性解決鋼管混凝土耐久性問題，波紋管具有較高側(cè)向剛度，可與混凝土牢固結(jié)合。并測試了短柱軸壓性能，如圖27所示。組合管結(jié)構(gòu)依照其使用性能的不同，組合結(jié)構(gòu)形式和材料的選用也十分豐富，其研究內(nèi)容多集中于抗壓性能和變形能力，研究中較多地比較了其力學性能，如若推廣使用，仍需考慮其經(jīng)濟性和獲取材料的便捷性。

5 波形鋼腹板混凝土組合結(jié)構(gòu)力學行為

波形鋼腹板PC組合箱梁以波形鋼板代替普通混凝土作為腹板，可有效減輕橋梁自重，提高跨越能力，近些年來得到廣泛關(guān)注和深入研究。對于波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁力學行為的研究主要集中在波形鋼腹板抗剪性能、抗彎性能、空間行為及動力性能4個方面。

5.1 抗剪性能

波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁中，截面剪力由波形鋼板承擔，波形鋼板剪切屈曲行為一直是該類橋梁的主要研究方向之一。2019年，學者們對變截面波形鋼腹板、設(shè)置加勁肋波形鋼腹板（如圖28）和曲線波形鋼腹板剪切性能進行了研究。

文獻[51]在對變截面波形鋼腹板箱梁剪應(yīng)力的研究過程中發(fā)現(xiàn)，剪力、彎矩和軸力均會產(chǎn)生剪應(yīng)力，并且后兩者僅僅在變截面時產(chǎn)生剪應(yīng)力，研究結(jié)果表明，變截面波形鋼腹板截面頂板剪應(yīng)力很小，底板剪應(yīng)力相對頂板較大。在無彎矩或彎矩很小的區(qū)域僅由腹板承剪是可以接受的，但當彎矩較大時，頂、底板承剪比例能達到50%以上，因此，應(yīng)考慮頂、底板的承剪能力。研究中考慮到變截面處頂、底板承剪能力較傳統(tǒng)計算理論和規(guī)范更加充分、全面，進而可優(yōu)化波形鋼腹板及混凝土頂、底板截面設(shè)計。

大跨度波形鋼腹板組合梁支撐段剪切穩(wěn)定性是影響結(jié)構(gòu)安全主要控制因素之一，一般是通過將混凝土澆筑到波形鋼腹板內(nèi)側(cè)以提高其剪切穩(wěn)定性，但內(nèi)襯混凝土增大了梁體重量，增加了施工難度。文獻[52]通過在支撐段采用豎向或水平加勁肋代替內(nèi)襯混凝土達到提高鋼腹板剪切穩(wěn)定性，是一種新型增強方法。研究結(jié)果表明，波形鋼腹板剪切強度可通過垂直和水平加勁肋來提高，豎直加勁肋不會影響波紋鋼腹板“手風琴效應(yīng)”，同時，水平加勁肋會增加波紋鋼腹板在局部區(qū)域的軸向剛度，并抵抗上下翼緣所傳遞的彎矩。與內(nèi)襯混凝土相比，采用垂直和水平加勁肋，可有效降低自重，且保證梁體剪切穩(wěn)定性。

5.2 空間力學行為

2019年，在波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究中，空間力學行為研究占比較多，集中在剪力滯效應(yīng)、橫向受力行為（如圖29）。此外，腹板采用鋼管混凝土桁架的特殊波形鋼腹板組合梁也被關(guān)注（如圖30）。

文獻[53]對波形鋼腹板組合箱梁剪力滯影響因素進行了研究，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)寬跨比是其主要影響因素，波形鋼腹板厚度和頂、底板厚度影響較小，其余參數(shù)在常規(guī)設(shè)計范圍內(nèi)可不予考慮，進而研究組合箱梁剪力滯影響因素可重點著眼于結(jié)構(gòu)寬跨比。

波形鋼腹板組合箱梁可通過預(yù)制拼裝方式進行施工，文獻[54]在對車輛荷載作用下節(jié)段組合箱梁橫向力學性能的研究中發(fā)現(xiàn)，組合箱梁橫向彎曲剛度比具有混凝土腹板結(jié)構(gòu)的橫向彎曲剛度弱，同時，相關(guān)研究結(jié)果表明，組合箱梁發(fā)生破壞是頂板混凝土發(fā)生彎曲破壞，而不是腹板剪切屈曲破壞。此外，預(yù)制分段組合箱形梁具有較高的安全系數(shù)和良好的塑性變形能力。研究揭露了另外一種組合箱梁破壞形態(tài)，頂板混凝土彎曲破壞，因此，可對其受力破壞機理深入研究。

底板采用鋼管混凝土桁架的特殊波形鋼腹板組合梁，是一種增強改進組合結(jié)構(gòu)，文獻[55]對其剪力滯效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)部是否填充混凝土對剪力滯效應(yīng)影響不大，剪力滯效應(yīng)與寬跨比有關(guān)，寬跨比越大，剪力滯效應(yīng)越大。因而在計算該種組合梁剪力滯效應(yīng)時，對內(nèi)填混凝土可不予考慮。

5.3 動力特性

對波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁動力特性的研究側(cè)重于兩方面，一方面，作為焊接鋼結(jié)構(gòu)反復(fù)荷載作用下其連接細節(jié)疲勞性能是該類橋梁研究熱點，文獻[56]（如圖31）對波紋腹板進行了大型四點彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果表明，在恒定彎矩區(qū)域內(nèi)腹板與翼緣焊接部位焊趾處產(chǎn)生了多條裂紋，但臨界裂紋還是在彎曲剪切組合區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。另一方面，隨著多跨波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用，其動力特性也需要深入探討，文獻[57]研究表明，鋼腹板波折角度增大會導致結(jié)構(gòu)豎向彎曲振動頻率遞減，且波形鋼腹板波折角度增大會導致結(jié)構(gòu)橫向彎曲振動頻率和扭轉(zhuǎn)頻率呈先增大后減小的趨勢，波折角度為60°時，二者頻率均達到最大值。由此可見，在設(shè)計多跨波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)時，需對鋼腹板的波折角度予以考慮，尤其是涉及到結(jié)構(gòu)動力特性方面。

5.4 抗彎性能

波形鋼腹板管翼緣組合梁較一般工字型組合結(jié)構(gòu)剛度更高、承載力更大、穩(wěn)定性更好。文獻[58]研究表明，波形鋼腹板高度及翼緣鋼管管壁厚度對組合梁跨中截面應(yīng)變影響較大，且組合截面含鋼率對其承載力也有較大影響，研究結(jié)果表明，鋼腹板高度及翼緣管壁厚度變化最大可減少跨中截面應(yīng)變的59%，含鋼率變化最大可提高承載力的78%。

對于波形鋼腹板組合梁撓度計算方法一般有5種，即經(jīng)典梁法、Timoshenko梁法、彈性剪切變形法、有效剛度法、三角級數(shù)理論。文獻[59]研究結(jié)果表明，Timoshenko 梁法適用于跨高比大于10的簡支梁（跨中集中力荷載工況），跨高比大于14.5的簡支梁（均布荷載工況），三角級數(shù)理論適用于跨高比大于4.5的懸臂梁（跨中集中力荷載工況和均布荷載工況），其他理論則需具體問題具體分析。該研究全面分析了波形鋼腹板組合梁不同撓度計算方法的優(yōu)缺點，較為清晰地闡釋了不同計算方法的適用范圍。

6 結(jié)論

隨著中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進，建立綠色、低碳與可持續(xù)交通運輸體系的任務(wù)日益迫切。鋼混組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮混凝土和鋼材各自材料的性能優(yōu)勢，以其整體受力的合理性、經(jīng)濟性、便于施工等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程的許多領(lǐng)域。為促進橋梁建設(shè)裝配化、綠色化及智能化的轉(zhuǎn)型升級，在橋梁工程中推廣使用鋼混組合結(jié)構(gòu)也面臨著機遇與挑戰(zhàn)。

通過對2019年鋼混組合橋梁整體力學行為、鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵、鋼UHPC組合橋梁力學行為、鋼管混凝土橋梁力學行為及波形腹板組合梁橋力學行為5方面的研究回顧可以看出，未來一段時期，新結(jié)構(gòu)（新型組合結(jié)構(gòu)）開發(fā)、新材料（高性能材料）應(yīng)用、新方法（精細分析方法）建立及新環(huán)境（復(fù)雜環(huán)境）影響是組合結(jié)構(gòu)橋梁的重要研究方向，具體研究內(nèi)容及熱點為：

1）在鋼混組合橋梁整體力學行為方面，負彎矩作用下鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的力學行為及控制;復(fù)雜受力模式下鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的空間受力行為;新型鋼混組合結(jié)構(gòu)傳力機理將成為研究熱點。

2）在鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵研究方面，復(fù)雜環(huán)境下剪力鍵性能的退化;高性能混凝土中剪力鍵的力學行為;新型剪力鍵的力學行為將成為新的研究熱點。

3）在鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)研究方面，鋼UHPC組合橋面疲勞性能和新型鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)開發(fā)需要予以關(guān)注。

4）在鋼管混凝土橋梁研究方面，鋼管混凝土桁架管節(jié)點的力學行為、大跨鋼管混凝土桁架的精細分析和新型鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學性能將成為研究熱點。

5）在波形鋼腹板混凝土組合橋梁研究方面，特殊波形鋼板的剪切屈曲行為、波形鋼腹板混凝土組合梁的空間受力行為和波形鋼腹板混凝土組合梁的焊接細節(jié)疲勞性能將成為研究熱點。參考文獻：

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（編輯 章潤紅）