（交通运输工程专业论文）钢—混凝土连续曲线组合梁受力性能与工程应用研究.pdf

摘要 钢一混凝土组合梁利用了钢材受拉性能好、混凝土受压性能好的特点，将两种材料 通过连接件组合成整体而共同受力的一种新型结构。具有自重轻、刚度大、施工快捷等 优点，且能保证施工期间桥下道路正常通行。在道路立体交叉中需要上跨已建成的高等 级公路时，钢一混凝土连续组合梁桥应作为首选桥型，可以推广应用。 论文在参阅国内外资料文献的基础上，借鉴现有的钢一混凝土组合结构研究成果， 以某城市钢一混凝土连续曲线组合梁桥为工程背景，对钢一混凝土组合梁桥的受力性 能、数值分析方法、设计参数进行了深入的研究探索。论文主要进行了以下内容的研究 工作： 1 、以国内外组合梁桥的发展历程和研究现状为基础，分析了钢混凝土连续曲线组 合梁桥的受力性能。 2 、对比分析了钢一混凝土连续曲线组合梁桥的数值分析方法，即弹性理论分析方 法和塑性理论分析方法，探讨两者的适用范围，分析连续曲线组合梁桥的设计 理论、原则和方法。 3 、以有限元理论为基础，采用桥梁分析软件m i d a s c i v i l ，建立了实体工程有限 元模型，计算了结构在不同工况下的受力和变形。采用参数分析法对影响钢混 凝土连续曲线组合梁桥的主要因素进行了大量的计算和比较，重点讨论了曲率 半径和桥面混凝土厚度对连续曲线组合梁的变形和内力的影响。 关键词：钢一混凝土连续曲线组合梁，受力性能，工程实例，参数分析 a b s t r a c t s t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t eb r i d g ei san e wt y p es t r u c t u r ei nw h i c ht h es t e e la n dt h e c o n c r e t ea r ei n t e g r a t e db yc o n n e c t o r st ot a k ea d v a n t a g eo ft h er e s p e c t i v ep r o p e r t i e so ft e n s i o n a n dc o m p r e s s i o n s t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t eb r i d g e sh a v et h ef o l l o w i n gm e r i t s ：l i g h t e r d e a d w e i g h t ，b i g g e rr i g i d i t ya n ds h o r t e rc o n s t r u c t i o nt i m e ，w h i c hc a na s s u r et h er o a d w a y u n d e rb r i d g ei se x p e d i t ed u r i n gt h ep e r i o do fc o n s t r u c t i o n h e ni tn e e d so v e r p a s s i n gt h e b u i l th i g h e rh i g h w a yi nt h eg r a d es e p a r a t i o nr o a d w a y s ，s t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t ec o n t i n u o u s b r i d g e ss h o u l db et h ep r e f e r r e db r i d g e sw h i c hc o u l db eu s e dw i d e l y b a s e do nr e v i e wo ft h ee x i s t i n gr e f e r e n c e sa n dr e s e a r c hw o r k ，t h et h e s i si n v e s t i g a t e dt h e s t r u c t u r a lb e h a v i o r , n u m e r i c a la n a l y s i sa n dd e s i g np a r a m e t e r so fac i t yr o a ds t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t ec o n t i n u o u sc u r v e db r i d g e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 o nt h eb a s i so fd e v e l o p i n gh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t u so fc o m p o s i t eb e a m ，t h es t r e s s p e r f o r m a n c e so fc u r v e ds t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t ec o n t i n u o u sb r i d g ea r ea n a l y z e d 2 a f t e rc o m p a r i n gt h et w od e s i g nm e t h o d so fc u r v e ds t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t e c o n t i n u o u sb r i d g e ，e l a s t i ct h e o r ym e t h o da n dp l a s t i ct h e o r ym e t h o d ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h e a p p l i c a t i o ns c o p e sa b o u tb o t hm e t h o d s ，a n da n a l y z e st h eg e n e r a ld e s i g nt h e o r i e s ，p r i n c i p l e s ， a n dm e t h o d s 3 b a s e do nf i n i t ee l e m e u tt h e o r y , t h ef i n i t ee l e m e mm o d e l so ft h ec u r v e ds t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t ec o n t i n u o u sb r i d g eu n d e rd i f f e r e n tl o a dc a s e sw e r eb u i l tu pb ym i d a s c i v i lt o a n a l y z ef o r c e sa n dd e f o r m a t i o n s a p p l y i n gp a r a m e t e ra l t e r n a t i n gm e t h o d ，t h ep a p e rc a r r i e d o u tag r e a td e a lo fc a l c u l a t i o n sa n dc o m p a r i s o n sf o rt h em a i nc o n t r i b u t o r yf a c t o r so fc u r v e d s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t ec o n t i n u o u sb r i d g e ，a n dt h ek e yf o c u s e sa r ep u to nt h ei n t e r n a lf o r c e a n dd e f o r m a t i o ne f f e c t so fc u r v a t u r er a d i u sa n dt h et h i c k n e s so fc o n c r e t ef o r t h e s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t ec o n t i n u o u sb r i d g e k e yw o r d s ：c u r v e ds t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t ec o n t i n u o u sb r i d g e ；s t r u c t u r a lb e h a v i o r ； p r a c t i c a lp r o j e c t ；p a r a m e t r i ca n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叶辛( ，仟2 叨年月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 叶礼磷土口卵年月7 日 z u 仃罗年参月7 日 长安大学硕上学位论文 1 1 钢一混凝土组合梁的概述 第一章绪论 1 1 1 基本概念 钢一混凝土组合结构的定义：用型钢或钢板( 或冷拉) 钢截面，在其上面、四周或 内部浇注混凝土，使混凝土与型钢形成整体，并且共同受力的结构，统称为钢一混凝土 组合结构，或简称组合结构1 1 。 国内外常用的钢一混凝土组合结构分为六大类：压型钢板组合结构。钢混凝 土组合梁。型钢组合结构。钢管混凝土。外包钢组合结构。预应力组合结构( 分 为预弯组合结构和预应力束组合结构) 。本文研究对象属于第二种钢一混凝土组合结构 即钢混凝土组合梁。 钢一混凝土组合梁是由钢梁或钢桁梁通过连接件( 剪力键) 与钢筋混凝土板组合而 成的结构【2 】。 钢一混凝土组合梁将钢材和混凝土两种材料结合在一起，可以避免各自的缺点，充 分发挥两种材料的优势，形成强度高、刚度大、延性好的结构形式。同钢筋混凝土结构 相比，可以减轻自重，降低基础造价，节省支模工序和模板，缩短施工周期，减小地震 作用，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，可以减少用钢量，增大刚度，增加稳 定性，增强结构的抗火性和耐久性等。近年来，钢一混凝土组合梁在我国的应用实践表 明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我 国基本建设的国情，将成为我国结构体系的重要发展方向之一【l - 5 3 1 。 1 1 2 钢一混凝土组合梁的分类 组合梁根据混凝土板与钢梁的组合连接程度可分为完全抗剪连接组合梁和部分抗 剪连接组合梁两大类吲。完全抗剪连接组合梁是指组合梁中配有足够数量的连接件，在 组合梁截面的极限弯矩作用下产生的纵向剪力，完全可以由所配的连接件承担。部分抗 剪连接组合梁则是指配置的连接件少于完全抗剪连接所需的连接件数量。部分抗剪连接 组合梁限用于跨度不超过2 0 m 的等截面组合梁。本文中讨论提及的组合梁均指完全抗剪 连接组合梁。 钢一混凝土组合梁按照截面形式可以两种形式，一种为外包混凝土组合梁，也称为 型钢一混凝土梁或劲性混凝土梁；第二种为钢梁外露的组合梁。常称为钢一混凝土组合 第一章绪论 梁。本文只研究钢梁外露这种形式的组合梁，以下文中简称为组合梁。 不同组合梁截面形式如图1 1 所示： 钢筋混凝土翼板 外包混凝土组合梁t 形组合梁 图1 1 不同组合粱的截面形式 1 根据混凝土翼板的构造不同分类 组合梁按照混凝土翼板的不同又可以分为现浇混凝土翼板组合梁、预制混凝土翼板 组合梁、叠合板翼板组合梁以及压型钢板混凝土翼板组合梁。 现浇混凝土翼板组合梁的混凝土翼板全部现场浇筑，优点是混凝土翼板整体性好， 缺点是需要现场支模，湿作业工作量大，施工速度慢。 预制混凝土翼板组合梁的特点是混凝土翼板预制，现场仅需要在预留槽口处浇筑混 凝土，可以减小现场湿作业量，施工速度快，但是对预制板的加工精度要求高，不仅需 要在预制板端预留槽口，而且要求两板端预留槽口在组合梁的抗剪连接件位置处对齐， 同时槽口处需附加构造钢筋。由于槽口构造及混凝土浇筑质量直接影响到混凝土翼板和 钢梁的整体工作性能。作为大规模推广应用的结构形式，实现预制混凝土翼板组合梁的 精确施工并确保其质量，在目前有一定的困难。 叠合板翼板组合梁是我国科技工作者在现浇混凝土翼板组合梁和预制混凝土翼板 组合梁的基础上发展起来的新型组合梁，具有构造简单、施工方便、受力性能好等优点。 预制板在施工阶段作为模板，在使用阶段则作为楼面板或桥面板的一部分参与板的受 力，同时还作为组合梁混凝土翼板的一部分参与组合梁的受力，做到了物尽所用。这种 形式的组合梁可以用传统的简单施工工艺取得优良的结构性能，适合我国现阶段基本建 设的国情，是对传统组合梁的重要发展。 压型钢板在施工阶段可以代替模板，在使用阶段的功能取决于压型钢板的形状和构 造。对于带有压痕和抗剪键的开口型压型钢板以及闭口型和缩口型钢板，可以代替混凝 2 长安大学硕士学位论文 土板中的下部受力钢筋，其他类型的压型钢板一般则只作为永久性模板使用。 2 根据有无板托分类 按混凝土翼板有无带有托座，组合梁可分为带有托座的混凝土翼板组合梁和无托座 混凝土翼板组合梁。 3 根据钢梁形式分类 组合梁所采用的钢梁形式有工字形、箱形、钢桁架、蜂窝形钢梁等。箱形钢梁又分 为开口截面和闭口截面两类。 4 根据组合梁有无施加预应力分类 按是否对组合梁施加预应力，组合梁又可分为非预应力组合梁和预应力组合梁。 1 1 3 组合梁的特点 组合梁主要有以下优点【2 】【5 】： ( 1 ) 能充分发挥钢材和混凝土两种材料的优势，混凝土受压，钢梁主要是受拉与 受剪，两种材料扬长避短，结构受力合理，有较高的强度和刚度； ( 2 ) 节省材料。组合梁方案与同等刚度、强度的钢结构方案相比可节省钢材用量 2 0 - - - 4 0 ，建筑造价每平方米可降低10 - - 4 0 ； ( 3 ) 与钢梁方案相比，增大了梁的截面刚度。组合梁的计算截面比钢梁及钢板梁 大，可使主梁挠度减小1 3 - - 1 2 左右； ( 4 ) 与钢梁方案相比，增加了稳定性和整体性。由于侧向刚度大的混凝土板与钢 梁连接组合在一起，很大程度上避免了钢结构容易发生整体失稳和局部失稳的弱点。工 程实践表明，组合梁用于桥梁结构中，其抗疲劳性能及抗冲击性能均比钢梁有很大改善。 国内外的研究实践还表明，采用组合梁方案不仅可以提高梁的承载力和刚度，还可以增 加梁的自振频率，避开可能发生共振的频率区； ( 5 ) 组合梁方案与钢筋混凝土梁方案相比，可减轻自重，减小构件截面尺寸。通 常梁高可降低1 0 ，增加了有效使用空间，因而组合梁在对净空要求严格的城市桥梁建 设中得到了广泛的应用。国内许多改、扩建工程，由于采用了组合梁方案，使建筑物结 构高度受限制的问题得到了很好的解决； ( 6 ) 组合梁方案同钢筋混凝土梁方案相比，增加了结构构件的延性。组合梁由于 具有良好的整体性和抗剪性能，表现出较好的耐震性能，因此组合梁一出现，就在桥梁 工程中得到了广泛的应用： 第一章绪论 ( 7 ) 组合梁结构可利用安装好的钢梁作混凝土板的支承模板，节省了现场浇筑混 凝土桥面板所需的施工模板，减少了支模工序，方便了施工，加快了施工进度。对于栈 桥等建筑高度较高的大跨度结构，这一优点更为突出。 由于上述优点，使用组合梁可大量节约钢材，降低整个工程造价，其经济效益是显 而易见的。此外，组合梁桥在活载作用下比全钢梁桥的噪声明显减小，在城市桥梁设计 施工中采用组合梁桥方案可以减少噪声污染。 组合梁桥中为了保证钢梁和混凝土板的可靠连接，钢梁上必须焊接相当数量的抗剪 连接件，不仅要消耗一部分钢材，还增加了抗剪连接件焊接施工的工作量。但是由于国 产专用栓焊机具早已问世，大大缩短了栓钉施焊的作业时间，且焊接质量得到了很好的 保证，为组合梁的进一步推广应用奠定了基础。 1 1 4 钢一混凝土组合梁桥的构造特点圆 5 】 组合梁由钢梁、钢筋混凝土板和抗剪连接件三个主要部分构成，以下分述其各组成 部分的构造特点。 1 钢梁 钢梁在组合梁中主要处于受拉状态，为充分发挥钢梁的效能，常用的钢梁形式有工 字型钢梁、焊接工字钢梁和钢箱梁。 ( 1 ) * l n 工字钢梁 荷载、跨度较小的组合梁，通常直接采用钢厂轧制的工字型钢作为钢梁，施工安装 简便。工字型钢一般只用于房屋建筑的中、小跨径组合梁。见图1 2 a ) 。 量亘重 a )b )c )d ) e ) 图1 2 常用的钢梁截面 4 f ) 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 焊接工字钢梁 桥梁工程中的组合梁由于钢梁的上翼缘往往接近中和轴，受力中不能充分发挥其作 用，所以经常采用焊接的不对称的工字钢梁，即上翼缘的宽度较小( 但应满足布置连接 件的构造要求) 。不对称工字钢梁可以有多种方法加工而成。一般应尽可能用三块钢板 直接焊成不对称的工字钢，可以根据受力和实际需要灵活地选择每块钢板的宽度和厚 度，如图1 2 b ) ；图1 - - 2 c ) 是将大型工字钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板；如 图1 2 d ) 所示截面，是将工字钢沿腹板纵向割开，然后将不同大小的半工字钢对接焊成； 当钢板厚度问题不能很好解决时，可采用外贴钢板的形式，如图1 2 e ) ；当组合梁的跨度 不大时，为节省材料也可设计成倒t 形钢梁，如图1 2 f ) 。 ( 3 ) 钢箱梁 大跨径的组合梁桥，多采用钢箱梁的截面形式，称为箱形组合梁桥。箱形截面组合 梁由于抗扭刚度大，特别适合于建造曲线梁桥，且顺桥方向大多做成连续结构。 2 钢筋混凝土翼板 对于桥梁组合梁，支承于钢梁项面的钢筋混凝土板除了作为组合梁的上翼缘与钢梁 一起承担纵向弯矩之外，同时作为桥面板还要承担由局部荷载引起的横桥方向的内力。 t 形钢一混凝土组合梁的混凝土翼板通常采用现浇混凝土翼板、预制混凝土翼板、叠 合板翼板以及压型钢板混凝土翼板。 3 抗剪连接件 设置在钢梁上翼缘顶面的抗剪连接件是钢梁与混凝土板共同工作的基础。抗剪连接 件的作用主要是承受钢梁和混凝土板之间界面上的纵向剪力，抵抗两者之间的相对滑 移。目前各国使用的抗剪连接件形式很多，大体上可分为以下三种【2 1 。 ( 1 ) 栓钉抗剪连接件 栓钉连接件的设置如图1 3 a ) 所示。栓钉钉杆的直径一般为1 2 - - - 2 5 m m ，常用的为 1 6 - - 1 9 m m ；栓钉连接件钉杆直径不宜超过被焊钢梁翼板的2 5 倍，钉长与栓杆直径之 比应不小于4 ；为抵抗掀起作用，栓杆上部做成大头或弯钩，大头直径不得小于栓杆直 径的1 5 倍。 第一章绪论 a ) c ) 台 b ) 图1 3 连接件的种类 a ) 栓钉连接件? b ) 槽钢连接件，c ) 弯筋连接件 ( 2 ) 型钢抗剪连接件 用作抗剪连接件的型钢主要有槽钢、t 形钢和方钢三种。图1 3 b ) 为槽钢连接件。 ( 3 ) 钢筋抗剪连接件 钢筋抗剪连接件可以做成弯筋和螺旋筋两种形式，图1 3 c ) 所示为弯筋连接件。 根据抗剪连接件的工作性质和破坏形态，可将其分为柔性连接件和刚性连接件两大 类。柔性连接件，如图1 3 a ) 、c ) ，其本身的刚性较小，破坏时变形较大，破坏形态较为 协调，很少发生突然的脆性破坏，因而对桥梁结构等承受冲击荷载的情况一般均宜采用 柔性连接件。刚性连接件，如图1 3 b ) ，其本身的刚性较大，破坏时变形很小，容易引 起周围混凝土的应力集中，造成混凝土局部压碎或剪切破坏。 我国建筑钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 【6 1 推荐采用图1 3 中a ) 、b ) 、c ) 所示 的栓钉、槽钢和弯筋连接件，其中以栓钉连接件应用最为广泛。 1 2 钢一混凝土组合梁的发展和研究概况 1 2 1 钢一混凝土组合梁在国外的发展概况【2 】 组合梁大约出现于2 0 世纪的2 0 年代。当时主要考虑防火的要求在钢梁外面包混凝 土，而未考虑两者的组合工作效应。随后在2 0 年代至3 0 年代期间，即出现了在钢梁与 覆盖的混凝土之间加入各式各样的构造方法。1 9 2 6 年j k a h n 曾获得组合梁结构的专利 权，这可以认为是组合梁的创始阶段。 6 长安大学硕士学位论文 从4 0 年代到6 0 年代可以认为是组合梁发展的第二阶段。4 0 年代到6 0 年代世界各 国相继开展了组合梁的试验研究，特别是针对组合梁的关键技术抗剪连接件展开了 系统的研究。1 9 3 3 年瑞士的v o e l l m y 为研究组合梁抗剪连接件的工作性质，提出了压、 拉试验方法，并针对他们采用的螺旋形连接件进行了强度计算。当时欧洲各国习惯于采 用钩状或块状等刚性连接件，而美国使用的是螺栓( 销钉) 等柔性连接件。从1 9 5 4 年开始， 美国的伊里诺伊大学和里海大学等高校对当时应用最多的销钉连接件进行了静态试验 和疲劳试验研究。有关连接件的研究成果促进了组合梁的应用和发展。 为适应工程实际的需要，一些国家相继制订了有关组合梁的设计规范或规程： ( 1 ) 美国是最早制定组合梁设计规范的国家。1 9 4 4 年美国州际公路协会( a s s h t o ) 制定的公路桥涵设计规范已纳入了有关组合梁的规定，但到1 9 5 7 年修订之前，实 际使用的并不多。 ( 2 ) 前联邦德国在1 9 5 4 年以后，急需重建战争中毁坏的大量房屋和桥梁。由于钢 材短缺迫使工程师采用最经济的设计，因而大量采用组合结构。在实践的基础上，于1 9 5 4 年制定了桥梁组合梁标准( d i n l 0 7 8 ) ，1 9 5 6 年制定了房屋建筑组合梁标准 ( d i n l 4 2 3 9 ) 。 ( 3 ) 前苏联第一座公路组合梁桥建于1 9 4 4 年。1 9 6 2 年颁布的苏联铁路、公路、 城市道路桥涵设计规范( c h 2 0 0 6 2 ) 中，专门列出一章系统地介绍了“钢混凝土结 合的结构 ( 习惯上称结合梁) 的设计和有关构造。 ( 4 ) 日本建设省土木研究所于1 9 5 2 年开始进行组合梁的研究，1 9 5 3 年建成了第一 座组合梁桥( 大阪市神户桥) ，1 9 5 9 年制定了道路钢桥组合梁设计施工指南，此后 日本修建了大量的组合梁桥。 ( 5 ) 英国于1 9 6 5 年制定了钢混凝土组合结构梁、房屋建筑中的简支梁( c p l l 7 - p t l ) 设计标准，1 9 6 7 年制定了钢混凝土组合结构梁( c p l1 7 ：p t l ) 设计标准。 ( 6 ) 印度标准协会于1 9 6 6 年制定了组合结构设计规范( i s ：3 9 5 5 1 9 6 6 ) 。 由此可见，世界各国关于组合梁的应用和研究起步的时间相差不多，而且都是从桥 梁结构开始的。在这期间组合梁的设计理论也逐渐完善。在2 0 世纪6 0 年代以前，基本 上按弹性理论进行分析，而从6 0 年代开始则逐渐转为按塑性理论分析。 自2 0 世纪7 0 年代开始，可以认为是组合梁发展的第三阶段。在世界一些主要产钢 国家，6 0 7 0 年代曾经促进建筑钢结构的发展，并使得钢结构一直处于各类结构中的领 先地位。然而，当组合结构兴起之后，从7 0 年代开始，它的发展逐渐赶上钢结构，而 7 第一章绪论 且在一定的领域内能代替钢结构和钢筋混凝土结构。组合结构的这种发展趋势必然吸引 了那些有远见的钢结构和钢筋混凝土结构专家，使得他们把注意力转移到这方面来，联 手开展合作研究。早在1 9 6 0 年，美国钢结构协会和钢筋混凝土协会就联合组成a i s c a c i 组合梁联合委员会开展工作。最值得注意的是在国际土木工程师协会联合委员会主持 下，于1 9 7 1 年成立了由欧洲混凝土协会( c e b ) 、欧洲钢结构协会( e c s s ) 、国际预 应力混凝土联合会( f i p ) 以及国际桥梁与结构工程协会( i a b s e ) 共同组成的组合结 构委员会，并于1 9 8 1 年发表了组合结构规范，为组合结构的发展及应用作了肯定 的总结，同时开创了组合结构新的发展方向。 1 2 2 钢一混凝土组合梁在国内的发展状、兄【3 】 在我国，组合梁应用的起步与世界各国相比并不算太晚。从2 0 世纪5 0 年代起组合 梁开始在公路、铁路桥梁中得到应用，后来在冶金、煤矿及电力等系统中均有所应用。 1 9 5 7 年建成的武汉长江大桥，其上层公路桥的纵梁( 跨度1 8 m ，梁距1 8 m ) 就采用了组合 梁结构。铁道部还编制了钢筋混凝土板与钢梁联合梁的通用图，梁的跨度达到4 4 m 。交 通部1 9 7 4 年颁布的公路桥涵设计规范亦有关于组合梁的专门条款。 我国钢混凝土组合梁的研究是从2 0 世纪8 0 年代开始的，研究方法多是借助于国 外的研究方法，并很快将研究成果应用到工业厂房、高层建筑、大跨度桥梁及城市立交 桥等实际工程中去，取得了良好的经济效益和社会效益。原郑州工学院、原哈尔滨建筑 工程学院、山西省电力勘测设计院、华北电力设计院和清华大学等单位曾先后对组合梁 进行了研究和应用，取得了一系列具有重要理论意义和实用价值的成果。 原哈尔滨建筑工程学院、郑州工学院等高校结合我国的实际情况对组合梁的性能进 行了较为系统地研究，以这些研究为基础重新修订和制定了钢结构设计规范 ( g b j l 7 8 8 ) ，火力发电厂高厂房组合结构设计规范和公路桥涵钢结构及木结构 设计规范( j t j 0 2 5 8 6 ) 等规范。在这些规范中都将组合梁列为单独一章，对有关设计 和构造要求做出了明确的规定，为组合梁的广泛应用提供了依据。 近年来，长安大学王春生教授针对组合梁的疲劳性能及高性能钢及混凝土在组合梁 中的应用也展开了研究，这一研究极具前瞻性，预示了组合梁可能出现的新问题，并把 新材料的应用引入组合梁结构中【5 0 啦】。 特别值得指出的是近年来在我国公路和城市桥梁建设中组合梁的应用取得了举世 公认的进步。1 9 9 4 年建成的上海南浦大桥为跨径4 2 5 m 的斜拉桥，其加劲梁采用了钢 8 长安大学硕士学位论文 混凝土组合梁结构( 故又称为钢混凝土组合梁斜拉桥) 。近年在北京、上海等城市的 立交建设中，钢一混凝土组合梁桥由于其跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施 工速度快等优点，得到了广泛的应用。建成了以北京航天桥( 主跨7 3 m ) 和朝阳桥( 主 跨6 4 m ) 为代表的一批钢混凝土组合连续梁桥，取得了较好的技术经济效益。这些工 程也为进一步扩大钢混凝土组合梁桥在公路及城市桥梁工程中的应用，积累了宝贵的 经验。 综上所述，虽然组合梁桥在我国已有应用，但数量并不多。钢一混凝土组合梁在我 国桥梁工程中的应用还是近几年刚刚兴起的事情，其中仍然有很多研究工作要做。 1 3 组合梁在工程中的应用 1 3 1 组合梁在国外的应用 最早的组合结构规范大多属于桥梁结构，国外在很多大跨度桥梁中采用了钢与混凝 土组合梁。前苏联于1 9 4 4 年建成了第一座组合公路桥；瑞典于1 9 5 5 年建成跨径为1 8 2 m 的斯曹松特桥；德国于1 9 5 6 年建成跨径为5 8 8 m 的比歇瑙尔桥；日本分别于1 9 6 0 年1 9 7 5 年建成跨径为1 2 8 m 的腾濑桥和跨径为8 3 m 的大阪大和桥，日本自1 9 5 9 年制定规范后， 便有8 0 公路钢桥改为组合式桥；英国于1 9 6 4 年建成跨径为1 5 2 m 的新港桥；美国分 别于1 9 7 1 年、1 9 7 6 年、1 9 8 4 年、1 9 8 8 年建成了跨径为1 3 7 m 的西卡特港桥、跨径为5 4 m 的萨克拉门托河桥、跨径为2 7 4 m 的昆西桥、跨径为2 5 0 m 的威顿桥；加拿大于1 9 8 6 年 建成跨径为4 6 5 m 的安娜西斯桥等均采用了钢与混凝土组合梁。可见，组合梁在国外桥 梁中得到了广泛的应用。此外，组合梁在国外的工业与民用建筑中也得到了广泛的应用。 1 3 2 组合梁在国内的应用 1 上海黄浦江大桥一南浦大桥和杨浦大桥 南浦大桥和杨浦大桥均采用了世界先进的钢与混凝土相叠合的结合梁结构。钢纵梁 和钢横梁形成施工拼装单元，预制钢筋混凝土桥面板铺装就位以后，通过钢梁上翼缘预 制板端间的接缝混凝土和栓钉剪力连接件的作用将钢梁和混凝土桥面板连成整体形成 组合梁。预制板表面上没有现浇混凝土，这种组合梁对预制板的制作精度和接缝混凝土 的质量要求很高。严格说来，它是预制板组合梁，是钢一混凝土叠合板组合梁的特例， 当叠合板组合梁中现浇层厚度为零时就变成了这种情况。一般情况下，钢一混凝土叠合 板组合梁的典型结构是：在预制板上表面现浇一层混凝土，通过接缝混凝土、现浇层混 9 第一章绪论 凝土和栓钉连接件把钢梁、预制板和现浇层连成整体。这样结构的组合梁比预制板组合 梁的整体性能好。 2 深圳彩虹大桥f 7 1 深圳彩虹大桥位于广东省深圳市区，全长1 2 0 0 m ，主桥采用门构式( 下承) 钢管混 凝土柔性系杆拱，桥面宽2 3 8 m ，设计荷载为汽一超2 0 挂1 2 0 。该桥桥面采用预应力钢 一混凝土空心叠合板组合梁，设计成纵向漂浮体系。深圳彩虹大桥是首座全钢一混凝土 组合结构桥梁【l o 】，它跨越深圳火车北站2 9 条股道，为减少现场作业和对铁路行车的干 扰，采用了全组合结构，除拱墩固结点的帽梁采用现浇混凝土外，其余部分均采用工厂 制造，现场安装，实现了全桥无模板施工。 通过方案的比较分析，桥面采用预应力钢一混凝土空心叠合板组合梁，具有以下特 占 、 ( 1 ) 对钢梁施加预应力，降低了钢梁高度，节省了钢材；相比采用普通钢一混凝 土组合梁能显著提高强屈比：组合梁的刚度增大，并且有效抵消了梁在施工阶段的挠度 和应力；承载能力提高。 ( 2 ) 成功的解决了在梁的间距比较大时采用钢一混凝土叠合板组合梁的关键技术 问题。 3 北京市万泉河路某人行天桥【8 1 人行天桥是城市道路工程中的重要组成部分。随着我国大中城市市区快速路的建 设，人行天桥得到越来越广泛的应用。作为一种具有自身特点的结构形式，其桥型选择 除考虑结构强度、刚度以外，在很大程度上还要受制于工程造价、施工方法和进度、外 观造型以及舒适度等多种因素。随着我国市政建设投资力度的不断加大和人民群众生活 质量的提高，造型及舒适度等方而的要求也逐渐受到建设者及设计者的重视。目前，我 国人行天桥建设中主要采用钢桥及钢筋混凝土桥两种结构形式，也有少量采用组合结 构。为获得良好的美学造型和较大的跨高比，并在兼顾使用舒适度的要求下，压型钢板 组合梁人行天桥是一种比较优异的结构形式。根据上述需求并经过对比分析，万泉河人 行天桥所采用的方案为：钻孔灌注桩基础、钢管混凝土墩柱、钢一压型钢板混凝土连续 组合梁主桥体以及全钢梯道，这也是我国首座采用压型钢板组合桥面的大跨人行天桥。 该桥主梁分为三跨，跨度分别为1 4 3 7 5 m ，2 6 2 5 0 m 和1 4 8 7 5 m ，全长5 9 o m 。组合 梁构造如下图1 4 所示。栓钉剪力连接件穿透压型钢板熔焊于钢梁上，将单箱双室开口 钢梁、压型钢板及1 2 0 m m 厚的c 4 0 后浇混凝土板连接成整体协同工作。梁结构部分全 1 0 长安大学硕士学位论文 高6 2 0 m m ，主跨跨高比4 2 3 ，造型简洁大方，纤巧流畅。为增加结构动感并加大桥下 净空，主梁按抛物线跨中起拱8 0 0 m m 。钢梁分三段预制，现场对接焊缝连接，对桥下 交通影响很小。采用压型钢板后，一方面可以取消浇注桥面混凝土的支模工序，加快施 工进度，同时也可以代替混凝土板的下层横向受力钢筋。与相同截面尺度的钢梁相比， 组合梁结构刚度较大，有利于减少在荷载作用下的挠度，减少振动，提高了行人通过时 的舒适度。 图1 4 万泉河路天桥主粱构造图 应用实践表明，该人行天桥具有结构高度小、受力性能好、施工快速方便誊造型美 观等优点。综合考虑造价、桥型、结构刚度及舒适度等方面的因素，具有很大的优越性， 值得进一步推广和应用。 4 北京国贸桥 1 9 9 3 年，北京市市政工程设计研究总院设计的北京国贸桥，在三个主跨采用了钢一 混凝土叠合板连续组合梁结构。模拟汽超2 0 的静载试验结果和分析表明，该桥具有同 现浇桥面板组合梁一样的受力性能，再次证明钢混凝土叠合板组合梁具有良好的整体 工作性能。它在桥梁结构中的成功应用实现了“轻型大跨、预制装配、快速施工 的目 的，符合我国城市立交桥建设的国情。 继国贸桥之后，仅北京又有数十座大跨立交桥的主跨采用了这种结构型式，最大跨 度已达到7 0 m ，取得了显著的技术经济效益和社会效益。 在北京、上海等地的城市立交桥建设中，组合梁桥由于其跨越能力大、建筑高度小、 抗震性能好以及施工速度快等优点，得到了广泛的应用。建成了以北京航天桥( 主跨7 3 m ) 和朝阳桥( 主跨6 4 m ) 为代表的一批钢一混凝土组合连续梁桥，取得了较好的技术经济效 益。 于2 0 0 0 年竣工的位于江苏盐城横跨京杭大运河的预应力简支组合梁桥，其跨高比 达到了2 7 - 3 ：l 。此外，长沙、岳阳、海口、鞍山、石家庄、济南、西安等城市也正在 建造大跨钢混凝土叠合板组合梁桥结构，最大跨度己达到9 5 m 。 第一章绪论 这些工程的建成会进一步在公路和城市桥梁建设中推广应用组合梁桥积累了宝贵 的经验。 1 4 本文研究方法与内容 1 通过对国内外钢混凝土组合梁桥方面的文献资料研究，了解目前钢一混凝土组 合梁桥的发展状况和应用情况。总结钢一混凝土组合梁桥的受力特点和曲线梁桥的受力 特点，提出钢一混凝土连续曲线组合梁的受力特点。 2 总结钢一混凝土组合梁桥的数值分析方法和曲线梁桥的数值分析方法，建立钢 混凝土连续曲线组合梁的数值分析方法。 3 ，改变曲率半径的钢混凝土连续曲线组合梁研究。结合工程实例，建立钢一混凝 土连续曲线组合梁有限元模型，在保持桥梁跨径不变的情况下，改变梁的曲率半径的大 小，利用计算得到的梁截面应力、跨中挠度、墩台反力进行数值分析，确定不同曲率半 径下钢一混凝土连续曲线组合梁的受力性能。 4 改变桥面板混凝土厚度的钢一混凝土连续曲线组合梁研究。采用典型曲率半径 建立钢一混凝土连续曲线组合梁有限元模型，改变梁的桥面板混凝土的厚度，利用计算 得到的梁截面应力值、跨中挠度值、墩台反力值进行数值分析，来分析不同桥面板混凝 土厚度钢一混凝土连续曲线组合梁的受力性能。 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章钢一混凝土连续曲线组合梁受力性能 2 1 组合梁的受力性能 2 1 1 转动能力对受力性能的影响 在均布荷载作用下的两跨连续组合梁，随着荷载的增加，荷载q 与w 之间的关系如 图2 1 所示。在q l 作用下，中间支座混凝土上边缘应力达到混凝土的抗拉强度。当荷载 增加到q 2 时，中间支座钢梁的上翼缘开始屈服。随着荷载的进一步增加，达到q 3 时， 中间支座形成了塑性铰，此时整个体系变成了两根简支梁。最后，随着荷载增加到q 4 ， 跨中截面达到塑性抵抗弯矩，整个系统变成一个机构而破坏。 q 4 q 3 q 2 q t w 1w 2w 3 口工匹皿q 4 q 工f 飞 意莎；陟 图2 1 两跨连续组合梁的荷载挠度曲线( q - w 关系) 图2 1 所示组合梁的受力性能与其转动能力有关。当支座截面的转动能力较小时， 其最大荷载有可能只达到q 2 。因此，在设计组合梁时，为了实现完全的内力重分布，应 该检验塑性铰的转动能力是否足够。在负弯矩( 支座处) 的转动能力主要受到以下因素 的影响【1 1 - 1 3 】： ( 1 ) 钢梁的局部屈曲； ( 2 ) 钢梁的屈服强度、抗拉强度及其变形性能； 1 3 第二章钢混凝土连续曲线组合梁受力性能 ( 3 ) 组合梁的受力体系、荷载类型和截面形式； ( 4 ) 混凝土板中钢筋的延性和配筋率： ( 5 ) 组合梁的侧向扭转屈曲。 对于具有很大的集中荷载的连续梁或不等跨的连续梁，塑性铰很有可能在跨中出 现，这是跨中截面的转动能力主要有受压混凝土确定。 2 1 2 截面分类 根据组合梁截面的转动能力，欧洲规范4 将截面分成四类( 见图2 2 ) ： 第一类截面：截面能够形成塑性铰，具有满足塑性分析所需要的转动能力，截面的 最大承载力大于全塑性弯矩m p l 。 第二类截面：截面的最大承载力能够达到全塑性弯矩m d i ，但塑性铰的转动受到局 部屈曲或着混凝土破坏的限制。 第三类截面：钢梁的最大压应力能够达到屈服强度，但局部屈曲阻碍了塑性抗弯能 力的发展，截面的最大抗弯能力仅能达到弹性弯矩m 。i 。 第四类截面：细长形截面，钢梁受压截面的严重屈曲使其不能达到屈服强度，截面 的最大承载力不能达到弹性弯矩m p l 。 截面分类取决于弯矩、钢梁受压板件的宽厚比及其屈服强度。 m p l m c l 由 图2 2 不同截面对应的转动能力 第一类截面7 第二类截面? 第三类截面，第四类截面7 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 1 欧洲规范3 和4 的截面分类 类别 l 234 f f f f j l j l 墨j a d c a d c 极限 1 1 - | j。 状态 ff 应力 分布 t t f f m 晦 m 帆 m 帆 m 虬 转动 八八 l 、 1 f 、 1l 能力 7 、 、 1 中0 。 0 中 o 加。 0 0 轧制 钢梁 翼缘 l o s l ls1 5 1 5 s i c l t l 焊接 钢梁 翼缘 9 s1 0 s1 4 s 1 4 s l c l t i ii a o 5口 o 5 西 一1 d 3 9 6d 4 5 6 d 4 2 s 腹板一 t1 3 a lt1 3 a 一1f o 6 7 + 0 3 3 咖 大于第三类截面 i d t la o 5口 o 5 咖一1i- d 3 6 ed 4 1 5 e d 。6 2 s ( 1 一驴) 厕 一 f fafa 注：s = 甄，c 为钢梁翼缘的悬挑长度，f 为翼缘或腹板的厚度，d 为腹板的净高。 1 5 第二章钢混凝土连续曲线组合梁受力性能 2 1 3 施工方法对受力性能的影响 对于组合梁的受力性能，除了转动能力之为，施工方法也对其有影响。组合梁的施 工方法主要有以下三种： ( 1 ) 浇灌混凝土时，钢梁下不设临时支撑； ( 2 ) 浇灌混凝土时，钢梁下设临时支撑； ( 3 ) 浇灌混凝土时，钢梁下设临时支撑，但在浇灌混凝土前，支撑已经受压，其 反力产生一定的反拱。 图2 3 给出了简支组合梁采用不同施工方法时，跨中的弯矩曲率( m k ) 之间的 关系。图中m a 为预压支撑引起的弯矩，m g 为钢梁及混凝土板自重引起的弯矩，m 。i 为 钢梁下翼缘进入塑性状态时的弯矩，m 印i 为钢梁单独工作时的塑性抗弯强度，m p l 为组 合截面的塑性抗弯强度。从图2 3 中可以看出，施工方法将影响使用阶段的变形和钢梁 下翼缘进入塑性状态的时间，但对组合截面的塑性抗弯强度没有影响。 也1 蓦比l m c l m g 图2 3 采用不同施工方法时简支组合粱跨中的弯矩曲率( m - i t ) 关系 对于第一、第二类截面，在达到极限承载力之前，组合梁不会出现失稳破坏，因而 在承载力极限状态的验算时，施工方法对内力的影响可以不考虑。 在第三，四类截面中，只有钢梁的最大应力能达到屈服极限或发生屈曲破坏时的应 力值。由图2 3 可以看出，钢梁的下翼缘何时达到屈服强度受到施工方法的强烈影响。 所以，对这两类截面承载力极限状态的验算，应当考虑施工方法的影响。 2 1 4 内应力对受力性能的影响 2 1 4 1 徐变、收缩和温度效应 在组合梁中，混凝土的徐变将导致截面中的应力重分布，在长期荷载作用下，混凝 1 6 长安大学硕士学位论文 土板的部分应力将转移给钢梁，从而使得混凝土板的应力降低，钢梁应力增大。 组合梁中的收缩和温度变化将在静定体系中引起纵向变形和弯曲，由此产生的内应 力称为初始内应力。在超静定体系中，初始内应力将引起约束内力，由此产生的内应力 在欧洲规范4 中被定义为次内应力。 2 1 4 2 内应力对极限承载力的影响 对于具有第一、第二类截面的组合梁，初始内应力的存在导致了钢梁提前进入塑性 状态，并使负弯矩范围内的裂缝进一步扩展，但不影响梁的最终承载力。由于第一、二 类截面具有较大的转动能力，在承载力极限状态时，由初始内应力引起的超静定梁的约 束内力实际上已经不存在。因此，初始内应力和约束内力的影响在承载力极限状态设计 时不需要考虑。 第三、四类截面的梁转动能力比较小，在组合梁中这类截面一般是在跨中支座的负 弯矩范围内。通常，初始内应力在混凝土板中引起的拉应力，是钢梁通过连接件的约束 作用产生的。对简支组合梁来说，混凝土板在外荷载的作用下主要承受压应力，与初始 内应力引起的拉应力正好相反。但在超静定梁中，初始内应力引起的约束内力将混凝土 板和剪力连接件以及钢梁截面中的最大综合抵抗压力产生不利影响。根据欧洲规范4 的 建议，可以按下面规定考虑内应力对第三、四类截面的梁承载力和内力计算的影响： ( 1 ) 在计算截面承载力时初始内应力可以被忽略； ( 2 ) 第四类截面的梁应该考虑次内力的影响； ( 3 ) 欧洲规范4 允许第三类截面的梁忽略次内力的效应。 2 1 4 3 内应力对正常使用极限状态的影响 在正常使用极限状态下混凝土的裂缝和变形特性明显受到初始内应力和次内应力 的影响。因此，由于温差。徐变和收缩引起的次内力必须考虑，初始内应力只是对裂缝