CN110258300A - 部分叠合梁桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种部分叠合梁桥，主要由桥台（1）、桥墩（2）和梁体组成；其中，位于桥墩（2）上方梁体的受压区为混凝土结构（3），梁体的其余部分为钢结构（4）；所述的混凝土结构（3）上方设隼口，并焊接预埋件与抗剪连接件在混凝土结构（3）与钢结构（4）结合处周围，后期将钢结构（4）安放就位后，钢结构（4）与预埋件焊接在一起，并浇筑微膨胀混凝土以形成整体。本发明可充分发挥钢抗拉及砼抗压的优良特性，使材料利用率达到最大；与预应力混凝土连续梁桥相比，其自重轻，可显著提升桥梁的跨越能力；与全钢桥梁相比，其刚度大，用钢量小，造价低。

Description

部分叠合梁桥

技术领域

本发明属于一种梁桥体系，具体涉及了一种部分叠合梁桥。

背景技术

梁桥是所有桥梁体系中最基本的形式，其在垂直荷载作用下，支座只产生垂直反力而无推力。连续梁桥作为梁桥中的一种常见体系，具有整体性能好、抗震能力强、结构刚度大、变形小、动力性能好、主梁变形挠曲线平缓、有利于高速行车、成桥养护工作量小等突出优点，在公路及铁路桥梁中均有广泛应用。

连续梁桥通常由主梁、桥面构造、支座、墩台和基础五部分组成，其传力路径为：活载→桥面构造→主梁→支座→墩台→基础。连续梁在恒载作用下，由于支点负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩显著减小；在活载作用下，因主梁连续产生支点负弯矩对跨中正弯矩仍有卸载作用，其弯矩分配亦更为合理。在施工上，落地支架法、移动模架法、悬臂浇筑法、整孔预制拼装法、转体施工法、节段预制拼装法、顶推施工法等新施工技术的应用，可使施工设备机械化，生产工厂化，进而提高施工质量，降低施工费用。因此，在量大面广的中小跨径及一般大跨径桥梁中，连续梁桥在现代桥梁体系中一直占有主导地位，而且有着广阔的发展前景。目前，世界上跨径最大的预应力混凝土连续梁桥是挪威的法罗德2号桥，主跨跨径达260m；世界上跨径最大的钢桁架连续梁桥是美国的亚斯托李亚桥，主跨跨径为376m。国内比较具代表性的大跨径预应力混凝土连续梁桥有南京长江二桥北汊桥(主桥跨径为90m+3×165m+90m)、宿淮高速京杭运河大桥(主桥跨径93m+165m+93m)、广湛高速九江大桥(主桥跨径为50m+100m+2×160m+100m+50m)等。

预应力混凝土连续梁设计中的一个特点是：必须以各个截面的最大正、负弯矩的绝对值之和来布置预应力束筋，且连续梁桥在建设中通常将混凝土作为主要材料，其自重很大，而混凝土的抗拉性能很差，所以在常见的连续梁桥中，合理地应用预应力技术，可以在某种程度上消除荷载所带来的拉应力，以延缓结构的开裂，增长桥梁的使用寿命。但是预应力连续梁在施工时常面临许多的技术应用问题，例如，进行混凝土浇筑时，有时在混凝土强度控制方面产生问题，与实际需求有所差异，会使锚板混凝土产生形变，后期预应力张拉过程中，混凝土受压后将产生开裂、变形、位移等问题；铺垫板面与孔道轴向位置在路桥工程预应力张拉程中，由于力度控制的过低，往往会有偏移现象的产生，这不仅会大幅度地增加预应力滑丝断裂的风险，也会在一定程度上影响整体路桥工程质量，大大降低路桥的稳定性；在混凝土浇筑进程中，若操作不规范，张力的控制往往会存有很大的问题，混凝土钢筋管道堵塞的频率也会大大增加，使得施工效果与预期的效果有较大的差异；浇筑过程中需对混凝土、钢筋的质量进行严格把关，对梁体的变形进行严格控制；在施加预应力前，需对梁体进行养护，施工周期将增长；在施工预应力时，预应力及线形的监控、温度控制等有着严格要求，必须严格按照技术要求施工，保障预应力应用的准确性，避免产生不必要的问题，且在预应力张力时，预应力的损失既不可避免又难以控制。预应力连续梁桥主要的施工工艺为预制拼装施工及挂篮法施工，然而，不论采用何种施工工艺，施工每一个节段时均需施加预应力，在铁路桥梁中，更是需要施加三向预应力，当桥梁跨径增大时，施工周期往往很长。

预应力混凝土连续梁桥在设计时容许结构在活载作用下出现拉应力，桥梁经过多年的运营，混凝土材料的性能将逐渐退化，预应力亦会逐渐松弛，大部分桥梁会出现不同病害，主要病害是箱梁混凝土体出现不同性质的裂缝，主要表现为箱梁墩顶竖向裂缝、跨中底板横向裂缝、腹板斜裂缝等，裂缝的存在将导致箱梁刚度明显下降、承载能力不足，对桥梁安全不利。同时，大跨径预应力混凝土连续梁桥在运营多年后，跨中下挠是比较普遍的现象，影响桥梁结构安全和正常使用。

针对目前预应力连续梁桥已发现的弊端，研究者们提出过许多方案进行解决，目前比较公认的改进方法有三种：其一，预制混凝土腹板箱梁桥。其预制混凝土腹板互不相连，腹板与顶底板的连接是通过在腹板中设置预应力筋来实现。该做法不仅能够保持腹板良好的抗剪性能、减轻结构自重，而且在施工时干燥收束变形基本上已稳定。但是，腹板与顶底板通过预应力钢束连接，施工比较困难。其二，平钢腹板组合箱梁桥。用钢腹板代替混凝土腹板，采用了体外索施加纵向预应力。钢腹板抗剪性能好、重量轻，容易与顶底板连接。但是由于顶、底板混凝土的徐变收缩产生的变形受到钢腹板的约束，钢腹板与混凝土顶底板之间发生应力重分布，引起较大的纵向预应力损失。同时钢腹板受压，需在钢腹板上设置加劲肋或增大板厚以防失稳。其三，波形钢腹板组合梁桥。用波形钢板代替混凝土腹板，与混凝土顶底板形成组合梁体系的结构。这种构造减轻了结构自重，同时由于波形钢板的折皱效应，箱梁施加预应力效率得到提高，但是钢腹板用钢量较大，造价较高。此外，还有学者认为可以直接修建全钢结构的钢桁架桥，该做法可有效减轻结构自重，不需预应力且不存在开裂问题，但是全桥均使用钢结构时钢材用量很大，造价十分昂贵。

可见，以上所提出的对预应力连续梁桥的改进方法虽各有所长，但还是存在许多不可避免的问题。虽然近年来我国的预应力连续梁桥建设突飞猛进，修建了一大批代表世界先进水平的大桥，但桥梁的理论研究和综合实力与世界先进水平相比还有差距。预应力混凝土梁桥造价相对便宜，但是施工周期长，且因自重大跨越能力受到很大限制；钢结构桥梁自重小，跨越能力强，施工周期短，但是相比于预应力混凝土梁桥造价偏高。因此，亟需开发一种新的梁桥方案，既可同时保留预应力混凝土连续梁桥及全钢结构桥梁的主要优势，又能避免两者的不足，从而推动梁桥体系向着更加良性的趋势向前发展。

发明内容

为解决现有钢-砼组合及预应力混凝土连续梁桥存在的突出问题，本发明提出一种新的连续梁桥---部分叠合梁桥。本发明的部分叠合梁桥混凝土结构较少，施加预应力快捷方便，自重轻、耐久性好，且强度承载力、动力特性、稳定性较预应力混凝土连续梁桥亦有较大提高。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种部分叠合梁桥，主要由桥台、桥墩和梁体组成；其中：位于桥墩上方的梁体为混凝土结构，梁体的其余部分为钢结构；所述的混凝土结构上方设隼口，并焊接预埋件与抗剪连接件在混凝土结构与钢结构结合处周围，后期将钢结构安放就位后，钢结构与预埋件焊接在一起，并浇筑微膨胀混凝土以形成整体。

在本发明中，混凝土结构布置于桥墩上方梁体的受压区，其余部分均为钢结构，以减轻结构自重；在桥墩上方布置的混凝土结构既不增加结构的荷载效应，又大幅度提高了刚度，使结构的抗变形能力增强，从而可以大幅度减小结构的用钢量。此外，混凝土结构主要布置在结构受压区，其在荷载作用下拉应力很小，只需设置较少的预应力，施工时间短，费用低。本发明可充分发挥钢抗拉及砼抗压的优良特性，使材料利用率达到最大；与预应力混凝土连续梁桥相比，其自重轻，可显著提升桥梁的跨越能力；与全钢桥梁相比，其刚度大，用钢量小，造价低。在本发明中作用于桥面构造上的荷载遵循以下传力路径：桥面构造→主梁→支座→墩台→基础。

作为本发明进一步说明，所述的混凝土结构的顺桥向长l与梁体的主跨长L之比为0.5～0.8，混凝土结构的高h与梁体的横截面高H之比为0.25～0.5；所述的钢结构则沿全桥通长布置。混凝土结构的长l与高h可以根据结构受力性能、施工方法、经济性等因素综合确定。

作为本发明进一步说明，所述的混凝土结构的截面可以采用实腹式，也可以采用空腹式，并可以根据实际需要布置普通钢筋及预应力束筋；其材料可为普通混凝土或高性能混凝土。

作为本发明进一步说明，所述的钢结构可以采用桁架式，或者采用箱型截面。

作为本发明进一步说明，所述的桥墩可以采用普通的单式桥墩、V形桥墩或者双薄壁柱式桥墩。

作为本发明进一步说明，若需节省钢材，可将正弯区梁体做成上面混凝土结构下面钢结构的形式。

本发明的部分叠合梁桥，按照跨径相互关系可分为等跨连续梁和不等跨连续梁；按照梁高关系可以分为等高度连续梁和变高度连续梁；按照梁体与下部结构的关系可以分为墩梁分离的连续梁和墩梁固接的连续刚构桥。

本发明的优点：

1.材料利用率高。本发明将混凝土结构布置在连续梁桥桥墩附近的区域，将钢结构沿连续梁桥全桥通长布置，可充分发挥混凝土抗压钢抗拉压的特性，材料得到充分利用。

2.施加预应力少，施工周期短，费用低。本发明仅在桥墩附近区域采用混凝土结构，其长度短高度低，所需布置的预应力较预应力混凝土连续梁桥大大减小，可缩短施工周期。

3.结构自重轻，可增大跨径。本发明将钢结构沿连续梁桥全桥通长布置，采用钢结构后，结构的自重显著降低，有利于连续梁桥跨径的进一步增大。

4.桥梁耐久性好，运营养护费用低。本发明绝大部分区域均采用钢结构，原预应力连续梁桥的开裂问题得到根本解决，尤其是使用耐候钢后，结构的耐久性更佳，且后期养护工作量小。

5.强度承载力高。钢材有着优良的抗拉压性能，将其沿全桥通长布置，可充分发挥其力学性能，桥梁运营多年后，不会像预应力连续梁桥那样因预应力逐渐失效而导致梁体开裂，故其强度承载力更高。

6.全寿命周期内桥梁刚度大。本发明跨中部分亦采用钢结构，由于不需使用预应力技术，桥梁运营多年后，不会像预应力混凝土连续梁桥那样因预应力失效而导致跨中下挠。

7.稳定性提高显著。本发明的面内及面外稳定性较预应力混凝土连续梁桥均有提高。

8.动力特性改善效果明显。本发明自重更轻，因而动力特性改善效果明显，可保证高速行车及行车舒适性。

9.与全钢结构桥梁相比，造价更低。本发明在桥墩上方布置的混凝土结构大幅度提高了刚度，使结构的抗变形能力增强，从而可以大幅度减小结构的用钢量，故造价更低。

附图说明

图1是本发明一实施例中部分叠合梁桥的布置形式。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是有限元软件计算所得的预应力混凝土连续梁桥恒载作用下的弯矩图。

图4是将预应力混凝土连续梁桥主跨的L/2混凝土箱梁换成钢结构后恒载作用下的弯矩图。

图5是本发明在恒载作用下的受力示意简图。

图6是用力法求解时本发明的基本体系。

图7是用力法求解时本发明的图。

图8是用力法求解时的本发明M_P图。

图9是用截面分力法对本发明在恒载作用下的截面应力分析示意图。

附图标记：1-桥台，2-桥墩，3-混凝土结构，4-钢结构。

具体实施方式

现结合图1～图9，对本发明的力学原理及其结构进行说明：

1.部分叠合梁桥的力学原理

(1)去掉跨中砼结构，减少结构的弯矩峰值

以一座跨径为80m+120m+80m的预应力混凝土连续梁桥为例，由图3及图4的弯矩图对比可知，将预应力混凝土连续梁桥主跨的L/2混凝土箱梁换成钢结构后，边跨的正弯矩虽有所增大，但是增幅较小，而支点的负弯矩峰值及跨中的正弯矩峰值均大大减小。可见，去掉跨中的混凝土结构，对削减结构的弯矩峰值有明显作用。

(2)在负弯区用钢代替砼抗拉

通常，钢-砼组合或预应力砼连续梁桥的砼均通长布置，随着跨径的增大，跨中砼的荷载效应很大，且负弯梁段的受拉区仍为砼。而砼结构的抗拉能力很弱，故传统的设计理念存在不合理的地方。部分叠合梁桥在负弯区用钢代替混凝土抗拉，可充分发挥钢抗拉性能强的优势，设计上更具合理性。

(3)采用变高的方法增加负弯矩区截面的抗弯刚度以减小跨中正弯矩峰值

本发明在恒载作用下的受力示意简图如图5所示，图6～图8是用力法求解本发明时的分析用图。设恒载集度为q，钢结构长度为l，抗弯刚度为E₁I₁，叠合部分长度为2l，抗弯刚度为E₂I₂，多余未知力为X₁。

所列力法方程为：

δ₁₁X₁＝Δ_1P (1-1)

由图乘得：

由M_P图乘得：

将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-1)，解得：

由式(1-4)可知，当叠合部分的抗弯刚度E₂I₂增大时，X₁亦随之增大。

又由：

可知，X₁增大时，M亦随之增大，故当支座负弯区的抗弯刚度提高时，支座负弯矩峰值增大。

本发明的负弯区由端部到根部高度逐渐增加，截面的抗弯刚度亦随之增大，从而使弯矩图上移以减小跨中正弯矩峰值，同时所增加的混凝土弯矩效应小，而截面惯性矩快速增加，因此正应力峰值实质在减少。

(4)中性轴下移，节约用钢量

如图9所示，当负弯区砼的用量的增加会使整个截面的中性轴下移，此时钢结构的力臂在增加，砼结构的力臂在减小，因此，随着中性轴的改变，可以减少用钢量，但需增加砼的用量。

(5)施加少量预应力保证砼不出现受拉的工况

当截面中性轴下移后，会导致在某些工况下砼出现小部分的受拉区域，因此需对该区域施加少量预应力以保证其不出现受拉工况。

2.部分叠合梁桥协同作用机理

当叠合梁在上、下部分结合面设置有效连接件时，两者间不会发生相对滑移，此时叠合梁的截面受力特性符合平截面假设。在恒载作用下，连续梁桥存在明显的且交替出现的正、负弯矩区域，故在梁体截面内受拉区和受压区亦交替出现。在现行的设计理论和设计规范中，仅使用混凝土材料同时抗拉及抗压，虽然混凝土材料有着良好的抗压性能，但是其拉能力很弱，因此现行的设计理念存在不合理之处。本发明在负弯区部分进行钢-砼叠合，混凝土结构仅布置于桥墩上方梁体的受压区，而钢结构布置于梁体的受拉区，可充分发挥两者良好的力学特性。混凝土结构上方设隼口，并焊接预埋件，抗剪连接件设在混凝土结构与钢结构结合处周围，后期将钢结构安放就位后焊接预埋件，并浇筑微膨胀混凝土以形成整体，由此，两者可协同工作，从而有效承担荷载。

3.部分叠合梁桥恒载作用下截面应力分析

如图5所示，采用截面分力法将截面上作用的弯矩M，分解成分别作用在钢结构和混凝土结构截面上的M_s和M_c及其轴力N_s和N_c，依据梁的计算理论式(2-1)计算混凝土结构上、下缘及钢结构上、下缘的应力：

式中：z_u、z₁、z_c、z_t——分别表示混凝土结构和钢结构相对于各自中性轴的缘端距离。

截面上分解的作用力平衡式为：

其截面转角与轴向变形的条件式为：

由上述组合截面的作用力平衡与位移条件式，推导出M_s、M_c、N_s、N_c的计算式为：

式中：n——弹性模量比，即

I_v——组合截面的惯性矩，依据钢结构与混凝土结构的截面积及其相对于各自中性轴的惯性矩计算。

其中，混凝土结构的压缩和钢结构的拉伸分别设为正。

下面结合图1、2和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。

实施例：

本实施例的部分叠合梁桥的跨度布置(90m+3×165m+90m)与南京长江二桥北汊桥相同。具体为：如图1所示，一种部分叠合梁桥，主要由桥台1、桥墩2、混凝土结构3和钢结构4组成；混凝土结构3布置于桥墩2上方梁体的受压区，其余部分均为钢结构4，以减轻结构自重。所述的混凝土结构3上方设隼口，并焊接预埋件与抗剪连接件在混凝土结构3与钢结构4结合处周围，后期将钢结构4安放就位后，钢结构4与预埋件焊接在一起，并浇筑微膨胀混凝土以形成整体。在桥墩上方布置的混凝土结构既不增加结构的荷载效应，又大幅度提高了刚度，使结构的抗变形能力增强，从而可以大幅度减小结构的用钢量。此外，混凝土结构主要布置在结构受压区，其在荷载作用下拉应力很小，只需设置较少的预应力，施工时间短，费用低。实施例仅在南京长江二桥北汊桥的每个桥墩上方梁体的受压区布置砼，其余部分则全部采用钢结构。实施例大大减小了原方案中砼的用量，所需施加的预应力亦大大减少，且结构自重降低，与原方案相比，实施例有着更佳的力学特性。

如图1、2所示，采用上述的结构形式，桥宽为32.0m，边中跨比为0.545，主梁根部梁高8.8m，跨中梁高3.0m。由于梁体截面同时存在钢和混凝土，在主梁根部混凝土部分高2.5m，钢部分高6.3m；跨中混凝土部分高1.0m，钢部分高2.0m。与南京长江二桥北汊桥相比：本方案钢材用量减少12％，混凝土材料用量减少55％，且不需要施加预应力，两者综合因此在造价上减小约20％。本方案应力较南京长江二桥北汊桥低，且自重轻、耐久性好，刚度、动力特性、稳定性较预应力连续梁桥亦有较大提高。与原方案相比，本方案力学性能的优越性具体表现在：部分叠合梁桥自重减小35％，梁体最大应力降低10％，稳定性提高了25％，首次发生面内振动的频率提高了50％。

实施例技术参数对比表

Claims (9)

1.一种部分叠合梁桥，主要由桥台（1）、桥墩（2）和梁体组成；其特征在：位于桥墩（2）上方梁体的受压区为混凝土结构（3），梁体的其余部分为钢结构（4）；所述的混凝土结构（3）上方设隼口，并焊接预埋件与抗剪连接件在混凝土结构（3）与钢结构（4）结合处周围，后期将钢结构（4）安放就位后，钢结构（4）与预埋件焊接在一起，并浇筑微膨胀混凝土以形成整体。

2.根据权利要求1所述的部分叠合梁桥，其特征在于：所述的混凝土结构（3）的顺桥向长l与梁体的主跨长L之比为0.5~0.8，混凝土结构（3）的高h与梁体的横截面高H之比为0.25~0.5；所述的钢结构（4）则沿全桥通长布置。

3.根据权利要求1或2所述的部分叠合梁桥，其特征在于：所述的混凝土结构（3）的截面采用实腹式，或者采用空腹式，并根据需要布置普通钢筋及预应力束筋；其材料为普通混凝土或高性能混凝土。

4.根据权利要求1或2所述的部分叠合梁桥，其特征在于：所述的钢结构（4）采用桁架式，或者采用箱型截面。

5.根据权利要求1或2所述的部分叠合梁桥，其特征在于：所述的桥墩（2）采用普通的单式桥墩、V形桥墩或者双薄壁柱式桥墩。

6.根据权利要求1或2所述的部分叠合梁桥，其特征在于：按照跨径相互关系，所述的部分叠合梁桥分为等跨连续梁和不等跨连续梁。

7.根据权利要求1或2所述的部分叠合梁桥，其特征在于：按照梁高关系，所述的部分叠合梁桥分为等高度连续梁和变高度连续梁。

8.根据权利要求1或2所述的部分叠合梁桥，其特征在于：按照梁体与下部结构的关系，所述的部分叠合梁桥分为墩梁分离的连续梁和墩梁固接的连续刚构桥。

9.根据权利要求1所述的部分叠合梁桥，其特征在于：若需节省钢材，将正弯区梁体做成上面混凝土结构（3）、下面钢结构（4）的形式。