钢—混凝土组合桥梁研究及应用进展.pdf
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1、钢混凝土组合桥梁研究及应用进展 宗周红 博士 东南大学土木工程学院 2017年04月24日 报 告 提 纲 一、钢混凝土组合桥梁简介 二、钢混凝土组合梁式桥 三、钢混凝土组合拱桥 四、钢混凝土组合斜拉桥 五、钢混凝土混合梁桥 六、钢混凝土组合梁桥面板 七、钢混凝土组合(墩)柱 八、钢混凝土组合索塔锚固体系 九、钢混组合桥梁的发展展望 一、钢混凝土组合桥梁简介 钢材 混凝土 钢构件 混凝土构件 组合构件 组合结构 材料 构件 结构 钢混凝土组合桥梁(简称组合桥)是指钢梁与混凝土桥面(简称组合桥)是指钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体并考虑共同受力的桥梁结构形板通过抗剪连接件连接成整体并考
2、虑共同受力的桥梁结构形式。式。相对于纯钢桥:组合桥可以有效减小结构高度、提高结构刚度、减小结构在活荷载下的挠度,通过抗剪连接件的连接作用,混凝土桥面板对钢梁受压翼缘起到约束作用,从而增强了钢梁的稳定性,有利于材料强度的充分发挥。相对于混凝土桥:上部结构高度降低、自重减轻、地震作用减小、结构延性提高、基础造价降低,同时巟厂化生产、现场安装质量高、施巟费用低、施巟速度快。钢混凝土组合桥梁简介 一、钢混凝土组合桥梁简介 材料 结构体系 受力特点 施巟 1+12,充分发挥材料特性,混凝土受压、钢受拉 节约材料,戔面高度降低30%以上 组合形式多样,适应性强 不混凝土梁相比:承载力大、自重轻、延性好 不
3、钢梁相比:用钢量省;承载力大;刚度可大幅提高,有效解决钢桥面疲劳不桥面铺装破损问题 工厂预制,提高结构质量 快速装配,工业化程度高 省模板、脚手架、绿色环保 施工快速方便、对下部交通影响小 早期组合结构 钢筋混凝土板 巟字钢梁 组合梁 5 组合构件的实例组合构件的实例(a)钢管混凝土钢管混凝土(b)型钢混凝土型钢混凝土(c)组合板组合板(d)组合梁组合梁 一、钢混凝土组合桥梁简介 钢梁 横梁 钢筋混凝土墩(e)钢梁与混凝土钢梁与混凝土墩柱接合墩柱接合 栓钉 栓钉 预应力钢筋 钢梁 钢筋混凝土梁(f)钢梁与混凝土梁接合钢梁与混凝土梁接合 一、钢混凝土组合桥梁简介 19丐纨 组合结构概念产生 20
4、丐纨30年代 现代组合结构桥梁出现 20丐纨50年代 欧美国家推广应用 20丐纨80年代 组合技术发展改进 钢-混凝土组合桥梁的发展 1900s 1920s 1930s 1950s 1970s 1980s 1990s-迄今 理论 设计 施工 组合梁概念 首次组合梁试验研究 组合梁试验 首座实桥应用(瑞士)焊接剪力钉 推出试验 整理力学性能,负弯矩区力学行为,钢梁稳定不局部屈曲 精细数值分析 组合钢板梁 钢管混凝土拱桥 组合钢箱梁 简化结构设计 制定设计规范 波纹刚腹板桥 组合钢腹杆箱梁桥 PBL连接件 钢桁组合梁 复合材料 高性能钢 预制拼装 预制顶推 分块预制顶板 预制组合梁 国外 发展 一
5、、钢混凝土组合桥梁简介 20丐纨50年代 组合结构桥梁起步 20丐纨70年代 组合结构建筑发展 20丐纨90年代 组合结构桥梁发展 21丐纨 组合结构桥梁发展新阶段 我国发展 国内规范 公路工程设计准规1957 铁路桥涵设计规范1959 公路桥涵设计规范(试行)1961 公路桥梁设计规范1975 公路桥涵设计通用规范JTJ021-85、89 公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ025-86 钢结构设计规范GBJ17-88 铁路桥梁钢结构设计规范TB100022-99 钢管混凝土结构设计不施工规程JCJ01-89 铁路结合梁设计规定TBJ24-89 工程结构可靠度设计同一标准GB50153-20
6、08 钢结构设计规范GB50017-2003 铁路桥梁钢结构设计规范TB100022-2005 钢-混凝土组合桥梁设计规范GB 50917-2013 钢管混凝土拱桥技术规范GB 50923-2013 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2015 公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015 公路钢管混凝土拱桥设计规范JTG/T D65-06-2015 内容 相兰条文 与用规范 规范改进、修订 基础理论 线性弹性理论 非线性弹塑性理论 设计方法 容许应力设计法 半概率论为基础的极限状态设计法 可靠度为基础的概率极限状态设计法 1970 1980-1990 2000-迄今 钢-混凝土组合桥梁的发
7、展 PBL连接件(宗周红等)连接件(宗周红等)便于横向钢筋布置便于横向钢筋布置 具有更大的承载力、具有更大的承载力、初始刚度和延性初始刚度和延性 采用大栓钉以减少栓钉布置采用大栓钉以减少栓钉布置 栓钉栓钉PBL混合连接件混合连接件 栓钉连接件:栓钉连接件:传递传递60%拉索竖拉索竖向分力与水平分力向分力与水平分力 PBL连接件:连接件:传递传递30%拉索竖拉索竖向分力,同时防止壁板发生过向分力,同时防止壁板发生过大的面外变形大的面外变形 一、钢混凝土组合桥梁简介 钢不混凝土的界面连接 栓钉栓钉橡胶组合连接件橡胶组合连接件(外套橡胶以减小栓钉抗剪外套橡胶以减小栓钉抗剪刚度)刚度)优点优点:初始抗
8、剪刚度减小初始抗剪刚度减小80%以上,以上,使界面剪力分布更加均匀使界面剪力分布更加均匀 外裹橡胶不影响栓钉承载力外裹橡胶不影响栓钉承载力 优优点点:施工简单,承载力高,:施工简单,承载力高,传力均匀,密闭性好传力均匀,密闭性好 缺点缺点:界面破坏呈脆性,抗疲:界面破坏呈脆性,抗疲劳、抗冲击、抗掀起及耐久性劳、抗冲击、抗掀起及耐久性等有待进一步研究等有待进一步研究 利用环氧树脂等胶黏剂的粘结力利用环氧树脂等胶黏剂的粘结力 利用高强度水泥砂利用高强度水泥砂浆和带肋钢板间的浆和带肋钢板间的粘结力、咬合力和粘结力、咬合力和摩擦力摩擦力 组合梁负弯矩区混凝土板受拉易开组合梁负弯矩区混凝土板受拉易开裂,
9、故在负弯矩区减弱组合效应,裂,故在负弯矩区减弱组合效应,减小混凝土板受力减小混凝土板受力 一、钢混凝土组合桥梁简介 钢不混凝土的界面连接 优点优点:提高桥梁极限承载力提高桥梁极限承载力 减少使用阶段挠度和应力减少使用阶段挠度和应力 优优点点:极低的初始抗剪刚度极低的初始抗剪刚度 有效减缓混凝土板受拉开裂,提高预应力导入度有效减缓混凝土板受拉开裂,提高预应力导入度 能提供有效设计抗拔力能提供有效设计抗拔力 抗拔不抗剪连接件(聂建国院士)抗拔不抗剪连接件(聂建国院士)后安装栓钉连接件后安装栓钉连接件 通过在现役钢梁桥的钢梁与混凝土桥面板之间设置通过在现役钢梁桥的钢梁与混凝土桥面板之间设置后安装剪力
10、键,使两者产生组合作用,以达到加固后安装剪力键,使两者产生组合作用,以达到加固的的目的目的 沿剪力方向设置低弹模材料使连接件只抗拔不抗剪沿剪力方向设置低弹模材料使连接件只抗拔不抗剪 一、钢混凝土组合桥梁简介 钢不混凝土的界面连接 11 各类组合结构桥梁的技术特点各类组合结构桥梁的技术特点 序号 名 称 形 式 特 点 1 1 组合板梁桥组合板梁桥 钢板梁钢板梁+混凝土桥面板混凝土桥面板 抗弯刚度增大。抗弯刚度增大。2 2 组合箱梁桥组合箱梁桥 闭合截面钢箱梁闭合截面钢箱梁+混凝土桥面板混凝土桥面板 槽形截面钢箱梁槽形截面钢箱梁+混凝土桥面板混凝土桥面板 波折钢腹板波折钢腹板+混凝土上下翼缘板混
11、凝土上下翼缘板 预应力钢箱预应力钢箱-混凝土组合梁混凝土组合梁 抗弯、扭刚度增大,顶钢板未充分利用。抗弯、扭刚度增大,顶钢板未充分利用。省去顶钢板、施工难度加大。省去顶钢板、施工难度加大。自重减轻,预应力能有效施加。自重减轻,预应力能有效施加。3 3 组合桁架桥组合桁架桥 钢桁架梁钢桁架梁+混凝土桥面板混凝土桥面板 钢桁架腹杆钢桁架腹杆+混凝土上下翼缘板混凝土上下翼缘板 抗弯刚度增大,连接件设置较困难。抗弯刚度增大,连接件设置较困难。省去上下弦杆,施工难度加大。省去上下弦杆,施工难度加大。4 4 组合刚构桥组合刚构桥 钢板梁钢板梁+混凝土墩混凝土墩 钢箱梁钢箱梁+混凝土墩混凝土墩 钢桁架梁钢桁
12、架梁+混凝土墩混凝土墩 钢梁钢梁钢墩或组合墩钢墩或组合墩 省去支座,负弯矩区性能改善,抗震性能提高,悬臂施工省去支座,负弯矩区性能改善,抗震性能提高,悬臂施工法能够使用。法能够使用。5 5 混合梁桥混合梁桥 钢梁钢梁+混凝土梁(连续梁)混凝土梁(连续梁)跨度增大,连接较难处理。跨度增大,连接较难处理。6 6 组合拱桥组合拱桥 钢管混凝土拱钢管混凝土拱 异形组合拱桥异形组合拱桥 施工容易,质量难保证。施工容易,质量难保证。施工容易,无钢材维护的问题。施工容易,无钢材维护的问题。7 7 组合梁斜拉桥组合梁斜拉桥 钢板钢板/箱箱/桁架梁桁架梁+混凝土桥面板混凝土桥面板 钢腹板钢腹板/杆杆+混凝土桥面
13、板混凝土桥面板 钢梁钢梁+混凝土梁混凝土梁 抗弯刚度增大。抗弯刚度增大。抗弯、扭刚度增大。抗弯、扭刚度增大。上下层车道处理方便。上下层车道处理方便。塔墩附近加劲梁抗压性能提高。塔墩附近加劲梁抗压性能提高。一、钢混凝土组合桥梁简介 报 告 提 纲 一、钢混凝土组合桥梁简介 二、钢混凝土组合梁式桥 三、钢混凝土组合拱桥 四、钢混凝土组合斜拉桥 五、钢混凝土混合梁桥 六、钢混凝土组合梁桥面板 七、钢混凝土组合(墩)柱 八、钢混凝土组合索塔锚固体系 九、钢混组合桥梁的发展展望 结构优労:承载力高 刚度大 构件戔面尺寸小 施工快速方便 二、钢混凝土组合梁式桥 2.1工字钢-混凝土组合板梁桥 Hopita
14、l桥(桥(法国)法国)(4 4跨连续,最大跨跨连续,最大跨64m64m)二、钢混组合桥梁的组合梁 预制桥面板组合梁预制桥面板组合梁(钢梁(钢梁+部分桥面板整体预制)部分桥面板整体预制)结构优势:结构优势:施工速度快施工速度快 预制部分桥面板参与全过程受力,用钢量少预制部分桥面板参与全过程受力,用钢量少 剩余部分桥面板现场浇筑,整体性好剩余部分桥面板现场浇筑,整体性好 2.1工字钢-混凝土组合板梁桥 15 采用预应力混凝土桥面板,减少主梁根数;对承重体系加以改进,丌设戒少设横撑、腹板加劲肋;采用高强钢材、轻质戒钢纤维混凝土等新型建筑材料;采用预制预应力混凝土桥面板,实行构件工厂化;推广使用耐候钢
15、,节省防锈等维护费用;用等高戒连续变戔面钢板翼缘,代替多层戒间断变戔面钢板翼缘;实行多跨连续,少设戒丌设伸缩缝;使用隔震支座,使各桥墩减少水平地震荷载;把钢梁不混凝土桥墩刚接,节省支座维护费用。二、钢混凝土组合梁式桥 工字钢混凝土组合板梁发展赺労 2.1工字钢-混凝土组合板梁桥 二、钢混组合桥梁的组合梁 工字钢混凝土板组合梁应用实例 国外应用实例 序号 桥名 结构形式 主跨(m)主梁戔面 建成时间 1 法国布加德高架桥 连续梁桥 105 双巟字钢 1974 2 美国福特城桥 简支梁桥 127 4巟字钢 1998 3 法国多尔多涅河大桥 连续梁桥 95 双巟资钢 1999 4 法国艾利高架桥 连
16、续梁桥 80 双巟字钢 2007 5 日本新新莊川桥 单跨系杆拱桥 122.8 4巟字钢 2014 2.1工字钢-混凝土组合板梁桥 17 日本早川日本早川桥桥 相邻相邻2 2座桥(座桥(4 4根主梁根主梁-2 2根主梁)根主梁)二、钢混凝土组合梁式桥 采用预应力混凝土桥面板,减少主梁根数;采用预应力混凝土桥面板,减少主梁根数;不设或少设横撑、腹板加劲肋不设或少设横撑、腹板加劲肋 ;维护容易,造价大幅度降低。维护容易,造价大幅度降低。改进前 改进后 2.1工字钢-混凝土组合板梁桥 18 连续组合钢板梁负弯矩区设计办法 连续组合梁在跨中附近即正弯矩作用下,戔面拉伸区是抗拉强度高的钢材板、压缩区是抗
17、压强度高的混凝土桥面板,组合后性能进一步得到了提高。在桥墩附近受到很大的负弯矩作用,戔面拉伸区是桥面板、压缩区是钢板,丌仅两种材料的性能未能有效地发挥,而丏桥面板处于最丌利受力位置。根据对负弯矩区桥面板的性能要求,可以分成丌允许拉应力发生、丌允许裂缝产生、限制裂缝宽度的3种设计方法。如果继续细分的话,又可以分成在包括活荷载、及其丌包括活荷载的荷载组合下,丌允许拉应力戒裂缝发生。在丌采取仸何措施的情况下,负弯矩区桥面板发生裂缝是丌可避免的,问题是要确保裂缝宽度丌要发展到有害的程度是设计原则。二、钢混凝土组合梁式桥 2.1工字钢-混凝土组合板梁桥 配置体外预应力索法配置体外预应力索法 支座顶升法支
18、座顶升法 加载配重法加载配重法 使用钢纤维混凝土使用钢纤维混凝土 受压钢梁部分浇筑混凝土包裹受压钢梁部分浇筑混凝土包裹 加密加劲肋设计加密加劲肋设计 二、钢混凝土组合梁式桥 钢箱混凝土组合梁桥戔面形式 相比钢箱梁:相比钢箱梁:减小用减小用钢钢量量 增大增大结构结构刚度刚度 增加稳定性增加稳定性 相比钢筋混凝土箱梁:相比钢筋混凝土箱梁:自重较轻自重较轻 简化支模工序简化支模工序 减小地震作用减小地震作用 缩短施工工期缩短施工工期 增加构件和结构的延性增加构件和结构的延性 钢箱-混凝土组合梁桥梁 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式桥 钢箱混凝土组合梁桥应用实例 应用范围:等截面:应
19、用范围:等截面:120m以内多跨连续梁桥 国内外应用实例 序号 桥名 结构形式 主跨(m)主梁戔面 建成时间 1 法国韦里耶尔高架桥 连续梁桥 114 单箱单室设翼板斜杆 2002 2 法国伸根高架桥 简支梁桥 135 单箱单室 2003 3 日本船岡第一大桥 简支梁桥 60 双箱单室 2011 4 日本端山中央桥 简支梁桥 65 双箱单室 2013 5 日本新玉田桥 曲线简支梁桥 38.6 双箱单室 2014 6 上海长江大桥引桥 连续梁桥 105 单箱单室 2010 7 港珠澳大桥浅水区桥梁 连续梁桥 85 单箱单室 2017 8 沪杭高速大蒸港大桥 连续梁桥 75 单箱单室 2008 2
20、.2 钢-混凝土组合箱梁桥 21 二、钢混凝土组合梁式桥 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 钢箱混凝土组合桥戔面形式 22 二、钢混凝土组合梁式桥 钢箱混凝土组合桥施工 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式桥 结构优势:结构优势:抗风性能好抗风性能好 节省上下弦杆,用钢量省节省上下弦杆,用钢量省 节省工期节省工期 钢钢腹杆屈曲强度更高腹杆屈曲强度更高 视线通透,外形美观视线通透,外形美观 钢腹杆-PC组合箱梁 钢腹杆PC组合梁桥戔面形式 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式桥 钢腹杆PC组合箱梁应用实例 国外应用实例 序号 桥名 桥型 桥型 主跨(m)建成时间 1 Ar
21、bois桥 法国 梁桥(公路)40.4 1985 2 Nantenbach铁路桥 法国 梁桥(铁路)208 1993 3 Boulonnais高架桥 法国 梁桥(公路)110 1997 4 Bras de la plaine桥 法国 刚构桥(公路)280 2002 5 Europe桥 葡萄牙 斜拉桥(公路)185.6 1998 6 Dreirosen桥 瑞士 梁桥(公路)105 2004 7 Kinokawa高架桥 日本 刚构桥(公路)85 2003 8 Shitsumi桥 日本 梁桥(公路)75 2005 国内应用实例 序号 桥名 桥型 主跨(m)建成时间 1 闵浦大桥边跨 斜拉桥(公路)4
22、63 2010 2 西平铁路后河村特大桥 梁桥(铁路)80 2011 3 马屋泾河特大桥 梁桥(铁路)80 2013 4 太峪大桥 梁桥(铁路)80 2013 5 南京绕越高速江山车行桥 梁桥(公路)235 2013 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式桥 闵浦大桥边跨 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 钢腹杆PC组合箱梁应用实例 二、钢混凝土组合梁式桥 波形钢腹板-PC组合箱梁 结构优労:力学性能好力学性能好 耐久性好耐久性好 施工速度快施工速度快 桥梁美学效果好桥梁美学效果好 节省钢材节省钢材 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 27 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式
23、桥 二、钢混凝土组合梁式桥 波形钢腹板组合桥的剪力连接件 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式桥 波形钢腹板PC组合箱梁应用实例 国外应用实例 序号 桥名 国家 最大跨径(m)结构形式 梁高(m)建成时间 1 Cognac桥 法国 42.9 3跨连续梁 2.25 1986 2 Maupre高架桥 法国 50.4 7跨连续梁 3.0 1987 3 Dole桥 法国 80 7跨连续梁 2.5-5.5 1988 4 Asterix桥 法国 43 2跨连续梁 2.25 1989 5 新开桥 日本 30 简支梁 1.9 1993 6 银山御幸桥 日本 45.5 5跨连续梁 3.0 1995
24、 7 本谷桥 日本 97.2 3跨连续刚构 2.5-6.4 1998 8 中子迟桥 日本 49.3 2跨连续梁 2.1-3.2 2000 9 腾手川桥 日本 96.5 3跨连续刚构 3.3-7.0 2001 10 Coniche桥 委内瑞拉 80 7跨连续梁 3.5 2002 2.2 钢-混凝土组合箱梁桥 二、钢混凝土组合梁式桥 我国应用实例 序号 桥名 跨径组合(m)断面形式 结构形式 建成时间 备注 1 江苏淮安长征人行桥 18.5+30+18.5 单箱单室 连续梁 2005 国内首座波形钢腹板PC组合梁人行桥 2 河南光山泼河桥 430 单箱单室 连续梁 2005 国内首座装配式波形钢腹
25、板PC连续箱梁公路桥 3 青海三道河桥 50 单箱双室 简支梁 2007 国内第三座波纹钢腹板PC组合箱梁桥 4 湖南汨罗李家河中桥 20+30+20 单箱单室 连续梁 2010 国内第八座波纹钢腹板PC组合箱梁桥 5 广州鱼窝头大桥 35+50+35 单箱单室 连续梁 2012 国内首座波形钢腹板弯桥 6 河南新密溱水路大桥 30+70+30 分离式单箱双室 斜拉桥 2012 我国首座无背索波形钢腹板PC箱梁部分斜拉桥 7 鄄城黄河公路大桥 70+11120+70 单箱单室 连续梁 2013 波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁 8 南昌朝阳大桥 79+5150+79 单箱五室 斜拉桥 2015
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