体外预应力钢箱—混凝土结合梁桥发展与应用

宾 帆

钢—混凝土结合梁桥具有结构高度小、承载能力高、自重轻、刚度大等特点，使得其在中小跨度桥梁、工业厂房、大跨结构、地下结构中得到了较为广泛的应用，但结合梁也存在着变形大、负弯矩区易开裂等缺点。采用预应力结合梁兼有一般结合梁和预应力结构的优点，是解决上述问题的行之有效的办法，是高效预应力技术在钢—混凝土组合结构领域的进一步发展和应用。

1 体外预应力结合梁桥定义

钢—混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，它是由外露的钢梁或钢桁梁和混凝土桥面板形成的组合结构，且在混凝土板和钢梁之间设置抗剪连接件，以保证在使用荷载作用下混凝土板和钢梁共同作用，共同变形。

体外预应力是将预应力钢束布置在主体结构外部的预应力，是后张法无粘结预应力混凝土结构的重要分支。它的概念和方法产生于法国，由Eugene Freyssinet提出并首次应用。从20世纪70年代末开始在工程中大量应用。

体外预应力结合梁桥是综合使用体外预应力和钢—混凝土组合结构两种技术的一种组合结构(见图1)。钢筋混凝土顶板和钢梁通过剪力连接件结合成一个整体的受弯构件，两种材料合理的结合可以取长补短，各尽其用。在此基础上，合理地布置高强度预应力钢索，并对其进行张拉，使结合梁在承受全部外荷载之前建立起预应力，该预应力的大小和分布能减小和抵消梁在外荷载作用下产生的应力，从而达到改善梁的受力状态与性能，降低应力峰值，提高梁的刚度。

2 体外预应力钢—混凝土结合梁的结构特点

体外预应力结合梁综合了体外预应力结构体系和结合梁结构体系各自的特点。在钢—混凝土结合梁结构体系中混凝土部分受压为主，钢梁受拉，充分发挥了混凝土和钢材两种材料各自特性，增加了梁的承载力。体外预应力混凝土桥梁结构一般采用简化的折线预应力束，体外预应力筋仅在锚固区域和转向块处与桥梁结构相连接(见图2)，体外预应力桥梁结构的受力特性与无粘结预应力桥梁结构类似。

图2 体外预应力结合梁示意图

预应力钢—混凝土结合梁与钢—混凝土结合梁相比，由于施加了预应力，调整了结构中的应力分布，提高了结构刚度，减小了结构变形，扩大了结构材料承载的弹性范围。对于预应力钢—混凝土组合连续梁，由于预加力的作用，使得在外荷载作用下内支座区域处于受拉的混凝土翼板预先受压，大大改善了其结构性能，降低了中支座顶的负弯矩值，延缓了混凝土裂缝的产生与发展，大大改善该区域受力性能，因此具有更优越的结构受力性能。

根据以上的结构特点，体外预应力钢—混凝土结合梁结构体系具有以下优点:

1)混凝土部分受压为主，钢梁受拉，充分发挥了混凝土和钢材两种材料各自特性，增加了梁的承载力，与钢板梁方案相比，可节省钢材、降低造价。2)混凝土板参与梁的工作，使截面高度增大，增加了梁的刚度，提高梁的自振频率。3)结合梁增强了钢梁的侧向刚度，防止侧向失稳。4)结合梁方案整体性强，抗剪性能好，表现出良好的耐震性能。5)可以利用钢梁的刚度和承载力来承担悬挂模板、混凝土板等施工荷载，压型钢板还可以直接作为模板，方便施工。6)预应力钢索布置在体外，可以随时方便的检查体外索的使用状况，方便维护更换。

但是，体外预应力结合梁结构体系也存在一些弱点，主要表现为:

1)抗剪连接件在与钢梁焊接过程中易使产生焊接变形和残余应力。2)结合梁的耐火等级不如混凝土结构。3)转向块和锚固区因承受着巨大的纵、横向力，对于体外力筋，锚头失效则意味着预应力的丧失。

3 体外预应力结合梁体系国内外研究历史和现状

对体外预应力结合梁的研究始于20世纪40年代后期，F.Dischinger作为先驱者在1949年首次提出用高强钢丝束对组合桥梁施加预应力的设计构想。Coff因采用抛物线束对一个组合钢梁和混凝土板系统施加预应力而获得美国专利。Szilard对配置高强抛物线钢丝束的预应力简支组合梁进行研究后，利用虚功原理推导出计算应力的公式。Reagam和Krah在力平衡、变形协调和完全组合的假设前提下，建立了简支预应力结合梁在弹性及非弹性状态下钢梁及混凝土板的应力计算公式。Basu等的试验结果表明，负弯矩区的混凝土施加预应力可消除使用荷载下的裂缝，增强混凝土耐久性，提高负弯矩区混凝土的抗弯能力。Tong和Saadatmanesh对两跨预应力组合连续梁采用刚度法和混合法进行了参数分析，考虑的参数包括预应力的大小、预应力筋偏心距、预应力筋长度及布筋形式、加载方式等，得出一系列结论:预应力使这种梁的工作荷载显著提高;预应力增加时，反拱度、总预矩增加，挠度减小;预加力增加，反拱度、次弯矩也增加;初始偏心距增加，反拱度、次弯矩也增加;布筋范围扩大，次弯矩显著增加，使用荷载下预应力增量随着钢索增加而下降;折线布筋与直线布筋相比，前者钢索应力增量不如后者明显地取决于荷载布置方式，但两者都取决于加载大小;各跨及支座施加预应力先后次序不同，产生的预应力效果也不同。Dall’s Asta和Dezi在考虑了预应力筋滑移和变形基础上，给出了体外预应力简支结合梁分析模型。

国内研究虽然起步较晚，但也取得了一系列成绩。宗周红等用有限元方法进行了预应力结合梁的非线性分析，并与试验结果进行了对比，提出了预应力结合梁受弯极限承载力简化计算的弹塑性模型。基于预应力结合梁界面的滑移性能的研究，李佳和余志武提出了钢—部分预应力混凝土组合连续梁满足承载力要求的弯矩调幅限值[β]的计算公式，其计算结果与试验结果吻合较好。

此外，同济大学、清华大学、东南大学等国内高校和科研机构也相继进行了体外预应力组合梁承载力方面的研究，并取得了一定的成果。

4 体外预应力结合梁体系国内外桥梁工程中的应用

1955年，在德国Neckar运河上建成了世界上首座预应力结合梁桥——跨度为34 m的Lauffen桥。1957年，在德国Montabaur附近的Auback流域建成了一座三跨预应力结合梁桥，最大跨径达到50.14 m。1960年，在前苏联西伯利亚地区Tom河上，建成的一座五跨预应力结合连续梁桥，采用变梁高结构，最大跨径达109.12 m。1963年建成的顿河公路大桥采用了同样的结构体系，最大跨径达147 m，用钢量仅为360 kg/m2，经济效益显著。1966年，在华盛顿Bellingham建成一跨长为46 m的预应力结合梁桥，每根梁重量不到同跨径预应力混凝土梁的一半，梁高也比传统钢梁降低了305 mm。1984年，T.Y.Lin公司在美国北Idaho设计的BonnersFerry桥，是预应力结合梁应用的典范。该桥采用四根钢梁桥，共十跨，跨径介于30.5 m～47.2 m之间，其低廉的造价、合理的应力分布形式和较小的挠度显示了该结构形式合理的经济性和强大的竞争力。

在我国，预应力结合梁的应用范围已从最初的工业厂房、铁路、桥涵发展到工业与民用建筑、公共建筑、城市立交结构等。铁科院西南分院在成都附近彭县至白水河窄轨铁路的湔江大桥上首次采用体外预应力技术进行加固。北京航天立交桥(44 m+64 m+44 m)等城市高架或立交桥上也开始采用预应力结合梁。2000年，主跨150 m的深圳彩虹大桥是国内首座由钢管混凝土拱、预应力钢—混凝土空心叠合板结合梁、钢管混凝土组合桥墩构成的全钢—混凝土组合桥梁。跨度148 m的深圳北站大桥也采用了预应力钢—混凝土梁结构体系，桥梁结构高度小，自重轻，受力性能和抗震性能好，预应力效果明显，使刚度增大，弹性弯曲应力降低，有效降低使用荷载下组合梁截面最大工作应力。广州内环线同时建成的十余座预应力结合梁桥，比较典型的是中山北路高架桥，该桥为三跨(50+70+60)m变宽度展翅连续梁桥，结构轻盈，景观效果好。近几年新建的桥梁中采用此类结构的还有深圳丽水桥(主跨75 m)、深圳大学城一号桥(主跨50 m)、深圳大学二号桥(15 m+32 m+15 m)等。

体外预应力钢箱—混凝土结合连续梁桥是一种受力合理、施工便捷、性能优良、节省材料的新型组合结构。目前，国内外学者对其研究还不够深入，理论体系尚不完善，因此需要在结构稳定、剪力连接件、混凝土收缩徐变影响、动力性能等方面进行深入研究，以推动这一结构的发展应用。

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