组合结构桥梁的发展与应用前景

邵长宇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

组合结构桥梁的发展与应用前景

邵长宇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

简要介绍了组合结构桥梁在国际上的应用以及设计理论、施工方法等方面的技术发展，分析介绍了梁式桥以及大跨度桥梁的技术特点与应用概况，最后对国内组合结构桥梁的应用前景进行了展望。分析指出：梁式组合结构桥梁已经具备了获得经济竞争力的基础，具有广阔的推广应用前景；组合梁斜拉桥仍然有着较大的发展空间，技术经济合理跨度可以达到800 m以上；组合梁悬索桥随跨度增加经济性下降，当建设和环境条件合适时可以展现技术与经济优势，具有一定的应用前景；组合梁系杆拱桥在200 m跨度范围具有很强的竞争力，在上承式和中承式拱桥中组合结构也有拓展应用的空间。

组合结构桥梁；发展概况；应用前景

0　引言

20世纪30年代是欧美各国桥梁技术及其设计理论的一个重要发展时期。组合结构在这一时期开始了研究工作，到20世纪60年代得到广泛应用，建造了大量的各种形式的组合结构桥梁。桥梁采用混凝土与钢上下结合的结构形式由来已久，钢与混凝土组合结构桥梁形式多样，应用范围包括梁式桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥型，既应用于公路桥，也应用于铁路桥。在组合钢板梁、组合钢箱梁以及组合钢桁梁获得长足发展的同时，出现了一些新型组合结构桥梁，如波折腹板组合箱梁桥、钢桁腹杆组合桥等。随着理论研究、工程实践的不断发展，组合结构桥梁的使用性能与耐久性、可施工性与经济竞争力等方面获得了长足进步。借助于基础理论的发展以及市场竞争，组合结构桥梁的结构形式与材料指标得以不断优化，新结构与新工艺不断推出。多种结构形式适应了不同的建设需求，结构的简化减少了养护维修工作，快速施工缩短了投资回报期。总之，在西方发达国家，组合结构桥梁依靠其不断提升的技术与经济竞争力获得了巨大发展，并在桥梁建设中占有重要地位。

早期由于对组合结构桥的受力机理与构造研究不足，出现较多问题。20世纪七八十年代以来，欧洲以及日本等国大力进行基础性理论研究和试验，内容涉及焊钉连接件性能、钢梁局部稳定、结构力学性能、桥面板开裂性能以及特殊部位结构等方面。通过研究与实践，制定并完善了相应规范，建立了新的分析与设计方法。依靠新的设计理论、方法以及计算机技术的进步，可以更准确地考虑钢结构的总体与局部稳定，尤其是组合结构条件下的钢结构稳定特性，为减少稳定构件、合理安排材料奠定了基础。借助于大量研究成果及分析方法的进步，发展了允许混凝土板开裂、用裂缝宽度限值代替拉应力限值的设计方法，从而简化了构造，方便了施工，促进了连续组合结构桥梁的发展。对于纵横向加劲肋等稳定构造，不再沿袭过去依据简化模型制定的相关设计规定，而是借助于新的稳定理论与分析方法进行设计，由此钢梁加强了高度简化的趋势。设计与施工方法的进步，可以更合理、更实际、更有效地安排材料，从而促进组合结构桥梁经济竞争力的提高，并获得更大的发展。

1　组合结构桥梁的应用

1.1梁式桥

在西方发达国家的桥梁建设中，组合结构成为最主要的桥梁形式，在欧洲国家尤其如此。这些国家的梁式桥梁中，组合梁展现了优越的技术经济竞争力，应用比例非常高，甚至达到90%以上。其中，结构简洁、施工便捷的组合钢板梁应用最为广泛。当前的组合钢板梁桥技术上有了巨大的进步，由早期的多纵梁、多横梁以及密集的加劲形式，经过大幅简化，发展到以双主梁或少主梁为主流，加劲构件也大幅减少。以采用S355钢材的组合钢板梁为例，钢材用量指标在跨度100 m时约为250 kg/m2，在跨度40 m时约为150 kg/m2，显然这将使组合钢板梁具有很强的经济竞争力。组合钢板梁桥多采用双主梁或少主梁形式，其适用跨度范围不断双向拓展，在20～150 m的跨度范围都有很强的竞争力。

组合钢箱梁具有抗扭能力强、整体性好、适合曲线以及更能适应大跨等特点，已有大量的公路、铁路桥梁应用实例。德国在相关研究与实践方面做了大量工作：在海得明登的维拉河谷桥，主跨96 m，施工时钢梁先顶推到位，再现浇桥面板，采用中间支点附近桥面板后浇的间断施工方法；主跨154 m的Neuo¨t t i ng桥，采用了双层组合结构，在中间支点附近钢梁下翼缘附加有混凝土板。目前连续组合箱梁桥最大跨度超过200 m，单箱桥面宽度超过30 m。这些桥梁的修建，在经济性、耐久性以及桥梁美学方面，充分展现了组合结构桥梁的竞争能力。

在铁路桥梁以及山区公路桥梁中，组合钢桁梁桥有着较多的应用实例。德国主跨208 m的Nant enbach双线铁路桥，三跨连续梁中间支点的钢桁架下弦设有混凝土板相结合共同受力，桥面板不配置预应力，采用允许开裂、限制裂缝宽度的设计方法；丹麦的公铁两用厄勒海峡桥的引桥，采用了主跨140 m的等高度组合钢桁梁桥，采用全截面预制整孔吊装法施工；西班牙Si l桥采用了主跨170 m的组合钢桁梁桥，其钢桁梁采用顶推法施工。从这些实例不难看出，组合钢桁梁以其更能适应大跨、重载以及山谷地区等特点，获得了发展与竞争力。

组合钢板梁、组合钢箱梁、组合钢桁梁的施工，经过长期发展，普遍采用先钢梁再桥面板的施工方法。钢梁施工常用顶推法，桥面板施工以钢梁为平台，进行现浇或预制板铺设。这种方法利用了钢梁自重轻、承载能力强的特点，可以降低对机具设备与临时设施的要求，同时也体现了快速施工的特点。大量的工程实践形成了设计与施工相互依存的理念，使得人们不再从单一角度考虑问题，而是从设计与施工的各个环节全面考虑，其结果是材料更加节省，施工更加便捷。

除了组合钢板梁、组合钢箱梁及组合钢桁梁三种典型结构之外，波折腹板组合箱梁桥与钢桁腹杆组合梁桥是20世纪80～90年代出现的结构形式。利用钢结构取代混凝土箱梁的腹板，从而达到改善力学性能与减轻上部结构自重的目的，也是组合结构桥梁发展中的有益探索。

1.2大跨度桥梁

采用组合梁的理念可以从两个方面来看：与早期混凝土行车道板置于钢梁上的结构形式相比，增加了结构的整体性，提高了结构的受力性能，可以减少后期维护工作量，提高结构的耐久性；与采用正交异性钢桥面板的钢梁相比，用混凝土桥面板代替钢梁上缘的正交异性钢板，提高桥面刚度，避免钢桥面疲劳损伤问题，可以降低加劲梁的造价。组合梁在斜拉桥、悬索桥和拱桥中都有大量的工程应用，但不同类型的组合梁在三种大跨度桥梁中的应用水平和广泛程度差别较大，这与不同体系桥梁的力学性能、工程需求、技术发展等多方面的因素有关。不言而喻，斜拉桥、悬索桥和拱桥三者加劲梁受力性能的差异是最为重要的影响因素。

从斜拉桥的应用来看，加拿大的Annaci s桥、中国的南浦大桥、希腊的Ri on-Ant i ri on桥，加劲梁均为组合钢板梁，其钢梁为纵横梁格体系，与桥面板结合后形成组合梁，这种结构形式是斜拉桥应用最多的组合梁形式。然而，组合钢板梁的抗风能力较弱，随着斜拉桥跨度的增加，需要采用组合钢箱梁来提高桥梁的抗风性能。东海大桥主航道桥和椒江二桥主桥采用了组合钢箱梁。对于公铁两用桥，双层结构的加劲梁常常是最为合适的选择。丹麦的厄勒海峡桥主桥采用了跨度490 m的组合钢桁梁斜拉桥。从目前的工程实践看，需要承受巨大压力的斜拉桥加劲梁，最能发挥混凝土桥面板的抗压优势，因此组合梁在斜拉桥中应用最为广泛，面对不同的建设条件和功能要求，都有合适的加劲梁形式可以选用。

从悬索桥的应用来看，随着正交异性钢桥面板结构的发明，早期混凝土行车道板置于钢梁上的结构形式被取代，采用正交异性钢桥面板的钢梁几乎成了大跨度悬索桥的唯一选择。组合梁作为悬索桥的加劲梁多用于中小跨度的悬索桥。在大跨度悬索桥中，2010年前后建成的贵州坝陵河大桥和湖南吉首矮寨大桥，都是跨度超千米的大跨度悬索桥，钢桁加劲梁没有采用正交异性钢桥面板，而是采用钢与混凝土组合梁作为行车道板。1990年在瑞士日内瓦湖上的桥梁方案竞争中，出现了950 m跨度采用组合钢箱梁的悬索桥方案，展现了组合梁悬索桥在千米以内跨度范围的技术与经济竞争力。2015年建成的武汉鹦鹉洲长江大桥为主跨2×850 m的三塔悬索桥，加劲梁采用了组合钢板梁。如前所述，组合钢板梁抗风能力较弱，随着跨度的增加或者在沿海风环境恶劣地区，组合钢板梁难以满足抗风要求，需要采用组合钢箱梁以解决抗风问题。从工程技术与经济角度看，组合梁用于大跨度悬索桥，主要目的在于以混凝土桥面板替代存在疲劳损伤风险的正交异性钢桥面板，组合梁混凝土桥面板的抗压优势得不到发挥，较大的结构自重对经济性的不利影响随跨度增加而增加。从目前的工程应用看，组合梁在大跨度悬索桥中的应用较少，但在一些建设条件和环境条件下，组合梁在悬索桥中仍然可以展现技术与经济优势，具有一定的应用前景。

从拱桥的应用来看，采用组合梁（组合桥面结构）的拱桥，尽管在国内应用较少，但在欧洲等发达国家有着大量的应用。这些国家在系杆拱桥和中承式拱桥中，多采用钢梁为纵横梁格体系的组合钢板梁，混凝土桥面板与钢梁结合后参与承受桥面结构的弯曲作用及系杆拱桥的水平拉力作用；在上承式拱桥中，主梁也多采用组合梁。特别是采用组合桥面结构的系杆拱桥，在欧洲有着广泛的应用，跨度小到100 m以下、大到接近300 m都有工程应用。现代的系杆拱桥通常考虑混凝土桥面板参与承受拱脚的水平分力作用，桥面板不设预应力束，和梁式桥一样采用允许桥面板开裂、限制裂缝宽度的设计方法。拱桥所能达到的跨度有限，桥面结构形式的选择基本不受抗风问题制约，因此构造简洁的组合钢板梁是应用最为普遍的结构形式。除此而外，在一些特殊条件下，组合钢箱梁和组合钢桁梁也时有工程应用的实例出现。

2　国内组合结构桥梁的应用前景

2.1梁式桥

中国在组合结构桥梁研究及应用方面相对落后，在工程中最普遍的梁式桥中，预应力混凝土结构仍然占有绝对多数，公路桥中组合梁桥应用很少，城市高架桥梁中多为跨越道路等特殊应用，还没有出现大规模的应用。然而，20世纪80年代以来，组合结构在发达国家获得了巨大发展。法国自1980年起，建造的公路桥梁以钢-混凝土组合桥梁为主，其最有竞争力的跨径范围为60～80 m，甚至可达30～110 m，以这个跨径范围建设的桥梁有85%是组合结构桥梁。日本也大力进行基础性理论研究和试验，开发了不同形式的组合结构桥梁，并制定了相应规范。在英国，大多数20～160 m跨径及以上的公路桥梁，组合结构桥梁竞争力很强。德国及美国的组合结构桥梁应用更广。

20世纪改革开放之初，我国经济落后，资源短缺，由于混凝土取材方便，劳动力价格便宜，预应力混凝土桥梁在我国得到大力发展，在量大面广的梁式桥梁中，预应力混凝土梁占据了绝对多数。进入21世纪以来，随着我国社会经济的快速发展，我国的桥梁建设条件已经发生了巨大变化。按照目前的钢材和劳动力等价格水平，组合结构桥梁已经具备了获得经济竞争力的基础，无论从工程造价以及全寿命经济性角度，有必要大力发展并推广应用组合梁桥。尽管我国在组合结构桥梁的研究与实践方面与发达国家存在差距，面对未来的桥梁建设需求，组合梁桥具有广阔的应用前景。

2.2斜拉桥

斜拉桥采用组合梁，理念上是用混凝土桥面板代替钢梁上缘受压的钢正交异性板，可以发挥混凝土材料的抗压性能优势，减少钢材用量，降低造价并改善桥面性能。斜拉桥中最为常用的组合钢板梁，其钢梁为纵横梁格体系，钢主梁（纵梁）与斜拉索的布置相互匹配，传力路径明确顺畅，构造简洁，不仅结构受力高效，而且便于因地制宜选用多种施工方案，展现了优良的技术经济优势。随着斜拉桥跨度的增加，组合钢板梁不能适应强风环境的抗风要求时，采用具有良好抗扭性能的组合钢箱梁，可以适应跨度增加的结构受力和抗风要求。对于公铁两用桥，较宽的上层公路面采用混凝土板与钢桁结合，形成组合钢桁梁，用于斜拉桥同样具有技术经济竞争力。从目前的工程实践看，面对不同的建设条件和功能要求，都有合适的加劲梁形式可以选用。

一座斜拉桥由加劲梁、斜拉索、桥塔、桥墩及基础等组成，在斜拉桥的总造价中，梁、索、塔等不同构件所占比重各不相同。总体而言，加劲梁造价所占比例最高，对于钢箱梁斜拉桥，加劲梁采用组合梁替代钢箱梁，由混凝土替代钢材承受压力，具有良好的经济性。斜拉桥的加劲梁是结构体系中重要的承载构件，加劲梁自身的经济性对桥梁整体经济性影响较大。有研究表明，斜拉桥的跨度在1 000 m以内条件下，组合梁的造价将低于钢箱梁。但是，重量较大的组合梁必然会引起斜拉索、桥塔及其基础造价的增加，斜拉索的增加量基本与梁重在总荷载中的增幅同步，桥塔及基础则只是增加了其所受的轴力，并不会对其所受弯矩造成明显的影响，工程量将小于重量增幅。随着跨度的加大，加劲梁重量增加的不利影响将超越其有利影响，使得斜拉桥整体经济性不再具有优势。研究表明，即使在沿海软基强风环境下，组合梁斜拉桥技术经济合理跨度可以达到800～900 m。

从目前的工程实践看，面对不同的建设条件和功能要求，都有合适的加劲梁形式可以选用。从适用跨度看，虽然自杨浦大桥建成至今，组合梁斜拉桥的跨度未获大幅的增长，但采用传统混凝土桥面板的组合梁斜拉桥，仍然有着较大的发展空间。因此，组合梁斜拉桥推广应用前景广阔。

2.3悬索桥

悬索桥是跨越能力最大的桥型，其技术经济竞争力主要表现在大跨度桥梁上。一般来说，悬索桥在500 m以上跨度才能表现出竞争优势。悬索桥加劲梁的材料用量指标不会随着跨度的变化而发生明显的变化，除非超大跨度悬索桥由于抗风等因素而较大改变加劲梁的形式，比如由闭口钢箱梁改变成分体式钢箱梁。重量较大的加劲梁将会引起缆索索力的增长，随着悬索桥跨度的加大，缆索系统及锚碇材料用量指标大幅增加，主塔及其基础用材也将增加，进而导致经济竞争力下降。因此，人们普遍认为钢梁几乎是千米级大跨度悬索桥的唯一选择。

地锚式悬索桥由加劲梁、缆索、锚碇、桥塔及基础等组成，加劲梁由组合梁替代钢箱梁，自身造价将有大幅的下降，但重量增加必然会引起缆索、桥塔、锚碇及基础造价的增加。对于桥塔及基础，加劲梁重量的增加只是增加了其所受的轴力，因此不会引起桥塔及基础规模与重量增幅同步增加；缆索的增加量则以超过梁重增幅的速度增加，这也直接引起锚碇工程量的相应增加。在悬索桥的总造价中，加劲梁造价基本不受跨度变化的影响，随着跨度的增加所占比例将逐步下降；缆索与锚碇的材料用量指标与跨度密切相关，随着跨度的增加其造价在总造价中的比例显著提高。

对于地锚式悬索桥，加劲梁随着跨度增加逐步退化为传力构件，加劲梁自身的经济性对桥梁整体经济性虽然有较大影响，但加劲梁的重量对造价的影响更加显著。用组合梁代替钢箱梁，在总造价中加劲梁造价降低，但每平方米造价指标基本不会随跨度变化而变化，而缆索、锚碇、桥塔以及基础等的造价指标随着跨度加大而不断增加。目前已有工程在地质条件较好、锚碇费用较低的情况下，跨度800 m左右的组合梁悬索桥展现了技术经济竞争能力，可以预见，在更小的跨度范围和合适的条件下，组合梁悬索桥和钢梁悬索桥相比，将更加可能在经济上展现竞争优势。然而，随着跨度的减小，将进入斜拉桥的技术经济优势范围，悬索桥还将面临斜拉桥的强有力竞争。显然，组合梁悬索桥合理跨度的进一步增加，技术上没有问题，难度在于经济性。采用传统钢筋混凝土桥面板的组合梁，用于悬索桥的经济合理跨径将在800 m左右范围内，即使在一些有利条件下也很难提高。当然，工程造价并不是决定方案取舍的唯一条件，在条件合适时，组合梁悬索桥仍然具有一定的应用空间。

2.4拱桥

目前，在欧洲国家系杆拱桥普遍采用组合桥面结构。由于系杆拱桥的优势跨度通常在200 m以内，实际应用也较少超过300 m，采用组合桥面结构不仅在经济上具有竞争力，还可以提高桥面结构的刚度并方便安装施工。当跨度在200 m以内时，系梁（桥面结构）的造价在总造价中所占比例较高，采用组合梁替代正交异性钢桥面板的钢梁，可以大幅降低造价，综合考虑拱结构及基础费用的增加，采用组合桥面结构的系杆拱桥仍然具有竞争力。中承式拱桥采用组合梁作为桥面结构也有很多实例，既有简单体系的推力拱桥，也有组合体系的部分推力拱桥。近年来，在国内500 m级大跨度中承式拱桥中，出现了采用组合梁行车道板支撑在纵横梁体系的钢梁上，虽然不是严格意义上的组合梁，作为一种选择，可以回避正交异性钢桥面疲劳损伤风险，避免混凝土行车道板的较大自重。工程实践表明，拱桥的桥面结构的整体性关系到使用性能和耐久性，一些横梁体系的桥面结构由于整体性差，易于造成结构损伤，而且一旦吊杆破坏结构承载的冗余度较低，直接采用组合梁（组合结构）替代组合桥面板支承于钢梁的体系，不仅可以增加构刚度和整体性，也降低了后期维护工作量。我国的上承式拱桥多修建在山区，拱上主梁多采用混凝土或预应力混凝土结构，少数超大跨度拱桥采用钢箱梁，从减轻结构自重、规避钢桥面板及其铺装耐久性角度，组合梁具有很大的推广应用空间，特别是耐候钢材料的开发成熟以及未来批量使用后价格更趋合理，采用耐候钢的组合梁将有望得到更多应用。从目前国际工程实践看，组合梁（组合桥面结构）在拱桥中应用广泛，在300 m以下跨度，具有很强的技术经济竞争力，在300 m以上跨度，考虑到桥梁的使用性能和可维护性等，仍然能够表现出竞争力。

3　结语

我国未来的交通发展仍然需要修建大量的桥梁，面对各种不同的建设条件以及经验教训的总结，迫切需要提高桥梁耐久性、使用性、环保性和景观性，并降低工程造价。混凝土桥梁虽然短期养

U448.21+6

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1009-7716（2016）09-0011-04

2016-08-16

邵长宇（1963-），男，安徽怀远人，工学博士，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师，从事桥梁工程设计研究工作。