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1、基于欧洲标准的钢混凝土组合桥梁设计桥梁工程桥梁工程基于欧洲标准的钢一混凝土组合桥梁设计葛胜锦，刘士林，孙蕊鑫(中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安市710075)摘要：钢一混凝土组合结构由于其独特的性能与优点，在欧美等西方发达国家得到了广泛应用，形成了较为 系统且成熟的设计理论。目前，国内关于组合结构桥梁的设计应用较少，缺乏系统的理论研究，亦缺乏成熟的实践经 验。参考欧洲标准桥梁工程手册和钢一混凝土组合桥梁，从基本原理出发介绍钢一混凝土组合结构，使其简单 易行，并介绍了各种桥型的钢一混凝土组合桥梁的总体设计、构造处理和计算方法等，以供工程人员参考。关键词：组合梁；剪力键；非线性有限元；连续

2、梁桥；预应力1概述组合结构桥梁是指由两种及以上的建筑材料通过各种形式结合而成，以期充分利用各材料特性的一种 合理结构体系。在目前的工程应用中，组合结构通常采用钢材和混凝土这两种主要建筑材料，通过黏结、机 械咬合或连接件进行相互接合，以充分利用钢材抗拉与混凝土抗压性能好的特点。因此，相比传统的混凝土 结构或钢结构，组合结构往往具有更好的经济性。11 国内外研究现状 钢一混凝土组合结构的研究起始于上世纪20年代，由Macking和Caughen首次对组合梁进行试验研究，经过几十年的理论研究及工程实践，目前已发展成为既有别于传统的钢结构和混凝土结构，又与之密切 相关或交叉的一门结构学科，其结构类型和

3、适用范围涵盖了结构工程应用的各个领域，在桥梁工程中也已得 到应用。早在上世纪50年代，我国便首次将钢一混凝土组合梁应用于桥梁结构领域。自上世纪80年代以来，随 着我国经济建设快速发展，钢一混凝土组合结构得到了较为迅速的发展和越来越广泛的应用，且诸多桥梁都 使用了组合梁作为桥面系或主梁。但总体而言，我国对组合桥梁的研究相比欧美等西方发达国家起步较晚， 研究成果不够系统，实践应用亦较少。由于钢一混凝土组合梁结合了钢梁和混凝土梁的优点，通过传统的施工方法和简单的施工工艺便可获 得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国基础建设的国情，是具有广阔应用前景的 新型结构形式之一。因此，有必

4、要在借鉴西方发达国家的设计理论和方法的同时，对钢一混凝土组合结构进 行深入研究，以促进我国桥梁工程的建设与发展。12结构形式及特点 组合梁按截面形式可分为外包混凝土组合梁和钢梁与混凝土翼板组合梁，如图1所示。外包混凝土组合梁又称钢骨混凝土梁，主要依靠钢材与混凝土之间的黏结力协同工作；钢梁与混凝土翼板组合梁简称钢板 组合梁，依靠抗剪连接件将钢梁与混凝土翼板组合在一起，更能充分发挥不同材料的优势，是组合梁应用和 发展的主要形式。钢一混凝土组合结构通常在介于混凝土结构和钢结构之间的中等跨径的桥梁中使用，在跨径2030 m 的梁板结构中，组合结构桥梁相较混凝土结构桥梁很有竞争力；对于跨径为2550 m

5、的箱梁结构，相较混 凝土箱梁有较强的优势；而当跨径在50-500 m时，组合形式的拱和斜拉桥同样很具竞争力；对于更大跨径 的桥梁，通常采用更轻的全钢结构。13设计规范遵循规范标准是设计一座实用、经济、美观、环保的桥梁结构的必要条件。国内外关于组合结构的设计2010#拄2流e论文集俑 翮隅熟莎(cl* (mm*目I月tigt一*m口$规范及相关条文均值得借鉴”o。1944年-美国首次在AASHTO规范巾科了有关组台粱的设计条文。接着，美国的AISC、加拿大建 筑设计规范和德国的DINl078t分别在1992年，1953年和1954年首趺列了有戈组合粱的设计条文。 1 981年，由欧洲国际混凝土委

6、员会(CEB)、欧洲钢结构协会(ECCS)、国际预应力联合会(FIP)和国际桥梁与 结目工程委员会(IABSE)共同组成的组合结构委员会联合颁布rt组合结构规范3。1985年，欧洲共同 体委员会(CECI又以组合结构8规范为基础进行了恪订和补充，首擞正式顷布了j皂于钢一混凝土组合肇构的设计规越欧洲规范4“5，这是目前国际上最完整的一部组合结构设计规范，为组合结构的研究和应用懒r相对全面的总结并指出丫今后的发展方向。 我国在1974年颁布的公路桥涵设计规范中酋擞提到了组合粱的设计概念，但设计条文的内容相当简单工程师撵作比较困难。1985年，新颁布的公路桥萄钢结构及术结构最计规范(J1028-89

7、)对组合粱 的内容进行丁修订。1988年我国的钢结构设计规范I(GBJ 1 788)首攻列了“钢与混凝土组合梁”的内 窖标志着钢一混凝土组合桀结椅在我同的应用受到了广泛的重税，但是规范中的有美条文只涉及了锕一混 凝土简支组台梁t并且以参考和借鉴冈外相关规范条文为主另外其他部委在上世纪90年代也相继颁布 了相关规范、规程“ 这对促进组合粱结构在我国的发展起到了重要作用。2003年，霰国颁布实施了新的 铜结构设计规范，(GB 50017 20031其中有关组合粱的内容，在原规范摹础上得到了进一步的充实和拓 宽增加了有关叠台扳组合霎、连续组合梁的设计内容，驳收了我屋近年来在钢混凝土组合粱研究和应用

8、领域的最新成果并在国内外首趺采用了折峨刚度法来计算组合梁的刚度遗憾的是，目前国内交通运输系统仍没有颁布一部完整的组合结构规范，这也大大耐约了组合结构在国 内公路行业的应用与推广。2材料及力学特性 钢一混凝土组合结构充分利用了钢材和混凝上各自的材料性能其最大的技术特点居组台后的性能超过丁两种材料各自的力学性能。组合结构阿钢筋混凝土结构相比，可以有效减小构件截面尺寸，减轻结椅自 重，减小地震作用增加有效使用空间降低基础造价方便艟工安装缩短建设周期，增加构件和结构的廷性 等；同钢结构相比可以硪小用钢量增加刚度，提高行车舒适性，改善结构动力性能增强稳定性和整体性 提高结构的抗火性和耐久性等。桥梁工程

9、45921混凝土中国和英国的试验规范采用混凝土立方体来测定其极限抗压强度()，美国和欧洲则是使用圆柱体测 定强度()，通常，圆柱体强度是立方体强度的8085。各国规范对混凝土的抗拉强度()作了不同 的规定，总体上大约为它的抗压强度的10左右。厶=O1 (1)厶=045(。凡)仉5 (2)混凝土的设计应力一应变曲线如图2所示，对于强度低于5060(厶厶)的混凝土，典型的极限破坏应变是0003 5，而弹性应变介于0001o001 5之间。强度越高，极限应变越小。 开裂是控制混凝土设计的重要因素之一，配筋是常用的控制裂缝宽度的手段。对于典型的200250 mm厚的组合梁桥的桥面板，最小配筋率大约为：

10、AA，=035意 (3)1UV此外，收缩徐变也是影响混凝土构件性能的主要因素。混凝土的收缩量取决于混凝土的厚度、配合参数 以及环境条件(主要是湿度)。图3为英国规范中厚度为200-一250 mm的混凝土板随着时间变化的收缩应 变情况1，而徐变量决定于施加的应力的大小和应力持续的时间、混凝土的配合参数以及环境条件。徐变将 对混凝土的弹性模量产生影响，受徐变影响的混凝土弹性模量可以由式(4)计算： oO004045 55 0000357500003095 115 O00025如 餐oo0020山乏R毯 OOool5加O000lOmooo0050 Oo oOOl o002 o003 o004 o 1

11、0 20 30 40 50 60 70 80 90 100应变 时间年图2混凝土应力一应变曲线 图3混凝土收缩应变曲线PE。一 (4)1 9弹性模量的改变会影响材料之间的荷载分布。组合构件混凝土典型的徐变系数(9)对于预制板为10， 对于现浇混凝土为15。大多数情况，通常假定E。7=04E，05Ec。对于组合结构的混凝土板，有两个关键的设计标准，即轴向抗压能力以及抗弯能力。抗压混凝土构件的 极限应力应限制在04或者057以下(据所采用的规范)。截面的轴向极限承载力(N。)可由极限应力 乘以面积来简单的进行计算。N。=O4列或N。=057bd (5)对于混凝土受弯构件，抗弯极限承载力(舰)可通过

12、假设混凝土的压溃(心)或者钢筋的拉伸破坏(地)来进行计算，如图4所示。对于混凝土的压溃破坏：虬=e。假定限制压力C发生在当08x=d2且z=075d时，有：N。=O15bd2或N。=02lbd2 (6)对于钢筋的破坏有：帆=t，T=087厂，z=075dM。=O65dA，厂， (7)要获得延性就得保证钢筋先于混凝土破坏，即帆要比M。大。混凝土也可能发生剪切破坏、拉伸破坏或者轴向力加弯曲破坏。2010年现场技术交流会论文集卜上一 尚 肖C 图4混凝土板中的理想弯曲厦力22钢材弹性模量决定着组合结构中的荷载在各材料中的分配情况，钢材的弹性模量(Eo)通常认为是常量，对 于钢板可取21105 MPa

13、，对于钢筋，可取20105 MPa。结构钢在装配中容易屈服，钢构件受压的时候可能产生各种屈服形式，可通过控制翼缘突出宽度来抑制 翼缘或者加劲板的局部屈曲。对于柱以及主要受压的构件通常认为发生欧拉屈曲，可通过支撑来限制单元 的有效长度。对于梁来说，可能发生侧向扭转型式的屈曲，其受压翼板的不稳定性产生整个截面的侧向 弯矩。组合结构桥梁构件的典型有效长度见表1，在很多组合结构中，钢截面的屈曲最容易发生在施工阶段， 即当混凝土作为一种外荷载施加于钢架上且尚未硬化形成强度而提供不了约束的时候。对于钢一混凝土组合结构，钢材构成了结构主 表1组合结构的有效长度要的构件，绝大多数情况下，设计中遇到的问题是弯

14、项 目 有效长度钢粱(浇筑板前) 100L8 一曲一曲、剪切或者轴向力。受拉钢构件的最大应力限制在095：I IND=095，4。 (8) 桁架抗压弦杆 L厶l式中：A。为扣除螺栓孔后钢的有效面积。 镣砥085Lc对于压荷载，最大应力限制值为095丘，其中 桁架斜腹杆 070Lo 丘决定于长细比参数以及应力限制曲线。ND=095丘A。 (9) -L1下端圄接、上堵自由的柱 200Lc对于受弯的钢梁，抵抗弯矩(舰)可由下式计算：Mo-095Lz或MD=095LZ (10) 上盟下端固接、上端铰接的柱 150Lc式中：Z为截面模量。：端同接J二端与板连为整体 生100Lc 上盟紧凑型截面可通过假定

15、截面的完全塑性(zp)来设计，半紧凑型截面使用完全弹性截面特性，且对 于长细截面需要考虑可能发生的面外屈曲以及剪力滞效应。因而需要对腹板或者翼板的有效面积进行折减。对于高厚比(长细比)(d)小于55的钢梁，截面的设计抗剪极限强度为：V，=O95vydt (11)式中：码为限制剪应力。 对于长细比(dt)小于55的腹板全部抗剪能力可假定为：，D。=笔 (12)43对于腹板高厚比(dt)大于55的，需要考虑由于腹板屈曲影响带来的强度的折减。 此外，疲劳问题是影响钢构件性能的主要因素之一，它受构件应力波动幅度(最大的应力变化范围，与最大应力不同)、结构的几何尺寸以及应力循环次数的影响。产生破坏的应力

16、范围随着荷载循环次数而变化。 对于设计来说，最重要的是如何获得最大抗疲劳特性。要达到此效果，就需避免刚度或者截面厚度的突变、桥梁工程非熔透焊接、间隔焊接以及局部设置附加装置等。 23组合特性组合结构的组合特性要考虑两个基本问题，即材料之间的差别和材料之间的连接。 在工作荷载或者正常使用荷载作用下，结构通常处于弹性阶段，而模量比就是材料的弹性模量的比值。对钢混凝土组合结构，模量比就是；P F疗2等或行一等 (13)这个比值在620之间变化，取决于使用的是混凝土的短期特性Ec还是受收缩徐变等影响的长期特性Ec。组合结构两种材料交接面的连接是至关重要的。组合截面交接面处传递的力的大小跟结构的内力变化

17、 率有关系。纵向剪力流Q。可用下式计算：Q。=掣N如吡 (14)考虑一个简单的组合梁，在承载能力极限状态下，假定它承受着如式(5)所示的最大外力，从支承处到跨 中的单位长度板，其内力的最大变化为：F=04丘阮或F=O57bt而此阶段的剪力流为：FQ1=2- (15)L如果截面发生明显的塑性变形，那么可认为剪力流是均匀的。由式(14)可知，对于简支梁。板内力的变 化率与弯矩或者剪力的变化率成比例。对于大多数截面。剪力键一般应该按照剪力图布置，规范容许与弹性 剪力分布有lO20的差异。Q。=半 (16)24剪力键组合结构的物理力学性能不仅受到自身材料性质的影响，而且与材料接合面间的连接形式有着很大

18、关 系。连接形式的选择要考虑结构性能的要求、施工条件以及接合面的受力特点等。连接形式也有多种多样， 各细部构造也不相同，我们通常称之为连接件或剪力键，其大致可以分成黏结型、胶结型、摩擦型以及连接 件型8。抗剪连接件的形式很多，按照变形能力可分成刚性连接件和弹性连接件两大类。刚性连接件包括方钢、 T型钢、马蹄型钢或开孔钢板等连接件，而栓钉、弯筋、角钢、锚环、摩擦型高强螺栓等则属于弹性抗剪连 接件。刚性抗剪连接件呈现的是刚性连接性能，滑移刚度很大，作用在混凝土上的支压应力为均匀分布，通常 用于不考虑剪力重分布的结构。极限状态时，两个连接件间发生混凝土剪切破坏，或者连接件前面的混凝土 被压坏。刚性连

19、接件具有很大的抗剪强度，可是一旦达到强度后，承载能力将完全丧失，容易导致脆性破坏。 弹性抗剪连接件是指连接件的弯曲刚度较小(相对于刚性连接件而言)，随着弯曲变形可以产生一定的 滑移变形，如栓钉(圆柱头栓钉)，在承载能力极限状态下它容许有明显的位移或者滑移。栓钉作为圆形断面，作用在混凝土上的支压应力无方向性，并且焊接又较容易，因而被广泛使用在桥梁结构中。 弹性抗剪连接件还有衍生或者变化的形式，如柔性连接件和刚度滞后型连接件，可以统称为组合抗剪连接件。此类剪力键往往用在支座附近的负弯矩区。 在进行剪力键的承载力计算时，通常习惯地将其分类为柔性剪力键与刚性剪力键，各自的力学特性有所不同。(1)柔性剪

20、力键以延性方式工作，在承载能力极限状态下它容许明显的位移或者滑移。所需的剪力键 数量(N。)根据承载能力极限状态下单个剪力键的抗剪能力来确定，将纵向剪力分配到各个剪力键上。 (2)刚性剪力键的失效形式多为焊缝开裂，或混凝土的局部压溃破坏。剪力键的强度与一系列的变量有关，2010年现场技术交流会论文集包括材料强度、刚度(剪力键的、钢梁的以及混凝土的)、剪力键的宽度、高度以及间距等。 3非线性有限元分析方法31混凝土的本构关系 设压缩状态下的混凝土在初期屈服前为线弹性材料，而后等方向硬化到Kupfer的双向加载界限曲面，最后等方向软化，达到用应变定义的破坏曲面后释放应力。则单向受压混凝土的应力一应

21、变关系如图5所 示，即：oE占 o冬fc盯一跺一是e2 甄盯正 石盯=正(卜7嚣) 口 (17)式中：Ef为混凝土弹性模量；e。为对应于单向承压强度的应变，即。=zLE；e。为承压极限应变；s、刁分别为初期屈服应力 系数及其对应于e。的应力降低系数。0 eo 岛 设单项压应力盯超过初期屈服应力厂，后，应变为弹性应变e， 与塑性应变g。的和，依据式(17)，硬化段的应力与塑性应变的关系 图5压缩状态下的应力一应变曲线 为下式：目一一7妇节叭驯誊 ，e，_1一矗exp一5(qn-q帕) e，加 (23)桥梁工程Warnke五参数破坏曲面； (3)使用弥散固定裂缝模型，每个高斯积分点上最多可以有三条

22、互相垂直的裂缝。Abaqus中对于混凝土计算有两种模型，一个是弥散式断裂模型(Smeared Crack Model)；另外一种是塑 性损伤模型(Concrete Damaged Plasticity)。321弥散式断裂模型 在受压区的屈服面由下式定义：工=q一3盘。户一3玉 (24)式中：g为等效Mises偏应力张量；P为有效压应力张量；又为一个由应力一塑性应变定义的硬化参数。 在受拉区，可用应力一应变曲线或应力一位移曲线来定义其受拉行为。 塑性流动为关联流动，流动法则由下式定义：der=“1+co(尝)2警 (25)322塑性损伤模型 和弥散断裂模型相比，这种模型主要有以下一些改进：(1)

23、将损伤指标弓f入混凝土模型，对混凝土的弹性刚度矩阵加以折减，以模拟混凝土的卸载刚度随损伤 增加而降低的特点；(2)将菲关联硬化Drucker-Prager引入混凝土弹塑性本构模型中，以期更好的模拟混凝土的受压弹塑 性行为。33黏结滑移模拟331黏结的机理 钢筋与混凝土能协同工作是通过钢筋(钢材)与混凝土的黏结应力，实现钢筋(钢材)与混凝土之间的应力传递，使两种材料结合在一起共同工作。黏结应力由三部分组成： (1)混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力； (2)混凝土因收缩与钢筋(钢材)产生的摩擦力； (3)混凝土与钢筋(钢材)表面的机械咬合力。自从1984年Roeder通过实验归纳出黏结滑移公式以

24、来，国内外对于钢筋一混凝土，型钢一混凝土，钢 管一混凝土的黏结滑移研究方兴未艾。就目前的研究现状来看，黏结滑移性能主要影响因素有以下几个 方面：(1)混凝土的强度，包括受拉强度； (2)构件中混凝土的保护层厚度； (3)构件中钢筋(钢材)的几何尺寸； (4)钢筋(钢材)的锚固长度。通常在有限元模拟黏结时既要考虑试验数据，同时也可参考一些相关研究的经验公式。由于需要对大 量界面节点进行操作，所以黏结滑移的模拟一般仅限于应力复杂区域的细部分析。332有限元建模 当不考虑黏结滑移影响的时候，采用共用整体式建模，即混凝土的节点和钢筋(钢材)的节点相同。若考虑黏结滑移影响，可采用分离式建模。通过节点对之

25、间建立非线性弹簧来模拟黏结滑移关系曲线。4连续梁桥设计要点 连续梁桥具有设计较为简便、经济性好、整体刚度较大、高跨比较小、行车平顺等诸多优点，是目前应用最为广泛的桥型之一。但此种结构在墩顶连续处会产生负弯矩，导致混凝土板中产生较大的拉力，粱的下翼 缘产生压力，降低了组合结构的效率，且中墩支座会将产生较大的剪力及弯矩，需考虑剪切弯曲的相互作用。464 2010年现场技术交流会论文集41弯矩一剪力相互作用 梁的最大设计抗弯能力(MD)可通过包括腹板的截面特性算得。梁最大设计抗剪能力(VD)可通过包括顶底板在内的截面特性算得，且加劲翼板可提高主梁的抗剪能力。弯矩一剪力相互作用主要发生在腹板的 受拉区

26、，该处腹板在倾斜剪力的作用下，在某些应力集中部位易发生屈曲，而导致结构局部失稳，若翼板较 刚、受拉区较宽，则可提高其抗剪能力。如果计算梁的抗弯能力时忽略腹板的贡献(M，)，则无相互作用，腹板使用全抗剪能力。若腹板使用计 算抗剪能力y。，但不计翼板的相互作用，则可使用结构整个截面的全部抗弯能力。对于完全相互作用式 (26)和式(27)J，我们假定在作用一半V。时，主梁能承受全部弯矩，在作用一半Ms时，主梁可以承受全部 剪力。甍+(-一麓)(甓一，) ，V-一-F(1一涤)(焉一) ，42弯矩削峰弯矩削峰通常用于混凝土结构，从支承板到中性轴荷载存在分布过程图6(a)J，但对于钢梁，由于其受 压路径

27、须沿其加劲肋以防钢板的屈曲，故荷载的分布方式不甚明晰。若加劲肋为单肢加劲肋，则弯矩削峰作r土叫 向，。用很小，对于多肢加劲肋，则荷载的分布范围较大图6(b)。弯矩的折减值M，可按下式计算：J I，t。jj，jjI?(a)混凝上结构 (b)钢结构 图6 弯矩的削峰=掣 (28)5式中：R为支反力；a为有效支承长度。 43混凝土的开裂连续梁墩顶处的混凝土板处于受拉状态，若拉应力大于混凝土的抗拉强度，则会产生裂缝，混凝土中的 力就会传递到钢筋上。对于施工过程中混凝土荷载最初由钢梁截面承担的结构，板中所配钢筋的应力将低 于钢梁截面中的应力，如图7所示。圈7桥面板负弯矩区的累计应力桥梁工程 465混凝土

28、板中裂缝的数量以及宽度取决于钢筋的应力。在正常使用极限状态下，英国规范嘲的裂缝限制 宽度(叫)为：叫=3a，e。 (29)式中：口，为钢筋到计算裂缝处的距离；e，为该点的应变。 设计时可按限制应力重新整理公式：疋=墨竺 、7o6s对于欧洲规范IoJ，计算限制应力的方法类似，对于钢筋间距(S)为200 1T11TI或者小于200呦的限制应力为：200一Or4f,tbh (31)式中：厶为混凝土的抗拉强度；口为组合截面以及非组合截面的面积(Aj)及惯性矩的比值：口：绘磐口一T耵F (32)纠该规范也推荐了最小配簏粱：A。=o9k，号锡h (33)J s该应力f根据钢筋直径而定，钢筋越小，应力越高。

29、对于直径20 mm及以下的钢筋，厂d厂J可取001。 对于大部分的梁桥及板桥，k，为10。44预应力组合结构设计 预应力组合结构中会产生附加应力，使得可施加的活载范围更大。附加应力是由受轴力和弯矩作用的构件产生的。轴向应力的大小可简单的用预加力大小除以组合截面面积大小求得：一 (34)弯曲应力是由预加力形成的弯矩作用而成的， 袭2预应力钢一混凝土组合结构的极限应力 预应力形成的弯矩增量取决于距截面中性轴的距离 施T阶段 承载能力极限状态 正常使用极限状态 的大小(连续梁结构更为复杂)： l。Q95f。 4f，混凝土浇筑阶段，P。P l。飞95f，Pz2弓一 (35)6w f4o95f。 l。，

30、同其他钢一混凝土组合结构一样，需要考虑各 l。95l， lc内tf。 个施工阶段的影响。对于预应力组合结构来说，预 预应力转换阶段 fc一1 MPa 应力转换至结构的阶段是很重要的。承载能力极限 ffQsk fpo8厶状态和正常使用极限状态都需要考虑。表2列出了 fpdO95f h预应力主梁的极限应力。在正常使用极限状态下， f。dO95f。： flf，剪力面在预应力作用下附加了纵向剪力，因此也需 满荷载阶段 f。Q95t， f c心3f。要进行检验，普通钢一混凝土与预应力钢一混凝土 f。一25 MPa组合截面应力比较如图8所示。 fpdO95f“ fpd0、5结语本文先后介绍了国内外对于钢混凝土组合结构的研究现状，结构特点以及相关设计规范的发展情况， 阐述了组合结构所用材料的力学特性，并给出了组合结构的非线性有限元分析方法，最后概要说明了组合结 构连续粱桥的设计要点，以供工程人员参考。 _蜀一萼 i