我国钢·混组合结构桥的应用与发展.ppt

我国钢混组合结构桥的应用与发展,中国工程设计大师王用中,我国钢混组合结构的应用与发展,钢混组合结构桥概述 我国应大力发展钢混组合结构桥 钢混组合结构桥在我国的应用,我国应大力发展钢混组合结构桥,我国应大力发展钢混组合结构桥,我国已成为桥梁大国，经济的发展要求建设更多的桥梁。我国桥梁总数远远超过世界上任何一个国家。到2010年我国公路桥梁数量将达65.81万座。到2020年我国铁路运营里程将达12万公里以上。我国各种桥型大跨径桥梁的跨度记录均居世界前列。,环保、节能和实现可持续发展是使社会经济同能源、资源、环境实现良性循环的措施，是社会发展与自然关系的协调与保证。中国混凝土产量（未计港、澳、台地区）1998年是13亿m3，而到2003年则达到15亿m3，2005年统计我国工程用混凝土总量更达24亿m3,占世界混凝土总量的40-60%，2012年砼用量更达40亿m3，其耗用砂、石、水泥用量巨大，而水泥、骨料的生产让我们国家付出了沉重的环保代价。工程界有识之士正在大力呼吁采用高性能高强混凝土、采用钢-混组合结构，推广钢结构，以彻底改变我国工程结构以混凝土为主的现状，以与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。,预应力混凝土桥梁由于施工工艺的局限而普遍存在质量问题，大量混凝土的应用，也让我们为之付出了沉重的环保代价。,残缺的青山绿水,从产量规模上看，中国是世界粗钢产品的最大产出国，2008年粗钢产量超过6万吨，占世界总量的49%,中国钢铁产量连续12年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家。中国钢铁产量比排名2-8位的日本、美国、俄罗斯、印度、韩国、德国、乌克兰等七个国家的总和还多！,chart1：近年世界与中国粗钢产量（IISI）,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.8,2.2,2.7,3.5,4.2,4.9,6.6,0,2,4,6,8,10,12,14,1996,1998,2000,2002,2004,2006,2008,中国,世界,（除中国）,Chart2:2008年世界粗钢产量前9国家比对（IISI）,中国,6,6,日本,1.19,美国,0.91,俄罗斯,0.69,印度,0.55,韩国,0.53,德国,0.46,巴西,0.34,乌克兰,0.37,VS,2008年中国粗钢产量超过6亿吨，占世界总量49%，相当于日本的4倍，美国的5倍，德国的11倍！2012年中国粗钢产量更达7.16亿吨，稳居世界首位。,“十二五”期间年复合增长率达到17.23%。,“十二五”期间年复合增长率达到12.53%。,“十二五”期间年复合增长率达到20.71%。,钢和混凝土桥梁的比较,复合结构可利用的效果,法国组合梁桥在不同跨长上的分布率,钢混组合结构桥概述,钢-混组合结构定义,在型钢或钢板焊接（或冷压）钢构件，上面、四周或内部浇筑混凝土，使混凝土与钢构件形成整体，共同受力的结构，统称为钢-混凝土组合结构。由钢梁和混凝土板通过连接件连成整体而共同受力的承重构件是为钢-混组合梁。,钢-混组合结构的优点,钢-混凝土结合梁桥在中等跨度(2090m)桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是：组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，因而具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。与钢桥相比有：节省钢材；降低建筑高度；减少冲击，耐疲劳；减少钢梁腐蚀；减少噪音；维修养护工作量较少等。与混凝土桥相比有：重量较轻；制造安装较为容易；施工速度快，工期短等。,组合结构桥梁在国外的发展（1/4）,1950年前后欧美及日本等国开始发展组合桥梁研究；二战后，20世纪60年代，欧美及日本等国的桥梁建设黄金期间，组合结构桥梁以其整体受力的经济性、发挥两种材料各自优势的合理性、便于施工的突出优点而得到广泛应用，大量各种形式的组合结构桥梁建成；,组合结构桥梁在国外的发展（2/4）,20世纪70年代，欧美及日本等国家又投入大量资金进行基础性理论研究及试验，制定组合结构规范；目前国外几个主要规范都包含组合结构桥梁设计部分，如：EURO CODE、BS5400、DIN、AASHTO等；同时，在深入研究的基础上，结合工程实践，发展了一些新的设计方法和施工工艺；,组合结构桥梁在国外的发展（3/4）,20世纪80年代以来，国际桥梁及结构工程协会（IBASE）多次召开国际学术会议，对组合结构桥梁在研究、设计、施工等方面的发展进行交流和研讨，进一步促进了组合结构桥梁的发展；在法国，组合结构桥梁最具竞争力的跨径范围为30110m，跨度在40100m范围内的公路桥梁中85都是组合结构桥梁；而TGV高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例占45，之后建设的高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例更高；,组合结构桥梁在国外的发展（4/4）,英国，大多数20160m及以上跨径的公路桥，组合结构桥梁竞争力很强；德国及美国组合结构桥梁应用更广泛；总之，组合结构桥梁由于其整体受力的经济性、发挥钢与混凝土两种材料各自优势的合理性、以及便于施工的突出优点，在欧美、日本等国的桥梁建设中占有重要地位，德国、美国的应用范围更加广泛，取得了世人瞩目的成就。,组合结构桥梁在国内的发展现状（1/2）,在国内，三十多年来：一方面，在寻求跨度突破的巨大技术需求推动下，大跨度桥梁得以快速发展并屡创世纪记录；另一方面，在大量中小跨度桥梁中，混凝土及预应力混凝土的桥梁占据绝对数量优势；组合结构桥梁的技术水平落后于国际先进水平。,组合结构桥梁在国内的发展现状（2/2）,形成中国组合结构桥梁的研究与实践都与其国际发展水平有明显差距的认识原因有：钢结构或组合结构的造价高、养护费用高；钢材较贵，同时我国劳动力费用较低；而深入研究表明：同等的设计理论、方法以及当前国内施工水平，在40100m甚至更大的跨度范围内，组合结构完全可以在造价上与预应力混凝土竞争。,组合结构桥梁发展展望,西方国家在40100m跨度的桥梁，甚至更大跨度范围的桥梁中，组合结构桥梁已经显示出技术经济上的优势。组合结构桥梁在国内完全可以表现出经济竞争力。国内在组合结构的发展过程中必须充分重视经济性，失去经济上的竞争力就不可能获得良好的发展前景和发展动力。,组合结构设计理念,长江三峡库区向家坝大桥为43.3m+72.2m+43.3m三跨连续钢桁架组合梁，其材料费用指标与附近基本相同跨径、桥宽、桥高的峡口二号大桥对比如下表：,法国不同跨长PC梁桥与组合梁桥的造价对比（1995年）,组合结构桥梁的主要分类,组合钢板梁桥组合钢箱梁桥组合钢桁梁桥钢桁腹杆组合梁桥波形钢腹板箱梁桥除梁桥外，组合结构还广泛应用于斜拉桥、拱桥与悬索桥等桥型中，钢管混凝土拱桥即为很好的例子。,新型组合梁桥少I字梁桥,少I字梁桥因I型梁数量少组合桥面板或预应力桥面板径增大，主梁减少从而实现横梁、横隔的结构简化。,经济适用跨度,少I字主梁桥与传统的多主梁桥比较示意如下,新型组合梁桥少I字梁桥,新型组合梁桥少I字梁桥,设定传统多主梁桥各项目指标为100时，相应少I字主梁各项目指标百分比,新型钢桥架设实例少I字梁桥,由于采用少I字梁组合桥面板，故可不用主体工程支架。由于采用了厚钢板，提高了屈曲强度，由于组合桥面板的采用，可提高横向刚度，使顶推施工得以实现。,紀勢大橋（大内山川橋）,新型组合梁桥开口断面箱梁桥,开口断面箱梁桥上翼缘构件类同I字梁，在桥面板做成后成为闭断面箱梁桥。因腹板间距较大多使用组合结构桥面板导致纵梁，导致纵横梁等桥面板大量简化、省略。,经济适用跨度,与传统主箱梁相比开口断面箱梁桥比较结果示意如下,新型组合梁桥开口断面箱梁桥,新型钢桥架设实例开口箱梁桥,由于主梁构造优化致构件数量减少，组合桥面板的采用以及底板具有补强功能，导致顶推牵引施工的可能性。,雄物川橋,设定传统主箱梁桥各项目指标为100时，相应开口断面箱梁桥各项目指标百分比,新型组合梁桥开口断面箱梁桥,组合钢箱梁桥的优点,组合钢箱梁桥具有抗扭能力强、整体性好、适合曲线以及更能适应大跨等特点，已经 有大量的公路、铁路组合钢箱梁桥建成。目前连续组合箱梁桥最大跨度已超过200m，单箱桥面宽度超过30m。,新型组合梁桥窄幅箱梁桥,窄幅箱梁桥的箱梁幅宽较传统的箱梁要窄，另一方面翼缘板加厚故使箱梁内部构造简化（箱梁内纵肋减少，横肋取消），又因采用组合结构桥面板或预应力混凝土桥面板从而导致桥面板构造的简化与合理化。,经济适用跨度,窄幅箱梁桥与传统的宽箱梁桥的比较示意如下,新型组合梁桥窄幅箱梁桥,设定传统的宽幅箱梁桥各项目指标为100时，则窄幅箱梁与之相比指标为：,新型组合梁桥窄幅箱梁桥,新型钢桥架设实例窄幅箱梁桥,伴随主梁构造的优化，纵梁承托和桥面板等构造的省略，架设工期可望缩短。,町屋川橋（員弁川橋）,组合钢桁梁桥以其更能适应大跨与重载的特点获得发展与竞争力,在德国的铁路桥中，有较多的组合钢桁梁桥，如：主跨208m的Nantenbach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。丹麦的公铁两用厄勒海峡桥的引桥采用了主跨140m的等高度组合钢桁梁桥，采用全截面预制整孔吊装法施工。日本主跨155m的小白仓公路桥是采用预应力混凝土桥面板的组合钢桁梁桥；西班牙主跨170m的Sil桥钢桁梁采用顶推法施工。,法国Boulonnais高架桥，首座钢桁腹板组合梁桥。架设从1997年1月开始，至1997年12月底完成。Boulonnais高架桥由三座高架桥组成：Quehen高架桥跨径布置为（44.5+577+44.5）m，梁高5.5m；Herquelingue高架桥跨径布置为（52.5+277+52.5）m，梁高5.5m；Echinghen高架桥桥跨布置为（44.5+377+93.5+5110+93.5+377）m。,法国Bras de la Plaine桥是一座跨越深谷河流的公路桥，1999年开始施工，2001年竣工通车。该桥为单孔刚构，跨径280m，全长305m，桥宽11.9m；变截面，跨中梁高4m，桥台根部梁高17.4m。,法国Arbois桥建于1985年，跨越Cuisance河，等截面三跨连续公路梁桥，跨径布置29.85+40.40+29.85m，桥梁全长100.1m，桥面宽度11.0m。,组合钢桁梁桥（钢桁架梁混凝土桥面板）,Korntal-Munchingen Bridge(Germany)总长:300m;9 跨;最大跨径41 m。,德国Nantenbach桥，主跨208m的双线铁路桥，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。,日本的Kinokawa高架桥为4跨连续钢桁腹杆混凝土组合梁桥，全长268m（=51.85+285.0+43.85m），桥宽10.5m，主梁采用梁高为6m的等截面，腹杆采用钢管（直径为406.4，t=9.522mm），2003年建成。,组合桥施工,对于组合钢板梁、组合钢箱梁、组合钢桁梁，施工普遍采用先架设钢梁、再施工桥面板的方法。当跨度较大时多采用吊索支架辅助施工。混凝土桥面板主要采用现浇和预制两种施工方法。组合结构桥梁在形成整体结构的过程中，施工方法与过程不同，最终的结构受力状态也不同，需要通过一些施工措施改善结构受力状况。,特殊的安装方法实例主桁钢构桥悬臂施工,桥墩周围设作业区，用一台吊机作构件吊运架设。,架设步骤图,钢混组合梁桥在我国的应用与发展,钢混组合梁桥应用记录钢混组合梁桥在港珠澳大桥的应用波形钢腹板PC箱梁桥方兴未艾的发展,钢混组合梁桥应用记录,我国已建的较大跨度钢混组合梁桥一览表,上海长江隧道桥,上海长江隧道桥,钢-混凝土组合结构连续箱梁位于北港主通航道桥两侧，跨径组合为85510590m两联双幅共28孔，全长1400m。组合梁位于平曲线向直线过渡范围内，南侧联由曲率半径R=8000m曲线过渡到直线，北侧联由直线过渡到曲率半径R=7000m曲线，两侧纵坡均为2.5%。组合梁由钢槽型梁与桥面板组成，钢槽型梁底板宽7.0m，顶板宽10.35m，高4.5m，中间设钢管横撑，间距为5.1m。桥面板由中板与边板组成，板厚为0.5m，中板长8.11m，边板长3.295m，中板、边板宽2.14.5m，纵向现浇缝宽1.125m，横向现浇缝宽0.60.97m。,江苏平陵大桥,江苏平陵大桥,主桥采用(71+110+71)m三跨变截面连续钢混组合梁，左右分幅，主桥桥梁宽度33.5m。钢梁为变高度U 形断面，采用双箱单室，单个钢箱宽4.25m，箱间净间距4.22m，桥面设2%的单向横坡，钢梁顶板宽600mm，厚度为25mm；钢梁底板宽4350mm，厚度根据受力区域不同，分别为30mm和40mm（钢板在箱梁外侧对齐），其加劲肋也根据受力区域不同而采用不同形式，在墩顶两侧各23.5m的长度范围内，采用形式，高270mm，厚20mm，间距760mm，其它区域为扁钢加劲肋，高250200mm，厚2012mm，间距380mm。,东莞白沙立交第二联原设计方案,白沙立交第二联上跨广深高速，钢-混凝土组合梁连续刚构桥，桥梁跨径布置64+100+80=244m，上部构造采用变高度预应力钢-砼组合梁，钢箱梁为U型断面，梁高1.84.0m；单幅桥梁总宽13.25m，平面弯曲半径600m。,钢混组合梁桥在港珠澳大桥的应用,港珠澳大桥桥梁主体工程,港珠澳大桥桥梁主体工程,总体布置,港珠澳大桥桥梁主体工程,上部结构设计,港珠澳大桥桥梁主体工程,上部结构设计,港珠澳大桥桥梁主体工程,上部结构设计,港珠澳大桥桥梁主体工程,钢梁应力,港珠澳大桥桥梁主体工程,钢梁应力,港珠澳大桥桥梁主体工程,主梁应力汇总,港珠澳大桥桥梁主体工程,港珠澳大桥桥梁主体工程,上部结构施工,港珠澳大桥桥梁主体工程,波形钢腹板PC箱梁桥方兴未艾的发展,我国在建、已建的波形钢腹板PC桥,南昌赣江朝阳大桥,南昌赣江朝阳大桥,南昌朝阳赣江大桥是江西南昌市跨越赣江的一座特大桥，其跨径设置为：2（49+50+49m）+（79+5 150+79m）+2（4 49m），全长1596m，为波形钢腹板PC桥。,在我国波形钢腹板PC箱梁桥的应用发展中，南昌朝阳大桥将会起到里程碑的作用。据初步设计分析，我认为南昌朝阳大桥有一定技术难度与亮点：波形钢腹板PC组合箱梁桥的应用规模将为世界之最；79+5150+79m跨波形钢腹板PC组合六塔斜拉桥为当前最长的波形钢腹板PC组合斜拉桥；宽达45.84m的波形钢腹板单箱四室断面可与日本矢作川桥类比，属宽箱多室。非通航孔50m跨波形钢腹板PC组合箱梁桥应用将有力地促进组合梁桥在我国中小跨径桥梁中的应用。,南昌赣江朝阳大桥,洛阳吉利黄河桥,洛阳吉利黄河桥为洛阳市310国道至吉利区新建公路跨越黄河的节点工程，大桥按双向四车道城市快速通道标准设计，单幅桥宽12.5m，设计荷载公路-级，桥梁总长2426.12m，桥跨设置自洛阳市市岸起为：(48+1280+48)m+340m+8440m+340m。其中，（48+1280+48）m主桥为波形钢腹板PC连续梁桥，而34孔40m引桥则为波形钢腹板PC组合连续箱梁，全长2426.12m的波形钢腹板PC桥创造了同类桥梁建设规模的世界之最。,洛阳吉利黄河桥概况,340m+8440m+340m的波形钢腹板组合连续箱梁桥的设计则很有创意，设计为等截面预制安装现浇连续梁，其典型断面如下图所示。图中，蓝色部分为预制波形钢腹板先张预应力混凝土工字梁，可在工厂预制，运至现场起吊安装，单榀梁重约为114T。安装到位后借梁上挂模现浇顶底板连接混凝土（图中灰色），形成波形钢腹板组合箱梁。,吉利黄河桥典型断面图,洛阳吉利黄河桥概况,步骤1：预制波形钢腹板工字梁,步骤2：安装波形钢腹板工字梁,步骤3：现浇顶底板混凝土，形成波形钢-混组合箱梁,波形钢腹板PC箱梁桥制作、安装程序,其制作、安装程序如图9所示。,制作、安装程序如下图所示。,制作、安装程序,设计中曾将本设计方案与部颁40m跨预应力混凝土T梁标准图每平方米材料用量指标做了对比，对比情况如表9。,40m跨波形钢腹板桥与40m跨预应力混凝土T梁桥材料用量指标对比,较之PC T梁，波形钢腹板组合箱梁还具有吊装工作量少、构件轻、整体刚度大、抗震性能好等一系列优点。,材料对比,据统计，当跨径为30m至110m，特别是60m至80m范围内，钢-混组合桥的单位面积造价要低于混凝土桥18%，在这个跨度范围内，法国近年建造的桥梁中有85%都采用了钢混组合梁。而吉利黄河桥的设计表明：波形钢腹板组合预应力砼箱梁与一般预应力砼箱梁或一般钢混组合箱梁相比，具有更好的经济型与施工便易性，应成为我国30m60m跨常用的推荐桥式。,邢台装配式波形钢腹板PC小箱梁桥,新结构,新结构,新结构,底箱内设置连接件，压注水泥混凝土或布置预应力钢绞线，确保底箱刚度和稳定性。腹板采用波形钢板，解决了纵向拉伸延缩、竖向稳定。顶板为钢混复合结构，采用了高强聚合物界面连接喷涂胶和“”型钢筋连接件与钢筋焊网焊接，浇注聚合物纤维混凝土使钢顶板与钢筋混凝土网固结成一体、永不分离，共同受力。底箱连接件与上下钢板焊接在一起，微膨胀自密水泥砼，泵送压密，保证了水泥混凝土对钢绞线和连接件的握裹力量，确保了受力均布和力的有效传递。底箱内的水泥混凝土，有钢板围合抱裹，支撑了钢箱、使混凝土处在约束状态下工作，实现了受力的良好传递。,聚合物纤维混凝土,聚合物和聚合物纤维水泥混凝土用于桥面。聚合物界面连接喷涂胶钢与水泥混凝土的高强度连接，将钢与水泥混凝土复合成一个整体。与钢的粘接强度：15MPa与混凝土的粘接强度：5.25MPa,聚合物纤维混凝土,聚合物纤维水泥混凝土具有高抗裂、高韧性、耐腐蚀、长寿命等特点。,装配式组合钢箱梁桥的经济性,与现行钢桥相比，其建造成本为钢桥的一半，以桥长500m的4车道高速公路桥计算，可节省成本约4200万。与钢筋混凝土桥梁相比，装配式组合钢箱梁桥的建造成本相当，但其结构自重轻，总重不超过钢筋混凝土桥梁的约40%，基础结构费用至少降低50%。,广东洛溪二桥方案的思考,广东洛溪二桥方案的思考,石板坡复线桥位于老桥的上游侧，两桥中心线之间相距25m。新桥宽19m。新老桥顶板翼缘相隔5m。设计的基本思路是将新桥与老桥并排布置，新桥也采用86.5+4138+156+174+104.5m的桥跨布置。为能满足通航要求，决定取掉156m和174m跨之间的桥墩，这就使主跨跨径达到了330m。,石板坡复线桥设计思路：,广东洛溪二桥方案的思考,假设上部结构为等截面梁，将其分成3等份，每份长110m，跨中部分的自重集度为P1，两端部分的集度为P2，如图所示。主梁根部的负弯矩为4369P1+4706P2。而钢箱梁的重量大约相当等效混凝土梁自重的30%，即P1=0.3P2，梁端负弯矩将会减小大约1/3，330m跨径梁桥根部弯矩大约相当于270m全混凝土梁桥根部弯矩。很明显，270m跨的混凝土梁桥在目前的技术水平条件下是合适的。,广州洛溪二桥方案的思考,旧洛溪大桥主跨桥孔设置为65+125+180+110m，类同重庆石板坡大桥要求主跨要达到305m。3052=93025 2702=72900 2702/3052=0.78若上部构造改为波形钢腹板PC梁，重量减少20%30%。305/270=1.13，即跨度增大13%，技术风险不大。采用两项技术措施：根部腹板外贴钢板 跨中腹板用波形钢腹板取代混凝土腹板只有利而无弊。,广州洛溪二桥方案的思考,关键问题为组合腹板剪切受力设计拟假定钢板与混凝土里衬共同受力，剪力按两者折算面积分配，剪切验算按波型钢板、混凝土里衬分别进行，连接按钢板、里衬承担剪力之大值计算。,