连载丨钢管混凝土组合桁架桥梁应用与探讨（1）

1   钢管混凝土桁架梁式桥常见结构形式

随着对桥梁结构跨度承载力要求的不断提高，提升桥梁结构承载力利用系数变得越来越迫切，提升桥梁结构承载力利用系数的核心是降低结构自重、提高结构承受荷载中活荷载和恒荷载的比值。降低结构自重的途径一是开发新型高强材料，二是研制新型结构体系。

在开发新型高强度材料方面，超高性能混凝土是近年来发展迅速的一种高强度混凝土材料。其抗压强度已达到150 MPa以上。不完全统计，全球有100多座桥梁使用了UHPC材料，其中Skyway的主跨达到156 m，此为捷克拉贝河大桥；跨度36.8 m的UHPC全预制天道在我国湖南长沙建成，混凝土强度达到400 MPa；分析表明，UHPC箱梁的自重仅为传统PC箱梁自重的40%~50%。在钢–混凝土组合梁中，钢–UHPC轻质组合梁的抗裂性是钢–预应力混凝土组合梁的4倍，承载力是后者的2.45倍，自重仅为后者的47%。在新型结构体系方面，顶板占总重量40%~50%、承受车辆荷载及抵抗弯矩，且需满足纵向预应力设置要求；底板占总重量20%~25%，在连续梁底部承受负弯矩，需满足纵向底板预应力钢束设置需要及施工要求；基于此，在几经优化后欲使箱梁顶、底板进一步轻型化较困难，目前在新型结构体系方面，主要针对占总重量30%~40%的腹板进行优化。国内外对箱梁腹板优化采取了以下几种方式和途径。

1.1   优化混凝土实体腹板

通过设置竖向预应力钢筋，在减小荷载产生主拉应力的同时，减小了混凝土腹板的厚度；在不影响结构要求的情况下，应沿桥梁轴线和高度方向使用可变厚度，以尽量减少腹板的重量。这2种方法目前在实际工程中得到了广泛应用。

1.2   采用钢腹板+混凝土顶、底板的复合结构

采用平板钢板或波纹钢板作为腹板，并与混凝土底板和顶板形成新的复合结构；这2种组合结构都是由国外提出并实施的，显著提高了大桥的通过能力，尤其是钢波纹腹板箱形组合连续梁。

1.3   腹板采用替代腹板系统

所谓“替代腹板系统”是指使用构件和混凝土顶板和底板形成桁架，或使用带孔腹板代替实心腹板，从而减轻腹板重量；用于代替腹板的构件可以是混凝土构件或钢构件；这种类型的代表性桥梁是科威特Bubiyan大桥，共59跨，分为11个部分。每段由5或6个跨度组成，最大主跨度为53.84 m，其他标准跨度为40.16 m。该桥的腹板构件为预制混凝土构件，每节由预制腹板构件、现浇顶板和底板组成，形成一个组装节。每个跨度由几个组装段组成，这些组装段通过干接头和纵向预应力钢筋形成一个标准跨度，每个标准跨由2个1.84 m长墩顶节段和8个4.56 m长标准节段组成，该桥较传统箱梁。节省混凝土20%、节省预应力钢材30%。

基于上述腹板优化方法，空间钢管混凝土桁架梁桥是一种新的桥梁结构形式，其充分考虑了钢管混凝土的优良性能，空间框架的强扭转刚度，利用钢结构平移来架设早期骨架，然后是钢结构骨架支撑，以及桥面的建造。空间钢管混凝土特拉斯结构腹板的优化方法也是“换腹板”方法之一。其典型的基本结构单元是规则的方形金字塔（图1）。下弦和下弦为钢管混凝土，腹板构件为空钢管构件，桥面为后浇混凝土。

图1  典型空间钢管桁架梁式桥结构