曲线钢与混凝土组合梁结构理论

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第1章 绪论
　　曲线钢与混凝土组合梁（简称曲线组合梁）是一种通过剪力连接件将曲线钢梁与混凝土板连接起来的共同受力、变形协调、截面中心线在水平面内呈曲线形状的梁。曲线组合梁能充分利用钢材所具有的优越抗拉性能和混凝土所具有的优越抗压性能，兼具曲线钢梁、曲线混凝土梁及直线组合梁的特点，其结构形式、受力与变形、施工工艺等相对更为复杂。在国内，关于直线钢与混凝土组合梁的研究相对较多，而对曲线钢与混凝土组合梁的受力性能的研究相对很少，而国外对此的相关研究相对较多。曲线组合梁的结构计算理论研究滞后于工程实践应用，因此对曲线组合梁开展进一步理论研究是十分必要的。本章介绍曲线梁结构应用、组合梁截面构造、组合梁受力与变形，以及曲线组合梁桥的施工工艺。
　　1.1 曲线梁
　　曲线梁是指主梁轴线在平面上为曲线的梁，主要包括曲线钢梁、曲线混凝土梁及曲线组合梁，其快速发展始于 20世纪 60年代，我国很多专家和学者对曲线梁结构进行了研究，并取得了可喜的研究成果[1-6]，具体应用特点如下。
　　（1）道路线形要求。在现代交通网络中，对于道路设计标准的要求越来越高，不仅要求其能满足正常行车顺畅，还需要贴合周围景物、适应地形变化、线形流畅自然及满足美观性能，这些要求只有曲线梁才能满足；在城市建设中，高架桥和立交桥越来越多，曲线梁可以作为多个方向的交通连接枢纽，缓解一些交通紧张状况，节省用地，使其整体性更好、更优雅；在山区修建公路时，一些周围山峰会对公路线形产生影响，若能用曲线梁代替直线梁，道路的延展线就可以大大缩短，不但能降低造价，还能更好地适应山区道路变化；城市中的建（构）筑物和地下的一些管线等会限制道路形状，曲线梁则可以更好适应这些地形要求，从而使得城市建设更加现代化。典型的曲线梁桥见图1-1。目前，国内外的曲线桥梁多数为混凝土桥梁，随着科学技术和经济的发展，出现了曲线钢梁桥和组合梁桥，见图1-2。
　　（a）唐山市甄家庄立交桥（b）丹东市桃源立交桥
　　图1-1 曲线梁桥
　　（a）圣地亚哥-科罗拉多大桥（b）港珠澳大桥
　　图1-2 曲线钢梁桥和组合梁桥
　　（2）节约空间、造型优美。由于曲线梁线形的特殊性，建造时可以适应地形，从而节省了建筑空间，且曲线相对于直线更加流畅，可以给人美好的视觉享受。曲线梁与传统“以直代曲”的梁（将多个直线梁转向几次之后连接而成，受力依旧为直线梁）相比，造价更低，与周围环境的协调性更强。因此，在当今交通网络和城市建设快速发展及大众审美要求更高的时代，曲线梁的应用势必会越来越多。
　　（3）设计计算方法的进步。在曲线梁中，由于曲率的存在，会产生“弯扭”耦合效应，故其结构设计、施工工艺等与直线梁相比更为复杂，而且还有“翘曲”的存在，增加了分析难度。但是，采用有限元分析方法，能够准确地模拟其受力与变形，进行更加精确的分析。
　　可见，随着科学技术的进步和经济突飞猛进的发展，曲线梁结构会越来越多，特别是在桥梁和城市建设中，曲线梁会得到更加快速的发展和广泛应用。
　　1.2 组合梁截面构造
　　钢与混凝土组合梁是通过剪力连接件将钢梁（工字钢、U形钢、箱形钢、钢桁架）与混凝土板（混凝土实心板、混凝土空心叠合板、预应力混凝土板）组合起来而共同受力、变形协调。组合梁充分利用了钢材所具有的优越抗拉性能和混凝土所具有的优越抗压性能，具有承载力高、刚度大、抗振性能好、截面尺寸小及施工快速方便等优点。在土木工程领域，组合梁已经得到了越来越多的应用，特别是在城市桥梁、高架桥梁、高速公路桥梁、铁路桥梁中采用了形式多样的组合梁。目前，国内外许多专家、学者对组合梁的工作性能进行了研究，取得了可喜的研究成果，并将部分研究成果应用到实际工程中，为土木工程结构的发展起到了极大的推动作用。与等截面的混凝土梁相比，组合梁以型钢代替部分混凝土，可以减少结构自重，增加结构的延性，减轻地震作用对结构的危害。另外，因拉力由钢结构承受，可减少构件的截面尺寸而增加有效使用空间，节约模板并减少支撑工序，缩短施工周期，大大降低了工程造价；与钢梁相比，采用组合梁可以减少用钢量，提高结构刚度，提升结构整体性、稳定性、抗火性及耐久性等 [7-13]。
　　随着钢与混凝土组合梁的应用越来越多，其结构构造形式也发生了很大变化，出现了多种截面形式，工字钢（混凝土包工字钢）与混凝土板（组合板）组合梁：钢梁可采用轧制工字钢或焊接工字钢，见图1-3。钢箱梁与混凝土板组合梁：钢箱梁采用钢板焊接而成，有梯形截面、矩形截面，有单箱、单箱多室及分离多箱等截面，见图1-4。蜂窝钢梁与混凝土板组合梁：蜂窝钢梁可以在整体钢梁腹板上切除部分腹板，或者将工字钢沿腹板切成两部分，并切除部分腹板，然后将不同尺寸的切除腹板的工字钢焊接在一起，形成带有蜂窝的整体钢梁，蜂窝有圆形、菱形、四边形、六边形等，这种组合梁具有节省钢材、使用方便等优点，见图1-5。钢桁架与混凝土板组合梁：先将钢杆件焊接成钢桁架结构，再通过连接件将钢桁架上的弦杆与混凝土板连接起来，形成钢桁架与混凝土板组合梁，这种组合梁特别适合于大跨度结构，见图1-6。为了减轻混凝土梁式结构的自重，可以减小梁的腹板厚度，但是，尚需要满足其抗剪能力，为此，可以通过在混凝土腹板内埋设钢板来增加其抗剪能力，将内置钢板的混凝土腹板与混凝土板组合，形成内置钢板的混凝土板组合梁，见图1-7。随着预应力混凝土箱梁、钢与混凝土组合梁的应用与发展，为了更好地发挥钢材和混凝土各自所具有的优越性，出现了预应力钢腹板与混凝土板组合梁，钢腹板可以采用平钢板或波纹钢板，这种组合梁通过剪力连接件将钢腹板与上、下混凝土翼缘板连接起来，通过在混凝土翼缘板内或同时在混凝土翼缘板内和组合箱梁中布置预应力钢筋来施加预应力。这种组合梁充分利用了钢腹板抗剪屈曲强度高、自重轻的优点，以及利用预应力来提高混凝土的抗裂性能等，见图1-8。为了进一步发挥钢材和混凝土各自所具有的优越性，克服其相应缺点，将预应力技术应用到钢与混凝土组合梁中，形成了预应力钢与混凝土组合梁，这种组合梁通过在钢梁受拉翼缘附近、受拉区混凝土内部布置预应力钢筋，然后施加预应力。在钢梁受拉区施加预应力可以扩大钢材弹性范围，以高强钢材代替普通钢材；在混凝土板受拉区施加预应力可延迟裂缝形成、阻止裂缝发展，提高混凝土抗裂性能。依据外荷载作用方式，可以将预应力钢索（筋）沿组合梁轴向布置成直线形、曲线形、折线形等，见图1-9。
　　图1-3 工字钢与混凝土板组合梁
　　图1-4 钢箱梁与混凝土板组合梁
　　图1-5 蜂窝钢梁与混凝土板组合梁
　　图1-6 钢桁架与混凝土板组合梁
　　图1-7 内置钢板的混凝土板组合梁
　　图1-8 预应力钢腹板与混凝土板组合梁
　　图1-9 预应力钢筋与混凝土组合梁