钢-混凝土连续组合梁兼具钢和混凝土的综合优势,具有截面小、刚度大、承载力高、受力合理、材料利用率高等优点,应用广泛。但随着组合结构逐步向大跨、重载方向发展,普通连续组合梁中支座处存在负弯矩,致使上部混凝土板易受拉开裂,截面刚度削弱; 同时钢梁下翼缘受压严重,钢板厚度和梁高往往由负弯矩决定,导致用钢量偏大,负弯矩处钢梁下翼缘钢板受压出现局部屈曲失稳等问题。针对上述问题,通常会采用负弯矩区桥面板滞后施工、在负弯矩区桥面板中布设预应力束、使用微膨胀混凝土、加大钢梁下翼缘钢板厚度、支点升降法等方法以减小负弯矩区桥面板混凝土拉应力,但这些方法往往技术复杂、施工繁琐、成本高昂,负弯矩区钢梁下翼缘采用厚钢板易导致现场焊接作业难度加大、桥面板预应力效率不高,且负弯矩区截面刚度的提高并不明显。

　　 为此,Saul,Reiner ^[1]提出在连续组合梁中支座处钢梁下翼缘浇筑混凝土形成组合截面,发挥混凝土材料耐压的优势,分担钢梁的压力,从而巧妙地解决了传统连续组合梁存在的问题。其基本原理是在传统连续组合梁中支座处钢梁下翼缘底面一定范围内浇筑混凝土,通过栓钉等抗剪连接件将混凝土与钢梁连接成一个整体截面共同受力,而在正弯矩区仍采用原截面形式。新形成的整体截面中的混凝土部分可有效分担钢梁下翼缘的压力,并将压力传至跨中正弯矩区域,有效提高正弯矩区钢梁利用率,大幅提高组合梁负弯矩区截面刚度,延长负弯矩区长度,进而改善组合梁的内力重分布,提高其承载力,同时可避免负弯矩区钢梁下翼缘使用厚钢板而增加的现场焊接作业难度,降低造价。结构模型见图1。

　　 世界上首座应用钢-混凝土双面组合作用连续梁(简称双面组合梁)的工程于1978年在西班牙建成(Ciervana桥 ^[2],见图2),之后西班牙又相继建成几座采用双面组合梁的桥梁,如RiaTina Menor桥等; 德国于1992～1994年间相继有3座新建桥梁应用该组合梁; 委内瑞拉于1992年修建的Caroni公铁两用桥(主跨213m)应用该组合梁; 中国香港于1995年将该组合梁应用在一座桥梁工程中; 之后上海长江大桥非通航孔桥(主跨105m)和山东潍坊市东绕城上跨济青高速立交桥(主跨96m)同样采用了该组合梁。

　　 上海长江大桥 ^[3]为公路和城市轨道交通两用桥,包括双向6车道公路和2线轨道交通,大桥全长约16km,跨度布置为(90+5×105+85)m,主航道两侧的高墩区桥梁大量采用大跨度钢-混凝土连续组合箱梁,组合箱梁为单箱单室,由槽形钢梁和桥面板通过焊钉结合,其横截面形式如图3所示。

　　 为达到技术先进、造价经济和结构耐久的目标,上海长江大桥采用多项先进技术。其中,在大桥负弯矩区的设计建造过程中,因中间支点附近钢梁下翼缘承受较大压力,导致钢梁下翼缘钢板厚度较大,现场焊接困难。为保证焊接质量,采用钢-混凝土双重组合作用箱梁,在各中支座附近20m范围内的下翼缘,浇筑45cm厚的混凝土与钢梁结合,最终钢梁下翼缘钢板厚度减小到28mm,有效改善了负弯矩区桥面板的受力,同时进一步减小了现场作业难度,保证了施工质量。

　　 截止目前,国内外已有多座桥梁工程采用双面组合梁。双面组合梁在桥梁工程中的应用实践表明,这种组合梁可有效改善桥梁支座处负弯矩区的受力状态,提高结构刚度,降低梁高,改善钢梁下翼缘受压稳定性,加快施工速度,最大限度减少对周围环境和交通的影响,具有良好的技术效应和社会效应,正得到越来越多桥梁工程师的关注。

　　 由于下部混凝土板的存在,使得双面组合梁的受力特点产生了变化,普通单面组合梁的一些计算理论可能已不适用,如组合梁负弯矩区长度计算、截面刚度和承载力计算等。因此有必要从基本力学特性方面开展相关研究工作。

　　 段树金等 ^[4]对3根2×2.9m两跨双面组合梁进行试验,结果表明与普通单面组合梁相比,双面组合梁改善了中间支座附近截面不利的受力状态; 采用简化计算方法计算承载力,结果表明弹性承载力提高16%以上,塑性承载力提高30%以上,中间支座截面刚度增加约200%; 当采用完全抗剪连接时,双面组合梁弹性极限承载力约为塑性极限承载力的80%; 通过ANSYS软件进行结构分析,结果表明在弹性极限范围内,双面组合梁界面滑移很小,对结构变形影响可以忽略不计; 在弹塑性状态计算截面强度和挠度时,必须考虑界面滑移效应的影响,否则将导致计算结果偏于不安全。文中提出的简化计算方法简单实用,对于弹性阶段的计算校核,计算结果与试验值吻合良好,而对于弹塑性阶段的计算尚需改进,并需要更多试验验证。

　　 段艳菊等 ^[5]采用塑性理论根据中和轴位置不同,分别计算双面组合梁负弯矩区抗弯强度,并通过算例对比得出:双面组合梁负弯矩区抗弯强度较普通单面组合梁可提高近2倍,从理论上初步认识了双面组合梁下部混凝土板对组合梁抗弯强度的贡献,但该理论计算方法缺乏试验验证,基本假定较多,未考虑界面滑移等因素的影响,因此尚需改进。

　　 霍军会等 ^[6]采用ANSYS软件对双面组合梁极限承载力、正截面应力和荷载-位移曲线等内容进行研究,结果表明:同普通单面组合梁相比,双面组合梁极限承载力可提高约14.3%,该模拟结果对试验研究有一定的参考价值。

　　 李世霞等 ^[7]采用弹性理论方法对双面组合梁中支座和跨中截面刚度进行研究,并结合算例对比得出:与普通单面组合梁相比,双面组合梁支座处截面刚度可提高约20%～30%,跨中挠度大幅减少。该计算方法仅适用于组合梁短期刚度的计算,计算精度受限于分段数量,适用范围有限,计算结果缺乏试验验证。

　　 赵文强等 ^[8]采用ANSYS软件和平面梁集中质量法研究双面组合梁的自振特性,结果表明:同普通单面组合梁相比,双面组合梁的基频有很大提高,进一步表明组合梁刚度有所提高; 双面组合梁上部混凝土板开裂后会降低其基频; 在使用阶段,界面滑移效应对双面组合梁竖向振动影响不大。

　　 段艳菊等 ^[9]采用将组合梁截面划分为有限条带方法编制弯矩-曲率(M-Ψ)曲线数值迭代计算程序,对双面组合梁截面受弯全过程进行分析,通过算例对比发现:同普通单面组合梁相比,双面组合梁在刚度和极限承载力方面均有大幅提高; 该计算方法有一定的合理性,计算结果较为精确,但计算方法较为复杂,不利于工程实际应用,计算结果缺乏试验验证。

　　 Saul Reiner ^[1]通过对试验结果和双面组合梁在三个实际工程中的应用分析,得出:在大跨组合梁中支座处钢梁下翼缘浇筑部分混凝土,可有效增强该部分的结构刚度,减轻厚钢板焊接作业难度,提高经济性; 同时通过调整结构刚度来调整内力分布,有利于控制大跨度桥梁的挠度。

　　 Chen Xu等 ^[10]对一根普通单面组合梁和一根双面组合梁进行了对比试验,如图4所示。并结合理论计算结果重点对组合梁混凝土板裂缝、截面塑性铰的形成、承载力等方面进行研究,结果表明:同普通单面组合梁相比,双面组合梁中钢-混凝土的双重组合作用可有效延缓裂缝的开展,但会加大裂缝宽度; 双面组合梁负弯矩极限承载力是普通单面组合梁的1.26倍。

　　 李杨等 ^[11,12]结合建筑结构特点,以变参数方式对双面组合梁力学性能进行了有限元分析,并进行了试验,如图5所示。结果表明,双面组合梁下部混凝土的厚度、长度和宽度对组合梁刚度影响较大。同普通单面组合梁相比,双面组合梁在刚度和承载力方面有明显优势,适用于荷载较大的结构。

　　 李杨等 ^[13]对4个双面组合梁-框架节点进行了低周往复加载试验,以研究其抗震性能,试验加载情况如图6所示。试验结果表明,双面组合梁十字形框架节点在承载力和刚度方面占有明显优势,但在延性、耗能和刚度退化等方面优势不明显。

　　 从以上研究成果来看,同普通单面组合梁相比,由于双面组合梁下部混凝土板分担了中支座处钢梁下翼缘钢板的部分压力,并通过栓钉等抗剪连接件将压力传导至组合梁跨中正弯矩区,使得中支座处负弯矩区范围得到扩展,相当于对整个组合梁的内力进行了重分布,从而使得中支座处组合梁截面受力更加合理,跨中截面材料利用率更高,负弯矩区截面刚度得到加强,进而大幅提高了组合梁承载能力。但到目前为止,有关双面组合梁的内力重分布特征、受力机理尚不太清晰,因此还有待进一步研究。

　　 混凝土板与钢梁之间的界面滑移是组合结构普遍存在的问题,也是影响组合梁受力分析的关键所在。普通单面组合梁有关研究成果 ^[14]表明:界面滑移将使组合梁负弯矩区弹性承载力降低15%以上,由于双面组合梁具有上、下两个界面,因此界面滑移对组合梁的影响不容忽视。

　　 段树金等 ^[15]通过对3根2×2.9m的双面组合梁进行试验,测得钢与混凝土界面相对滑移及滑移应变沿梁长的分布,结果表明:双面组合梁上部混凝土板与钢梁上翼缘间的界面滑移分布与普通单面组合梁相似,但双面组合梁上部混凝土板界面滑移曲线为分段连续,且与普通单面组合梁相比,双面组合梁最大滑移量减少了20%左右,滑移应变减少了30%左右; 加载过程中,跨中截面中和轴上移,中支座处截面中和轴下移。在界面滑移产生前后,双面组合梁截面应变沿梁高基本呈线性变化,符合平截面假定,因此可根据滑移应变求得截面的附加曲率,最后得到整个截面的曲率。但该方法只适用于弹性阶段,一旦进入弹塑性阶段后,截面变形加大,平截面假定将不再适用界面滑移的计算。邵晓辉等 ^[16]运用基本力学方法推导出了双面组合梁负弯矩区上、下两个界面滑移沿梁长的表达式,并通过算例对比发现,双面组合梁上部混凝土板与钢梁之间的最大滑移较普通单面组合梁减少了24.25%,最大滑移应变减少了31.66%。但是,下翼缘混凝土板与钢梁之间的界面滑移较大。由于该计算方法是基于弹性体假设,且未考虑钢筋与混凝土之间的滑移,因此计算较为保守,尚需改进。王刚等 ^[17]依据内力与变形的关系推导出双面组合梁在弹塑性状态下的层间界面滑移微分方程,并采用ABAQUS软件模拟组合梁界面间的滑移,理论计算结果与模拟结果吻合良好。但该理论方法需考虑材料的非线性特性,变异性较大,计算过程偏于复杂和保守,同时模拟和计算结果尚需进一步的试验验证。

　　 从以上研究成果可以得出:同普通单面组合梁相比,双面组合梁由于下部混凝土板的存在,有效改善了组合梁负弯矩区受力状况,使得界面滑移大幅度减小。但也可以看出,由于双面组合梁具有上、下两个界面,因此进行界面滑移计算和评判其对组合梁其他力学性能的影响变得更加复杂,当前的研究成果大多基于弹性体的假设,公式适用范围有限,前提条件较为理想化,计算方法和结果普遍缺乏试验验证。因此有必要围绕界面滑移更进一步的开展系统深入的研究。

　　 普通单面组合梁负弯矩区上部混凝土板易受拉开裂,裂缝的开展影响结构的耐久性。双面组合梁可有效改善负弯矩区的受力状态,对限制上部混凝土板裂缝开展和控制裂缝宽度有一定的作用,因此,针对钢-混凝土双面组合作用,对于控制上部混凝土板裂缝发展和限制裂缝宽度的机理开展相关研究显得十分必要。

　　 张岩等 ^[18]在考虑混凝土损伤条件下,采用有限元软件以变参数方式和最小二乘法研究双面组合梁挠度和裂缝,并与试验结果对比, 结果表明:适当加大双面组合梁下部混凝土板厚度,可有效推迟混凝土的开裂,减小裂缝宽度,提高刚度。段树金等 ^[19]通过进行模型加载试验和有限元模拟,研究了双面组合梁上部混凝土板裂缝开展机理,结果表明:中支座处负弯矩区上部混凝板裂缝主要为弯曲裂缝,负弯矩区受拉钢筋屈服后,裂缝宽度发展加快,并得出下部混凝土板厚度与上部混凝土板裂缝宽度之间的关系。杨喜文等 ^[20]采用有限元法对29根双面组合梁负弯矩区受拉钢筋有效分布宽度随加载过程的变化情况进行研究,并对塑性阶段有效分布宽度进行参数分析。邵长宇 ^[2]结合上海长江大桥的设计建设情况,针对箱梁负弯矩区桥面板易开裂的问题,采取在箱梁中支座处负弯矩区距中支座处20m范围内浇筑45cm厚的混凝土板与钢梁下翼缘结合,依靠混凝土耐压的优势分担钢梁下翼缘的压力,从而有效改善了桥面板的受力,减小了下翼缘钢板厚度,避免现场厚钢板焊接。李新生等 ^[21]采用Goodman弹性夹层模拟双层混凝土板组合梁,研究下部剪力件的变化对上层混凝土板应力的影响,Goodman夹层模型示意如图7所示。结果表明:下部混凝土板的抗压作用有效提高了负弯矩区上部混凝土板的开裂荷载,最高可达10%; 剪力度在1.0以上时,剪力度越大效果越好,但考虑到经济性,最佳剪力度建议为1.0。该计算方法采用Goodman弹性夹层理论较为合理,但选定的基本假定过于理想化,计算方法复杂,不利于工程应用。

　　 尽管目前有关双面组合梁的研究尚处于起步阶段,研究深度也不够,但综合上述初步成果可以得出:双面组合梁下部混凝土板不仅可以有效增强组合梁负弯矩区截面刚度、提高承载力,而且钢-混凝土的双重组合作用 ^{[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]}对于控制上部混凝土板裂缝宽度,延缓裂缝的开展,增强结构的耐久性均起到了积极作用。综合现有的研究方法来看,目前的研究成果普遍存在计算方法复杂、计算精度不高和缺乏试验验证等问题,因此有关裂缝开展和裂缝控制的研究还需要考虑更多因素的影响,计算方法尚需进一步简化。

　　 钢-混凝土双面组合作用连续梁在基本力学特性、界面滑移和裂缝控制三个方面表现优良,结合有关桥梁工程应用案例,可以看出其潜在的研究应用价值巨大 ^{[34,35,36,37,38]}。与此同时,目前有关双面组合梁的研究工作依然处于起步阶段,在建筑工程中的应用案例还较少。因此,为了促进这种新型组合梁的科学研究和工程应用,适应组合结构在大跨度、重荷载方面的发展趋势,还应开展以下几个方面的工作:

　　 (1)对双面组合梁受力性能的研究应从材料、构件、结构体系和施工技术等几个方面入手,综合理论计算、数值仿真、试验验证和工程应用等研究方法,深入研究其受力特征、工作机理等综合性能,逐步系统建立双面组合梁的优化设计计算理论,并提出相应的构造措施和施工方法。

　　 (2)下部混凝土板的存在不仅提高了结构的承载力,而且可有效分担钢梁下翼缘的压力,从而减小下翼缘钢板厚度和焊接难度,由此带来的经济效应需要进行探究。

　　 (3)当前对于双面组合梁的研究工作大多是结合桥梁工程的特点和需求开展的,而建筑工程在大跨、重载组合梁方面同样存在研究应用的需求。因此有必要结合建筑工程的特点,选取合适的边界条件和基本假设,建立相应的力学模型,成体系地探究其在建筑工程中的研究及应用理论。