团队成果： 专著《矩形钢管混凝土组合桁梁桥》
■作者：刘永健，周绪红 著
■出版时间：2021年9月
■定价：120.00元
■ISBN 978-7-114-17215-1
■购书链接：https://item.jd.com/10039925369859.html
内容提要
矩形钢管混凝土组合桁梁桥具有承载力高、刚度大、经济性能好和施工高效等特点，是一种高性能桥梁结构体系。本书介绍了矩形钢管混凝土组合桁梁桥的结构特点、组成及构造；进行了矩形钢管混凝土组合桁梁及节点的力学性能试验研究和理论分析；提出了相应的设计计算方法；给出了矩形钢管混凝土组合桁梁连续刚构桥和装配式连续梁桥两个工程设计及应用示例。
本书可供从事桥梁工程研究、设计、施工和管理的工程技术人员使用，亦可供相关专业方向师生在教学与学习中参考使用。
主要内容
全书目录
前 言
钢管混凝土结构力学性能、施工性能和经济性能优越，在钢管混凝土拱桥中已经得到了广泛的应用。桁架结构的杆件以轴向受力为主，通过上、下弦杆轴力形成的力偶来抵抗弯曲荷载，通过腹杆轴力来抵抗剪切荷载，具有刚度大、杆件截面材料利用率较高等特点。将钢管混凝土结构与桁架结构相结合得到的钢管混凝土组合桁梁桥，桁架杆件中采用钢管混凝土构件可充分发挥其受压性能良好的特点，减小钢管壁厚、简化加劲肋和桁架节点构造，提高节点静力与疲劳性能。当钢管混凝土桁架的弦杆通过剪力连接件与混凝土桥面板连接成组合桁梁时，钢管混凝土组合桁梁桥成为双重组合结构桥梁，抗弯性能得到进一步提高。
相对于传统的混凝土箱梁桥，钢管混凝土组合桁梁桥采用腹杆和下弦杆来代替混凝土箱梁的腹板和底板，在提高材料利用率的同时大大减轻了结构自重。根据目前已有的钢管混凝土组合梁桥工程应用实例可知，相较于混凝土箱梁桥方案，其钢材用量大体持平或稍有超出(10%左右)，而混凝土用量则大幅降低(50%左右)，经济优势突出。相比于圆形截面钢管混凝土结构，采用矩形钢管混凝土弦杆的钢管混凝土组合桁梁桥具有节点构造简单、杆件截面尺寸布置灵活、桥面板便于直接搁置在矩形钢管混凝土弦杆上、易于装配化施工、标准化程度高的特点。因此，本书所提出的这一新桥型梁桥是一种承载力高、刚度大、经济性能好和施工高效的高性能桥梁结构体系，具有良好的应用前景。
本书的研究工作始于湖南大学，1998 年在湖南省自然科学基金项目(98IJY2042)和湖南省重点实验室项目(99JZY2130)的资助下先期开展了钢管高强混凝土节点性能及设计方法研究、钢管混凝土组合结构节点试验研究等工作。并参与编制了《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159:2004)。2004 年之后，在长安大学开展了矩形钢管混凝土组合桁梁桥结构设计理论与应用研究，先后得到陕西省自然科学基金(2005E215)、交通建设科技项目(2013318812410)、陕西省交通运输厅科研项目(13-26K、13-20K)、国家自然科学基金(51378068)以及国家重点研发计划(2016YFCO701202)等的资助。本书是作者对矩形钢管混凝土、管结构桥梁二十多年理论研究和工程实践的部分成果总结。
全书共9章。第1章对矩形钢管混凝土组合梁桥的组成及特点进行了介绍；第2章对矩形钢管混凝土组合梁桥总体设计和一般构造进行了阐述；第3章介绍了矩形钢管混凝土桁架基本力学性能，分析了弦管内填混凝土对桁架力学性能的影响；第4~5章通过试验研究，讨论了矩形钢管混凝土架节点静力与疲劳性能，介绍了节点破坏模式、承载力计算方法以及疲劳性能评估的热点应力法；第6章对带混凝土桥面板的矩形钢管混凝土组合桁梁结构进行了试验和理论研究；第7章总结既有理论研究成果，提出了矩形钢管混凝土组合桁梁计算方法；第 8章给出了矩形钢管混凝土组合梁连续刚构桥工程实例；第9章介绍了50~80m跨径装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥通用图
在本书的撰写过程中，长安大学的马印平博士参与了第3、8章的撰写，姜磊博士参与了第5章的撰写，西安市政设计研究院有限公司的龙刚博士参与了第8章的撰写，中国市政工程西北设计研究院有限公司的刘彬博士参与了第9章的撰写，研究生王琨、刘震北、龙辛参加了文稿的整理工作，在此谨向他们表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不足之处，恳请读者批评指正。
作者
2020年12月
一、总体设计与一般构造
矩形钢管混凝土主桁为主要的竖向承重结构，其弦杆为矩形钢管混凝土结构，腹杆则为矩形空钢管。
联结系分为纵向联结系和横向联结系，简称纵联和横联。纵联设在主桁的上、下弦平面内，其中位于主桁上弦平面内的称为上平纵联，位于主桁下弦平面内的称为下平纵联。纵联的主要作用是抵抗水平向荷载，为主桁提供侧向支承。横联设在桥跨结构的横桥向平面内，位于跨内的称为中横联，位于两端的称为端横联。横联的主要作用是使桁架横向成为几何不变体系，提高截面的抗扭能力。端横联还能将纵联承担的横向水平荷载传递至支座。当主桁之间的横向间距较小时，上下平联则可以简化为横梁的形式。
桥面系由横梁、纵梁和桥面板组成，横梁沿横桥向布置并支承于主桁节点，纵梁沿纵桥向布置并支承于横梁，桥面板支承于纵、横梁之上，直接承受活荷载。在主桁间距或节间长度较小的情况下，也可以将桥面系的纵横梁省略，桥面板与桁架弦杆直接相连。图中的上、下平联便简化为横梁的形式，桥面系的纵横梁同样进行了简化，桥面板与弦杆直接连接。
组合桁梁桥面板和主桁架的弦杆的连接主要可以分为两种连接方式：埋入式连接和搁置式连接。前者适用于现浇桥面板，可将桥面板和弦杆浇筑形成一个整体，共同受力；后者对于现浇和预制桥面板均可适用，通过在矩形弦杆表面设置剪力连接件与混凝土桥面板进行连接。这两种连接方式都可以保证桥面板和主桁之间的组合作用得到充分的发挥。
图1 矩形钢管混凝土组合桁梁桥的组成
图2 断面布置与节点构造
二、结构力学性能
开展了桁架与组合桁梁以及实桥力学性能试验研究，建立了节点与桁架的力学关联，研究了弦杆内填混凝土对桁架破坏模式及抗弯承载力的影响，分析了承受正、负弯矩组合桁梁的力学性能。
图3 桁架及组合桁梁力学性能试验
开展了系列矩形钢管混凝土节点静力及疲劳试验研究，分析了主管内填混凝土后支管受拉、受压及受弯时的节点静力性能，通过疲劳试验和数值分析方法研究了节点的疲劳寿命和应力集中系数，提出了节点热点应力幅S-N曲线，提出适用于矩形钢管混凝土桁架节点的承载力计算方法和疲劳评估热点应力法。
图4 节点静力及疲劳性能试验
对应用于实际工程的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了实桥试验研究，分析了管内混凝土的工作状态以及弦杆内设置PBL加劲肋对杆件轴向刚度影响，验证了矩形钢管混凝土组合桁梁桥在实际工程中的应用效果，达到了预期水平。
图5 实桥力学性能试验
三、设计计算方法
对已有的试验和理论研究成果进行总结，提出了适用于矩形钢管混凝土组合桁梁桥的构造要求，结构内力分析方法以及承载力计算方法。该计算方法可为矩形钢管混凝土组合桁梁桥的结构参数拟定及优化设计提供参考和依据。
图6节点承载力计算公式
图7 组合桁梁弯剪承载力计算公式
四、工程应用示例
介绍了国内第一座矩形钢管混凝土组合桁梁连续刚构桥的方案比选和施工图设计。结合本书提出的矩形钢管混凝土组合桁梁桥计算方法，对该桥进行了结构验算。最后通过对比同等跨径的混凝土桥梁的材料用量，对其经济性进行了分析。
图8 国内首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥
以标准化、装配化为核心设计思想，充分发挥矩形钢管混凝土组合桁结构特点，研发了跨径为50m、60 m、70 m、80m的装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥通用图，给出了相关构造设计、结构验算和技术经济性分析等结果。
图9 装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥通用图集
