钢_混凝土组合结构桥梁研究新进展_聂建国

第45卷第6期2012年6月土木工程学报CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALVol．45Jun．No．62012基金项目：国家自然科学基金重点项目（51138007），清华大学自主科研计划（20101081766）作者简介：聂建国，博士，教授收稿日期：2010-12-09钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展聂建国1陶慕轩1吴丽丽2聂鑫1李法雄1雷飞龙1（1．清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京100084；2．中国矿业大学（北京），北京100083）摘要：钢-混凝土组合结构桥梁近年来在我国得到了迅速的发展。

在传统桥梁结构形式的基础上，发展多种新型组合结构桥梁形式，拓宽组合结构桥梁的应用领域。

介绍近年来在钢-混凝土组合结构桥梁方面的最新研究进展，内容包括波形钢腹板组合梁桥、槽型钢-混凝土组合梁桥、钢-混凝土组合刚构桥、双重组合作用连续组合梁桥和大跨斜拉桥组合桥面系。

通过对传统结构形式的改进和发展，可充分发挥组合结构桥梁的综合优势，研究结果表明，钢-混凝土组合结构桥梁具有广阔的推广应用前景。

关键词：钢-混凝土组合结构；桥梁；波形钢腹板；槽型组合梁；组合刚构桥；双重组合；组合桥面系中图分类号：U448．38文献标识码：A文章编号：1000-131X （2012）06-0110-13Advances of research on steel-concrete composite bridgesNie Jianguo 1Tao Muxuan 1Wu Lili 2Nie Xin 1Li Faxiong 1Lei Feilong 1（1．Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of the Ministry of Education ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2．China University of Mining ＆Technology ，Beijing ，Beijing 100083，China ）Abstract ：Steel-concrete composite bridges have been developed rapidly in recent years in China．Several new types of composite bridges have been developed on the basis of traditional structures to broaden the application area of composite bridges．In this paper ，some recent advances in research of steel-concrete composite bridges are summarized．The main research work involves composite girder bridges with corrugated steel webs ，channel-shaped steel-concrete composite girder bridges ，steel-concrete composite rigid frame bridges ，continuous composite bridges with double composite action and composite deck systems for large-span cable-stayed bridges．Through improvement and development of the traditional structural forms ，the comprehensive advantages of composite bridges can be fully displayed ，which demonstrates a good prospect of application and extension for steel-concrete composite bridges．Keywords ：steel-concrete composite structure ；bridge ；corrugated steel web ；channel-shaped composite girder ；composite rigid frame bridge ；double composite ；composite deck system E-mail ：dmh03@mails．tsinghua．edu．cn引言钢-混凝土组合结构桥梁（简称组合桥）是指将钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体并考虑共同受力的桥梁结构形式。

钢混凝土组合结构桥梁研究新进展一、本文概述随着科技的不断进步和工程需求的日益增长，钢混凝土组合结构桥梁作为一种高效、经济且具备优良性能的结构形式，在桥梁工程中得到了广泛应用。

本文旨在综述钢混凝土组合结构桥梁的最新研究进展，包括其设计理论、施工技术、性能评估以及在实际工程中的应用案例。

文章首先介绍了钢混凝土组合结构桥梁的基本概念和特点，然后重点分析了近年来国内外在该领域的研究成果和创新点，最后展望了未来的发展趋势和挑战。

通过本文的阐述，希望能够为相关领域的学者和工程师提供有价值的参考，推动钢混凝土组合结构桥梁技术的进一步发展和优化。

二、钢混凝土组合结构桥梁的设计理论与方法钢混凝土组合结构桥梁的设计理论与方法是近年来研究的热点领域。

随着材料科学、计算力学和设计理念的进步，这种结构形式的桥梁设计理论得到了极大的丰富和发展。

在设计理论方面，钢混凝土组合结构桥梁的设计需要综合考虑钢材和混凝土的受力特性，以及两者之间的相互作用。

目前，研究者们已经建立了一套相对完善的设计理论体系，包括组合梁、组合板、组合柱等多种组合构件的设计方法。

这些理论方法综合考虑了材料的非线性、构件的截面形状、荷载类型等因素，使得设计更加精细化、准确化。

在设计方法上，钢混凝土组合结构桥梁的设计通常采用极限状态设计法，即根据结构在极限状态下的受力性能和变形要求，确定结构的截面尺寸和配筋。

随着计算机技术的快速发展，有限元分析、参数优化等数值方法也被广泛应用于钢混凝土组合结构桥梁的设计中，为设计师提供了更加便捷、高效的设计工具。

随着对结构性能要求的提高，钢混凝土组合结构桥梁的设计也开始注重全寿命设计、耐久性设计等方面。

这些新的设计理念要求在设计阶段就充分考虑结构在使用过程中的性能退化、维修加固等因素，从而确保结构在整个生命周期内都能满足性能要求。

钢混凝土组合结构桥梁的设计理论与方法在不断发展和完善中。

随着新材料、新工艺、新技术的不断涌现，未来这种结构形式的桥梁设计将更加精细化、智能化、环保化。

钢板 -混凝土组合结构在旧梁桥加固中的应用摘要：文中以某国道上一座T形梁桥加固工程为背景，介绍了钢板－混凝土组合加固技术应用情况，以及该桥具体加固方案、施工工艺主要流程，总结了该技术应用效果。

关键词：旧桥加固；钢板—混凝土组合；钢筋混凝土桥梁；1概述随着桥梁使用时间延长、交通流量的增长，尤其是汽车超载现象越来越普遍，很多公路桥梁的结构性能已经不能满足当前的功能要求，为使其重新恢复使用功能需进行加固。

清华大学聂建国教授首先提出了钢板-混凝土组合加固的思想，从而进一步提出了广义组合结构的概念，王春生、逄鹏程等先后开展了钢板-混凝土组合加固梁桥的结构试验与分析，近年来该技术已在国内多座桥梁加固中得到应用，取得了较好的实践效果。

钢板-混凝土组合加固技术即在原结构表面植筋、加固钢板上焊接栓钉、在加固钢板和原结构间浇注混凝土使得新老结构形成整体共同受力的一种加固方法，钢板与混凝土之间通过栓钉连接件传递剪力，从而共同工作。

组合加固方法可充分利用新、旧材料的性能，具有承载力高、抗震性能强、自重增加小、施工快速方便的优点，可用于混凝土桥梁刚度提高、抗弯加固以及抗剪加固。

加固施工时，钢板可作为混凝土浇注模板，从而大大加快施工速度，由于钢板外不需要保护层，不存在混凝土裂缝外露的问题，钢板防锈可以通过表面涂刷防锈漆解决。

2桥梁概况某国道一座大型桥梁，全长165m，桥面宽14.0m，上部结构采用8×20m钢筋混凝土简支T梁，每跨全断面6片T梁，下部结构采用桩柱式墩台，钻孔灌注桩基础。

该桥建成于1993年，桥梁荷载设计等级为汽-20、挂-100，设计洪水频率为1/100。

经过多年运营，检测发现主要病害为：各跨各梁竖向和斜向裂缝较多，部分中横隔板破损、钢板外露，梁板铰缝开裂、渗水，桥面系多处破损，部分桥墩基础冲刷桩基外露。

经过结构验算评估旧桥承载能力持续下降，为确保桥梁安全运营，该桥需提高抗弯及抗剪承载能力。

3加固方案该桥已运营20年，公路交通量不断增加，随着车辆的吨位、数量不断上升，使得桥梁长期处于超限服役和疲劳运营的不利受力状态。

1)清华大学土木工程系,北京,100084;2)北京市市政工程管理处,100013。

钢-混凝土叠合板组合梁在苇沟桥改造加固中的应用聂建国1)王寒冰1)任明星2)陈 林1)[提要] 钢-混凝土组合梁以其承载力高、刚度大等优点,在我国城市的立体交通建设中应用前景广阔。

结合实际工程,介绍了钢-混凝土叠合板组合梁在桥梁改造加固中的应用。

实践证明,钢-混凝土叠合板组合梁可以大幅度提高结构承载力,降低结构自重,减小挠度等,另外还可以节省支模,缩短施工周期。

[关键词] 桥梁 改造加固 叠合板 组合梁 工程应用T his pa per introduces the application of composite stee -l precast slab and concrete beams in the rehabilitation and strengthe ning of Weigou bridge in the suburb of Beijing.The practice ha s show e d that using composite beams of steel a nd pre cast slab combined w ith concrete ca st in -situ ca n increase the structure .s loa d bearing c apacity extensively,re -duce the sel-f weight and deflection,simplify the construc t ion procedure and shorten the c onstruction period.Nota ble benefits of technology and economics,etc.are achieved from t he engineering practice.K eyword s:reha bilitation;bridge;composite beam;stee -l pre cast slab;concrete cast in -situ;engineering practice一、引言随着经济的发展,交通流量大幅度增长,行车密度及车辆载重越来越大。

钢-高强混凝土组合梁栓钉剪力连接件的设计计算聂建国, 谭英, 王洪全文摘近年来，钢混凝土组合结构和高强混凝土结构在中国发展很快。

通过栓钉剪力连接件将钢梁和高强混凝土有机地结合，形成钢高强混凝土组合梁在桥梁和建筑结构领域具有广阔的应用前景。

为了探讨钢高强混凝土组合梁中栓钉剪力连接件的性能，为钢高强混凝土组合梁的剪力连接件的设计提供依据，通过钢高强混凝土组合梁试验和推出试验，对栓钉剪力连接件在高强混凝土组合梁中的性能进行了研究。

通过试验研究，对钢高强混凝土组合梁中栓钉剪力连接件承载力的计算提出了建议。

它对钢高强混凝土组合梁设计具有实用参考价值。

关键词组合梁；强混凝土；栓钉连接件；抗剪承载力分类号TU 312.3Strength of stud shear connectorsin composite steel-HC beamsNIE Jianguo, TAN Ying, WANG HongquanDepartment of Civil Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China;Beijing Municipal Engineering Institute,Beijing 100037, ChinaAbstract Composite structutres and high-strength concrete (HC) are developed very fast in China recent year. Steel beam and HC slabs are connected with stud shear connectors to form composite steel-HC beams that can be widely used in the fields of bridge and buliding structures. In order to investigate the performance of stud shear connectors in composite steel-HC beams, and provide the design basis of composite steel-HC beams, experiments of composite steel-HC beams and push-out tests were conducted. On the basis of test results and analyses, recommendations were proposed for the shear capacity prediction of stud shear connectors in composite steel-HC beams. The results are valuable as the basis of design for composite steel-HC beams in practice.Key words composite beams; high-strength concrete (HC); stud shear connectors; shear capacity近年来的工程实践证明，钢混凝土组合结构非常适合我国基本建设的国情，将成为21世纪土木工程中的重要结构体系之一。

㊃综㊀述㊃钢结构(中英文),38(12),1-26(2023)DOI :10.13206/j.gjgS 23062902ISSN 2096-6865CN 10-1609/TF㊀㊀编者按:当前我国第五代GB 18306 2015‘中国地震动参数区划图“明确了基本㊁多遇㊁罕遇和极罕遇等四级作用的地震动参数确定方法并提高了工程结构抗震设防标准㊂组合结构适应国家新型城镇化建设重大需要,在城市人口密集区域和抗震设防高烈度区域具有广泛应用价值㊂由于钢管混凝土柱存在间接约束以及界面滑移等特性,其抗震能力可进一步挖掘,以提升强震下重要工程结构的安全性,或者在维持相同性能时节约材料用量㊂学者们通过模型试验㊁理论研究以及关键技术研发,所形成的系列成果在工程结构中得到了成功应用㊂为此,‘钢结构(中英文)“杂志特邀丁发兴教授为主编,系统组织了两期(本期及2024年第1期) 组合结构抗震性能与韧性提升 专栏,向读者介绍国内针对钢管混凝土柱㊁钢管混凝土柱-组合梁节点㊁组合框架以及组合框架-筒体结构等方面的最新研究成果,探讨各有效措施对抗震性能的影响规律,以期推动组合结构技术的完善与升级㊂钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展∗丁发兴1,2㊀许云龙1㊀王莉萍1,2㊀吕㊀飞1,2㊀段林利1,2㊀余志武1,2(1.中南大学土木工程学院,长沙㊀410075;2.湖南省装配式建筑工程技术研究中心,长沙㊀410075)摘㊀要:钢-混凝土组合结构因具有抗弯刚度大㊁承载力高㊁延性好和施工便捷等优点,适应国家新型城镇化建设重大需要,在城市人口密集区域和抗震设防高烈度区域应用广泛㊂在提高工程结构抗震设防标准的背景下,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,进一步提升其抗震韧性,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法对促进建筑结构实现 双碳 战略目标具有重要意义㊂为此,归纳总结了钢-混凝土组合结构抗震性能的研究进展,包括钢-混凝土组合梁㊁钢管混凝土柱及钢管混凝土柱-组合梁节点的滞回性能试验研究,以及钢-混凝土组合结构体系的拟静力㊁拟动力及振动台试验研究,讨论并比较了各种抗震分析模型及其方法,提出了当前研究存在的一些问题和尚需深入研究的方向㊂基于现有研究成果总结得到:1)组合梁主要依靠钢梁耗能,可采取增大钢梁截面尺寸的措施提高耗能能力㊂钢管混凝土柱主要依靠钢管和混凝土耗能,可采取拉筋增强约束措施直接约束混凝土,使其由脆性向塑性转变从而提高框架柱的耗能能力㊂与其他类型组合节点相比,刚性连接组合节点具有更好的耗能能力㊂2)罕遇地震下框架结构以梁耗能为主,而在超罕遇地震下仍以梁作为主要耗能部件将使工程成本大幅增加㊂由于超罕遇地震发生概率极低,若采取适当的增强约束措施使柱也具备耗能能力并参与耗能,则可在适当增加工程建设成本的同时使结构具有抵抗超罕遇地震的能力,此时组合结构抗震设计理念可由罕遇地震时的 强柱弱梁,梁耗能为主 向超罕遇地震时的 梁柱共同耗能 推进㊂3)基于平截面假定的杆系纤维模型计算软件通常适用于弹性和弹塑性小变形阶段分析,而当组合结构处于塑性大变形阶段时,结构杆件便不再符合平截面假设㊂对强震下组合结构体系的动力响应仿真模拟需要克服弹塑性小变形阶段的假定条件,采用适用于塑性大变形阶段结构分析的混凝土三轴弹塑性本构模型及相应的体-壳元模型是一种有效的途径㊂4)剪力墙结构具有整体性好㊁侧向刚度大等优点,但传统构造下其抗震能力较弱,可通过提升连梁和墙肢等耗能构件的耗能能力以增强结构整体耗能能力,如采用钢-混凝土组合连梁㊁型钢混凝土连梁或合理构造钢板连梁,以及型钢-约束混凝土或钢管混凝土墙肢等㊂5)工程结构在使用阶段面临着诸多灾害考验,传统方法根据不同外荷载进行独立抵抗设计,忽视了多灾害耦合作用机制,使结构综合抗灾性能难以满足使用需求,故建立安全可靠的抗多灾害设计方法和结构体系是结构工程师在防灾减灾领域的一项重大课题㊂关键词:钢-混凝土组合梁;钢管混凝土柱;钢-混凝土组合结构;抗震性能;试验研究∗国家自然科学基金项目(51978664)㊂第一作者:丁发兴,男,1979年出生,博士,教授㊂通信作者:王莉萍,女,1987年出生,博士,副教授,wlp2016@㊂收稿日期:2023-06-290㊀引㊀言中国是世界上地震灾害最严重的国家之一,地震灾害给人类社会活动造成了不可估量的损失㊂大量建筑结构因抗震能力不足而倒塌,造成的人员伤1丁发兴,等/钢结构(中英文),38(12),1-26,2023亡和经济损失使得抗震减灾技术成为结构工程师们面临的主要考验㊂为提高建筑结构的抗震性能,研究者们在结构布置和局部构造等方面展开了大量的研究工作㊂钢-混凝土组合结构因充分发挥了两种材料的力学性能优势,提升了结构的刚度㊁承载力和耗能能力而在高层及超高层建筑结构中得到了广泛应用[1]㊂随着经济社会的发展,工程结构抗震设防标准也在不断提升,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,进一步提升其抗震韧性,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法,对促进建筑结构实现 双碳 战略目标具有重要意义㊂组合结构中,钢-混凝土组合梁和钢管混凝土柱的材料利用效率最高,其抗震性能提升明显㊂为此,笔者对国内外相关钢-混凝土组合结构的主要研究成果进行归纳总结,对组合结构抗震性能方面需要进一步深入研究的工作进行展望,以期为后续研究工作提供一些参考和建议㊂1㊀钢-混凝土组合构件及节点抗震性能1.1㊀钢-混凝土组合梁钢-混凝土组合梁由钢梁和混凝土板通过栓钉连接而成,发挥了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能优势㊂Daniels等[2]对组合框架中的组合梁进行了抗震性能研究,并给出了组合梁的弹塑性分析方法㊂文献[3-5]先后对组合梁进行了低周往复试验研究,结果表明组合梁具有良好的耗能能力和延性,增设腹板加劲肋或增加腹板厚度能明显提高组合梁的极限承载力,改善构件延性㊂Gattesco 等[6-7]㊁Taplin等[8]和Bursi等[9-10]着重研究了剪力连接件对组合梁抗震性能的影响,指出剪力连接件的布置方式直接影响界面滑移量,进而影响组合梁极限承载力㊂国内聂建国等[11]首先进行了6组钢-混凝土叠合板组合梁低周往复荷载试验研究,结果表明钢-混凝土叠合板组合梁的滞回曲线饱满,且存在界面滑移,其剪力连接度直接影响构件正向极限抗弯承载力,而反向极限抗弯承载力则可依据简化塑性方法计算得出㊂此后,蒋丽忠等[12-16]和Ding等[17]先后对低周往复荷载下钢-混凝土组合梁的抗震性能进行了系列试验研究,分别探讨了剪力连接度㊁力比㊁栓钉直径㊁腹板厚度㊁纵向和横向配箍率对组合梁抗震性能的影响规律,并建立了恢复力模型[13]㊂Liu等[18]建立了三维实体-壳元模型,其中钢梁采用壳单元,混凝土采用实体单元,栓钉采用梁单元或弹簧单元,分析结果表明组合梁的抗震能力主要依靠钢梁翼缘,增大钢梁尺寸有利于提高抗震能力,而增大栓钉剪力连接度也有利于提高钢梁的耗能㊂1.2㊀钢管混凝土柱钢管混凝土柱由外钢管内部填充混凝土而成㊂自1965年日本九州大学学者Sasaksi和Wakaba-yashi对方钢管配筋混凝土柱进行拟静力试验后[19],Tomii等[20]也开展了圆钢管混凝土柱拟静力试验研究,表明钢管混凝土柱比钢筋混凝土柱具有更大的极限承载力,更好的延性和耗能能力,以及更小的刚度退化等特点㊂Elremaily等[21]最早根据试验结果和理论分析指出钢管约束作用提升了柱承载力和抗震性能㊂随后有关钢管混凝土柱抗震性能研究越来越丰富,研究者们分别从材料强度㊁轴压比㊁宽(径)厚比和长细比等方面探讨了钢管混凝土柱抗震性能规律㊂在材料强度方面,吕西林等[22]㊁韩林海等[23]和Liu等[24]先后研究了混凝土强度对钢管混凝土柱抗震性能的影响规律,结果显示随着混凝土强度的提升,试件初始刚度略有增大,极限承载力也有所提高,但其延性和耗能能力均下降,且刚度退化加快㊂游经团等[25]和Yadav等[26]的试验结果表明:增大钢管屈服强度能够明显提升极限承载力,但对初始抗弯刚度几乎无影响㊂Varma等[27-28]探讨了钢材强度对柱抗震性能的影响规律,低轴压比下柱的延性系数随钢材强度的增大而降低,而当轴压比较大时,该规律并不明显㊂在轴压比方面,吕西林等[22]㊁Liu等[24]㊁游经团等[25]㊁Varma等[27-28]㊁张春梅等[29]㊁李学平等[30]㊁李斌等[31]㊁聂瑞锋等[32]和Cai等[33]通过试验研究发现,轴压比是影响柱抗震能力的直接因素,增大轴压比导致水平承载力㊁延性和耗能能力下降,刚度退化明显㊂在宽(径)厚比方面,吕西林等[22]㊁Liu等[24]㊁Yadav等[26]和李学平等[30]的试验表明,试件水平极限承载力随着宽(径)厚比增大而降低㊂Varma 等[27-28]㊁李斌等[31]和余志武等[34]指出,提高宽(径)厚比可使其延性系数下降㊂聂瑞锋等[32]和Matsui等[35]指出,宽(径)厚比越大,耗能能力越弱㊂在长细比方面,李斌等[31]㊁聂瑞锋等[32]和邱增美等[36]通过试验研究表明,随着长细比的增加,钢管混凝土柱初始刚度明显降低,刚度退化加快,水平2钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展承载力和耗能能力变弱,延性系数也明显下降,当长细比达到一定值时延性系数下降更快㊂为加强大宽(径)厚比钢管对混凝土的约束作用而提升其抗震性能,学者们陆续提出了诸多约束措施,如在柱端部焊接钢板或角钢[37],包裹纤维复合材料[38],设置约束拉杆[39]㊁栓钉[40]㊁加劲肋[41]或斜拉肋[42]等局部加强措施,如图1a ~1g 所示,这些局部加强构造一定程度上延缓了柱端塑性铰的形成与发展㊂a 钢板约束;b 角钢约束;c 纤维复合材料约束;d 拉杆约束;e 栓钉约束;f 加劲肋约束;g 斜拉肋约束;h 内拉筋约束㊂图1㊀各种约束方式下的钢管混凝土柱由于钢管对混凝土的约束作用为间接被动约束,丁发兴[43]在比较各种约束方式后提出了内拉筋约束钢管混凝土柱技术,如图1h 所示,并揭示了内拉筋直接约束混凝土的工作原理㊂此后,丁发兴课题组开展了端部拉筋钢管混凝土柱抗震性能试验研究,截面形式包括矩形[44]㊁圆形[45]㊁椭圆形[46]㊁圆端形[47]等,探讨了拉筋与钢管内表面接触方式的影响[48],试验结果表明,实际轴压比高达0.8的超高轴压比钢管混凝土柱仍呈现延性破坏,且钢管混凝土柱塑性铰展现出小偏压和大偏压两个阶段,其韧性得到进一步提升㊂同时,课题组基于体-壳元模型进行了有限元模拟,其中混凝土采用实体单元,钢管采用壳单元,拉筋采用杆单元,分析结果表明,压弯荷载下拉筋具有降低界面滑移㊁直接约束混凝土以及促进钢管抗弯等效果,从而提高抗弯刚度㊁承载力和耗能能力,其中拉筋大幅度提高了混凝土的耗能能力[49]㊂1.3㊀钢管混凝土柱-组合梁节点作为钢-混凝土组合结构的关键传力部位,组合节点的剪力主要通过钢梁腹板传递,其次通过节点区混凝土和钢管壁间的黏结力和摩擦力传递,而弯矩则主要由加强环板㊁内隔板等构件传递[50]㊂现有节点试验不少是以钢管混凝土柱和纯钢梁的连接为研究对象,而相关组合框架及组合节点的试验研究结果表明,钢梁与楼板在进入弹塑性阶段之后仍能发挥明显的组合效应[51],这种组合效应能显著提高结构的刚度㊁强度及耗能能力,抑制钢梁上翼缘屈曲,增强钢梁的稳定性[52]㊂另外,当节点区域受正向弯矩作用时,楼板与钢梁的组合效应更为显著[53-54],楼板的存在将使中性轴上移,导致钢梁下翼缘应变明显增大,从而促使下翼缘更易发生屈服及破坏,降低组合梁的转动能力[55]㊂鉴于钢筋混凝土楼板对节点区域及结构体系具有重要影响,笔者仅对考虑楼板的组合节点抗震性能试验进行梳理㊂组合梁节点及框架试验表明负弯矩区钢梁下翼缘由于受压易过早出现局部屈曲和失稳的问题,李杨等[56]在普通组合梁负弯矩区下翼缘增设一块混凝土板,开展了钢-混凝土双面组合梁节点的抗震性能试验,与普通组合梁节点相比,双面组合梁节点具有更高的刚度和承载力,但在刚度退化㊁延性系数和耗能能力等方面无明显优势㊂在削弱式节点方面,Xiao 等[57]和Li 等[58]对带楼板的狗骨式节点进行了拟静力试验,结果表明,减小梁截面可促进削弱区域塑性铰的形成,有效避免节点核心区焊缝撕裂㊂在传统刚性节点方面,聂建国课题组先后完成了内隔板式节点[59]㊁栓钉内锚固式节点㊁外隔板式节点[60]和内隔板贯通式节点[61]的拟静力试验研究㊂研究发现:内隔板式节点表现出较强的极限承载能力,但其位移延性系数低;而栓钉内锚固式节点具有较强的变形能力,但极限承载力较低;相比之下,外隔板式节点和内隔板贯通式节点在极限承载能力㊁位移延性系数和耗能能力等方面均具有良好的性能[60-61]㊂此外,聂建国等[62]建立了组合节点剪力-剪切变形曲线的恢复力模型,提出了组合节点屈服抗剪承载力和极限抗剪承载力计算公式㊂韩林海课题组[63-64]采用外环板式节点对圆钢管混凝土柱-组合梁节点进行拟静力试验研究,提出了节点的抗剪承载力公式和核心区剪力-剪切变形恢复力模型㊂周期石等[65]提出了楼板钢筋和钢梁翼缘削弱穿入钢管混凝土柱的刚接节点,发现楼板钢筋的穿入增强了节点区域钢梁抗弯刚度和楼板的组合效应,而钢梁翼缘削弱的穿入降低了穿入钢梁对浇筑柱中混凝土的影响㊂研究表明,对于钢梁翼缘削弱穿入钢管混凝土柱的刚接节点,当削弱程度不大时,节点具有良好的抗震性能,但仍将降低节点的刚3丁发兴,等/钢结构(中英文),38(12),1-26,2023度㊁承载力和耗能能力㊂在半刚性节点方面,Mirza等[66]分别对半刚性单边螺栓节点进行了静力和拟静力试验,并根据有限元分析结果给出了构造设计方法㊂王静峰等[67-69]进行了半刚性单边螺栓节点试验,包含圆㊁方钢管和带纵向加劲肋钢管的拟静力试验以及带纵向加劲肋钢管混凝土柱的拟动力试验㊂试验结果表明,圆钢管混凝土柱-组合梁节点的承载力和弹性刚度要大于方截面[67];外伸端板连接节点的承载力和弹性刚度要大于平齐端板连接,而其转动能力和延性性能要低于平齐端板连接[68-69]㊂Yu等[70]提出了上焊下栓式的节点连接方式,即钢梁上翼缘与柱隔板焊接,下翼缘与柱隔板通过螺栓连接,螺栓连接处板件的滑移有利于降低钢梁下翼缘应力,避免出现过早断裂的现象㊂欧洲规范[71]中,根据初始转动刚度大小,将节点分为铰接㊁半刚性连接和刚性连接;根据抗弯承载力大小,将节点分为铰接㊁部分强度和全强度㊂Ding 等[72]认为该分类标准对于半刚性连接节点的定义较为宽泛,难以准确判定试件的类型,应根据节点的初始转动刚度㊁抗弯承载力和耗能能力等性能指标综合定义,并将其细化为半刚接㊁准刚接㊁Ⅰ类刚接和Ⅱ类刚接四类㊂据此,丁发兴等[73]完成了端板螺栓连接和加强环连接组合梁节点的拟静力试验,利用柱内拉筋 强柱 构造和加劲肋 强梁 构造技术实现了节点核心区强连接,显著提升了螺栓连接节点的初始转动刚度㊁抗弯承载力和耗能能力,使栓连节点达到了刚性节点的性能要求㊂同时,内拉筋 强柱 构造技术实现了轴压比高达0.8时,组合节点梁端发生弯曲破坏的失效模式㊂除了以上相关平面框架组合节点抗震性能试验研究外,樊健生等[74-75]从加载路径㊁混凝土楼板㊁柱类型及节点位置等方面对空间组合内隔板贯通式节点进行了拟静力试验,结果表明空间受力的节点在承载力和延性性能等方面均有明显下降,因此平面荷载作用不能完全反映其抗震性能,在节点设计中应考虑空间荷载的耦合作用㊂2㊀钢-混凝土组合结构体系抗震性能组合梁㊁柱及其组合节点等构件的研究最终以在结构体系中的应用为落脚点,因而各类组合构件集成后的体系响应是工程实践重要的关注点之一㊂笔者以钢-混凝土组合框架结构为主要对象,根据不同试验方法分别梳理了研究者在有关结构体系抗震方面的研究成果㊂2.1㊀试验研究2.1.1㊀拟静力试验Matsui[76]㊁Kawaguchi等[77-78]㊁马万福[79]㊁钟善桐等[80]㊁李斌等[81]㊁王来等[82]㊁李忠献等[83]和王先铁等[84]对钢-混凝土组合框架模型进行了系列抗震性能试验研究,指出钢-混凝土组合框架结构的抗震性能要优于钢筋混凝土框架和钢框架结构㊂为研究混凝土楼板在框架结构中的组合效应,聂建国等[85]完成了4层单跨纯钢框架和组合框架结构的拟静力试验㊂结果表明:与整体性较差的纯钢框架相比,组合框架的抗侧刚度因混凝土楼板空间作用而大幅提升㊂Tagawa等[86]㊁Nakashima 等[87]和聂建国等[52,88]分别进行了足尺框架子结构拟静力试验,探讨了混凝土楼板对结构刚度㊁强度㊁耗能及变形能力的影响规律,确定了在结构设计中楼板组合效应的有效计算宽度㊂王文达等[89]㊁王先铁等[90]和余志武等[91]以柱截面形状㊁材料强度㊁含钢率㊁轴压比和梁柱线刚度比等为研究对象,对组合框架结构开展了往复荷载作用下的试验研究,探讨了各参数对组合框架结构抗震性能的影响规律,提出了钢管混凝土框架荷载-侧移实用恢复力模型及位移延性系数简化计算方法㊂王静峰等[92-94]和王冬花等[95]研究了往复荷载作用下半刚性单边高强螺栓连接组合框架的抗震性能和破坏机理,分析了滞回及骨架曲线㊁强度和刚度退化规律㊁延性及耗能能力等力学性能指标,并建立了半刚性钢管混凝土框架的弹塑性地震反应分析模型,提出了一种适用于半刚性钢管混凝土框架的P-Δ关系曲线的简化二阶方程和弹塑性层间位移的简化计算方法㊂此外,赵均海等[96]提出了装配式复式钢管混凝土框架结构及其极限承载力简化计算方法,阐述了柱-柱拼接节点和加强块梁柱节点在此类结构中的应用效果㊂Ren等[97]和王波等[98]在钢管混凝土框架中增设屈曲约束支撑装置,研究水平反复荷载作用下耗能减震部件对结构抗震性能的影响㊂结果表明:增设屈曲支撑不仅对结构的刚度和承载力有提升作用,还能延缓塑性铰的形成,增强结构延性和耗能能力㊂丁发兴等[99]完成了2层2跨组合框架对比试验研究,结果表明:内拉筋强柱构造措施提升了框架结构的刚度和承载力,延缓了柱端塑性铰的形成,增强了结构延性和耗能能力㊂由此可见,内拉筋提升框架柱的刚度㊁承载力和耗能能力,其效果相当于增4钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展设屈曲支撑㊂2.1.2㊀拟动力试验宗周红等[100]通过对缩尺比例为1/3的半刚性两层空间组合框架的拟动力试验,从层间刚度㊁自振频率㊁加速度反应㊁位移反应和滞回曲线等方面评估了该结构的动力响应和耗能性能,研究了峰值加速度㊁频谱特性和强震持续时间对结构动力响应和力学性能的影响,建立了组合框架结构动力分析模型㊂Herrera等[101]按照3/5的比例对一幢节点采用T型连接方式的4层组合框架进行了拟动力试验,结果表明此类节点的组合框架满足美国相关设计标准㊂在半刚性节点组合框架方面,He等[102]对缩尺比例为4/7的端板螺栓连接组合框架子结构模型先后进行了拟动力㊁拟静力和静力推覆试验,从层间位移及剪力㊁应变㊁转角和耗能等方面分析结构在多遇地震㊁设防地震㊁罕遇地震和超罕遇地震水准下的动力响应㊂完海鹰等[103]对节点采用长螺栓式双腹板顶底角钢半刚性连接的钢管混凝土框架进行拟动力试验研究,探讨不同峰值加速度下结构的受力特征㊁刚度退化㊁动力响应及耗能能力㊂王静峰等[104-105]通过两组拟动力试验分别研究了钢管混凝土柱-组合梁框架和钢管混凝土柱-钢梁框架的动力性能和破坏特征,探讨了柱截面形式和端板类型对结构性能的影响㊂试验结果表明,圆形柱组合框架的最大位移响应和累积耗能均大于方形柱组合框架,但其初始刚度和承载力则弱于方形柱组合框架㊂此外,王静峰等[106]还采用混合试验方法对装配式中空夹层钢管混凝土组合框架开展了拟动力试验研究,分析了该组合框架结构在峰值加速度为0.62g和1.24g时的动力响应和破坏机理㊂在屈曲约束支撑组合框架方面,Tsai等[107-108]完成了多级地震作用下3层3跨足尺钢管混凝土柱屈曲约束支撑框架拟动力试验研究,探讨了屈曲约束支撑对结构整体抗震性能的影响,并从有效刚度㊁耗能和位移延性系数等方面评估了支撑构件连接方式的有效性㊂郭玉荣等[109]完成了防屈曲支撑组合框架子结构拟动力试验,提出了防屈曲支撑可增强结构的抗侧刚度和变形恢复能力㊂2.1.3㊀振动台试验黄襄云等[110-111]利用振动台试验对5层2跨2开间钢管混凝土空间框架结构的动力特性㊁加速度反应和位移反应进行了分析,并分别按等强度㊁刚度㊁截面积的原则将钢管混凝土柱换算成钢筋混凝土柱进行试算,综合评定了该结构的抗震性能㊂杜国锋等[112]采用单输入㊁单输出方式对8层单跨2开间钢管混凝土柱-钢梁框架进行动力特性试验,并通过3种不同地震波作用分析了结构的最大地震作用力㊁层间剪力㊁位移和应变反应㊂邹万山等[113]通过振动台试验得出,不同频谱特性的地震波对模型结构的加速度和位移反应分布曲线形状影响较小,且模型各层绝对加速度主要由前两阶振型决定,其他高阶振型的影响可以忽略㊂罗美芳[114]研究了不同工况下4层钢-混凝土组合框架结构的动力响应及破坏模式,评价了该结构的抗震性能㊂童菊仙等[115-116]设计并制作了有㊁无侧向耗能支撑的5层单跨2开间的方钢管混凝土柱框架模型,利用振动台试验对两种框架的动力特性和地震响应进行分析,得到了结构的振型㊁周期和阻尼比等基本属性,以及地震波作用下的位移㊁加速度和应力响应㊂结果表明:即使没有楼板的组合作用,结构仍具有较好的抗震性能;侧向支撑可承担部分水平地震作用,减小了结构的动力反应㊂陈建斌[117]和吕西林等[118]完成了国内首个方钢管混凝土高层组合框架-支撑结构振动台试验㊂试验中发现结构支撑体系的破坏较为严重,试验结果表明:该结构的动力性能介于钢筋混凝土结构和钢结构之间且更倾向于钢结构,其塑性㊁韧性和抗震性能表现良好,并通过计算结果显示阻尼器对加快结构峰值反应后的振动衰减具有较大作用㊂为研究地震作用下半刚性连接组合梁框架的动力特性以及破坏模式,李国强等[119]进行了1个足尺半刚性连接组合梁框架结构模型振动台试验研究㊂结果显示:当峰值加速度高达1.2g时,结构整体仍未发生明显损坏,表明该结构形式可满足高烈度区域的抗震设防要求㊂Han等[120]对两个由组合框架结构和钢筋混凝土剪力墙混合形成的高层建筑模型进行了振动台试验,对比分析了圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱对该混合结构体系整体性能的影响,验证了组合框架结构与核心剪力墙结构在地震作用下优良的复合效应和抗震性能㊂2.2㊀理论分析静力弹塑性分析法是以反应谱为基础,首先依据抗震需求谱和结构能力谱得到地震作用下建筑结构所产生的目标位移,随后在建筑结构上施加稳定的竖向荷载,同时施加单调递增的水平荷载直至达到目标位移,最后评估结构最终状态下的抗震性能㊂通过该方法可以评估地震作用下结构的内力和变形5。

清华大学学报(自然科学版)10/33　　1998年第38卷Jo urnal of T sing hua U niver sity (Sci &T ech)第10期第35～37页　钢—混凝土叠合板组合梁抗震性能的试验研究*聂建国,　余洲亮,　叶清华清华大学土木工程系,北京100084; 北重建筑工程公司,北京100039 收稿日期:1998-02-25 第一作者:男,1958年生,副教授　*国家教委开放实验室基金项目文　摘　为研究钢—混凝土叠合板组合梁在低周反复荷载作用下的变形和耗能性能,完成了6根钢—混凝土叠合板组合梁在低周反复荷载作用下的试验。

对试验结果进行了讨论和分析。

试验研究结果表明,钢—混凝土叠合板组合梁具有良好的整体性能及抗震性能,文中给出了组合梁的变形延性指标、刚度折减系数等计算公式,结果对于钢—混凝土叠合板组合梁的抗震设计具有较好的参考价值。

关键词　钢—混凝土组合梁;反复荷载;变形性能及刚度折减分类号　T U 312.3 钢—混凝土组合结构正在得到越来越广泛的应用,在地震区采用组合结构,了解其抗震性能是重要的,合理而又经济的结构抗震设计,必须充分利用结构的非弹性变形性能。

如所周知,混凝土的抗震性能相对比较差,而钢梁却具有良好的塑性变形能力,其屈服平台可以达到屈服应变的10倍以上。

因此,如何充分利用钢梁的塑性变形能力以吸收动力作用并且合理地利用这种能力,对于抗震设计是有意义的。

国内外已有不少学者对钢筋混凝土构件抗震性能进行了研究[1],但对钢—混凝土组合结构的抗震性能研究较少[2,3]。

钢—混凝土组合梁属于复合构件,钢梁和混凝土共同工作的能力将直接影响这种构件的性能。

为了研究钢—混凝土组合结构体系节点负弯矩区的抗震性能,通过组合梁在反复荷载作用下的试验来模拟,以考察节点组合梁负弯矩区在反复荷载作用下的性能。

1　试验研究为了模拟钢—混凝土组合结构体系节点负弯矩区的抗震性能,设计了钢—混凝土叠合板组合梁在低周反复荷载作用下的试验,并通过试验考察纵向配筋率的变化以及剪力连接程度对这种组合梁的延性和极限承载力的影响,钢梁塑性铰区长度的发展情况,按照塑性极限状态方法设计了6根钢—混凝土简支叠合板组合梁试件(编号依次为SCB -13,SCB-14,SCB-15,SCB-16,SCB-17,SCB-18)。

土木工程学报CHIN A CIVIL ENGINEERING JOURNAL第41卷第11期2008年11月Vol.41No.11Nov.2008基金项目：国家自然科学基金（50778103）、北京市自然科学基金（8071003）和长江学者和创新团队发展计划(IRT00736)作者简介：聂建国，博士，教授收稿日期：2008-03-31槽形钢-混凝土组合梁及其应用前景初探聂建国吴丽丽樊健生吕坚锋（清华大学，北京100084）摘要：提出一种适用于轨道桥梁的新型槽形（Ｕ形）钢-混凝土组合下承式桥梁，它是指在槽形截面的钢梁内侧浇筑混凝土，钢板与混凝土通过抗剪连接件组合成整体共同工作。

这种结构形式不仅继承了传统混凝土槽形梁结构的特点，而且具有许多自身的优点，钢板可以代替模板，故无需模板或使用较少模板进行施工；结构受拉区外包钢板，既避免了混凝土裂缝暴露，又具有较好的防撞功能，结构的耐久性好。

下层钢板在横向和纵向均可以充分发挥抗拉强度，大大简化了构造，减少钢筋绑扎、焊接以及横向预应力张拉的困难。

对这种槽形组合梁截面形式的比选进行了初步有限元分析。

结果表明，截面各参数对结构受力性能的影响程度不同，其中混凝土底部纵向肋宽度、混凝土翼缘厚度及腹板高度等是较敏感因素；温度和混凝土收缩徐变对结构受力性能的影响也较大。

在竖向荷载的作用下钢梁底板和混凝土底板的中面纵向应力沿板宽的分布均表现出一定的剪力滞后现象。

还指出关于这种新型组合梁今后值得进一步研究的问题。

关键词：槽形钢-混凝土组合梁；轨道桥梁中图分类号：ＴＵ３１８＋．１文献标识码：Ａ文章编号：１０００-１３１Ｘ（２００８）１１-００７８-０８Preliminary study of channel steel -concrete composite beam and applicationNie Jianguo Wu Lili Fan Jiansheng L üJianfeng（Tsinghua University,Beijing 100084,China ）Abstract:A new type of channel （U -shape ）section （steel -concrete ）composite girder bridge is presented.It is a component that concrete is cast at the interior of the steel -concrete channel section steel beam prefabricated from steel plates,and the steel plates and the concrete are integrated through shearing connectors and work together.While inheriting the characteristics of traditional concrete channel beams,this type of structure possesses its own merits,including that with steel plates substituting formwork,construction may proceed with few or no formwork.The tension areas of the structure are wrapped with steel plates to improve the durability,for it not only avoids the exposure of concrete cracks,but also provides protection from impact.The tensile strength of the steel plate at the bottom can be made full use for both the transversal and the longitudinal directions,which greatly simplifies the fabrication of the structure,including make the assembling,welding of reinforcement,and the transversal tension of the prestressing tendon easier.A series of design methods,including calculation methods for flexural capacity,longitudinal and vertical shear resistance,torsion behavior,rigidity,deformation,crack resistance,and creep,as well as the construction details and techniques,will be proposed on the basis of experimental and theoretical studies.A preliminary finite element analysis on the sectional types is carried out.It is shown that the parameters of the section have different impacts on the performance of the paring with others,the width of the longitudinal rib of the bottom concrete,the flange thickness and the web height of the concrete are relatively more sensitive factors.In addition,temperature and contraction,creep of the concrete also have much influence on the structural behavior.Shear lag is exhibited to some extent for the longitudinal middle -plane stress distribution along the direction of width of the bottom panel of the steel girder and concrete under the vertical loads.Keywords:channel steel -concrete composite beam;railway bridge E -mail:niejg@··第４１卷第１１期引言随着城市经济建设进程的加快，交通拥堵正在成为制约其发展的瓶颈之一。

行业交流第六期：钢—混凝土组合桥梁嘉宾：聂建国中国桥梁网主持人：各位中国桥梁网网友大家好！欢迎您来到中国桥梁网行业交流现场，我是主持人王景云。

今天我们有幸邀请到的嘉宾是钢—混凝土组合结构专家、清华大学、博士生导师聂建国教授。

我们欢迎聂教授。

聂老师长期致力于钢-混凝土组合结构的研究与工程应用，对组合结构开展了深入的科学研究，研发了钢-混凝土组合结构新体系和新技术，完成了一系列组合结构的实验研究并发展了相关设计计算方法。

在钢-混凝土组合结构桥梁方面，发展了钢-混凝土叠合板组合梁桥、波形钢腹板组合梁桥、钢-混凝土组合锚固技术、钢-混凝土组合加固和加宽既有混凝土桥梁技术、以及相关设计计算方法等，部分成果已经成功应用于重庆观音岩长江大桥、深圳北站大桥、山东潍坊济青高速立交桥、南宁竹溪大道-民族大道立交桥、北京大屯路隧道、北京紫竹院桥加固改造等工作中。

欢迎聂老师来到我们的直播间，请聂老师与我们的广大网友打个招呼。

聂建国：好，谢谢主持人。

中国桥梁网主持人：钢-混凝土组合结构具有良好的理性性能和施工性能，采用结合技术建造桥梁能够产生很高的综合经济效益，近年来国内外的有关研究和工程应用越来越多，今天，聂老师将要就“钢-混凝土组合桥梁”与大家进行交流。

聂老师，我们知道您在钢-混凝土组合结构这一领域是专家，很有发言权，那么首先请您跟我们的广大网友分享一下您近期所做的研究工作。

聂建国：谢谢主持人。

我目前的研究方向包括超高层、今天主要是桥梁建筑，在桥梁方面我们最近几年主要研究的一些方向，或者是课题包括大跨度组合结构桥梁体系的研究，这是一个方向，另外一个方向是改进型波形钢腹板组合桥梁研究；第三个方向是钢-混凝土组合技术在绩优桥梁加固改造过程中的意义。

另外我们还对钢-混凝土组合锚固、组合桥面系包括实践效应等等，另外在最近给天津市承建的工程中研究设计了比较好的钢-混凝土组合。

谢谢中国桥梁网主持人：聂老师是非常细心的专家，接受我们的邀请之后做了精心的准备，关于钢-混凝土这一块有些网友跟我们的工作人员反映还不是很了解，先请聂老师简单的整体介绍一下“钢-混凝土组合桥梁”这一块的整体情况。

聂建国:追逐土木工程强国梦
作者：暂无
来源：《发明与创新·大科技》 2019年第5期
聂建国,男,1958年出生于湖南省衡阳县,中共党员,结构工程专家。

1982年1月毕业于湖南大学土木工程系获学士学位,1984年12月毕业于郑州工学院(现郑州大学)土木建筑工程系获硕士学位,1985年1月至1989年1月在郑州工学院土木建筑工程系任教,1992年1月毕业于南斯拉夫铁托格勒大学土木工程学院获博士学位,1994年11月于清华大学土木工程系博士后出站并留校任教至今。

现任清华大学教授、清华大学未来城镇与基础设施研究院院长、清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室主任、清华大学学术委员会副主任、清华大学科学技术协会副主席。

2013年当选为中国工程院院士。

聂建国长期从事钢-混凝土组合结构的研究与推广应用工作,研发了一系列组合结构新形式和新技术,发展了组合结构设计计算理论和设计方法,拓宽了组合结构的工程应用领域,为实现组合结构体系层面的突破做出了重要贡献。

以第一完成人获国家技术发明奖一等奖和国家科技进步奖二等奖各1项。

曾获2018年度何梁何利基金科学与技术进步奖、中国钢结构协会首届钢结构杰出人才奖、第九届光华工程科技奖工程奖以及全国优秀科技工作者、全国模范教师、全国先进工作者等荣誉。