德国组合结构桥梁发展现状(2011)

美桥欣赏德国 Gallery Einhausen Werra Viaduct 本文为结合 Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Hanswille

美桥欣赏

德国 Gallery Einhausen Werra Viaduct

本文为结合 Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Hanswille 部分文章整合翻译而得，虽然时间较早 (2011年) ，但仍然极有价值，与各位同仁共享。

一、德国组合梁桥技术现状

德国在2003年引入钢、混凝土及组合结构桥梁欧洲规范 。新一代设计规范的发展和实行，以及德国统一后东部地区几条新高速公路的建设催生出很多新型的组合结构桥梁。 本文概述了组合结构桥梁设计的新发展，以及欧洲新一代设计规范的经验和影响。

以下将对使用新规范后组合结构桥梁设计的新发展进行简要介绍。

在过去的15年里， 德国组合结构桥梁数量显著增加 。这一发展的主要原因是这种类型桥梁结构的高耐久性和坚固性，以及 中小跨径桥梁和上部结构的新型截面和施工方法快速发展 。

除了上面所述，钢混组合梁桥数量增加的进一步原因是：

1、采用钢混凝土组合梁结构的桥梁通常较纤细， 有很高的美学价值 ，这全赖于具有良好抗拉强度的结构钢材与有很高抗压强度的混凝土的合理组合。

2、通过 限制裂缝宽度 ，普通钢筋混凝土板可以达到 很好的耐久性和疲劳强度。

3、和钢桥相比，组合结构桥梁在 冬天有更好的抗冻性能 。

4、与同样跨径同样结构形式的纯混凝土相比， 桥面系具有较小的自重 ，在处理基础和支座沉降方面有优越性。

5、组合结构的施工方法不断创新，通常用于跨越现有铁路或高速公路的桥梁中，并且在架设期间不必限制交通；

当现有的高速公路在 每个交通方向都有两条行车道加宽时，组合结构桥梁的架设时间较短，避免了对交通的较长限制 。

下面是一些新型创新型组合结构桥梁的典型例子。 德国统一后，特别是东部修建了几条新的高速公路 。

以上的优点也解释了为什么这些 高速公路50%以上桥梁都是组合结构桥梁 。

二、典型开口截面(槽型)或箱型截面组合梁桥

德国交通部对于高速公路中单侧行车方向有两条或三条车道的情况有一条特别 规定，即各行车方向需采用两幅分离式的上部结构。 采用这种 2+2分离式的车道形式 后，若其中 一幅进行检修维护或因其他原因而要封闭道路时，另外一幅上部结构可以满足行车需求。 而且德国设计规范中建议组合结构桥梁中应 避免使用有粘结的预应力混凝土桥面板 。

为了使混凝土桥面板有 很高的耐久性 ，在设计规范中给出了特定钢筋细部构造情况下的混凝土桥面板 最小厚度 ，还规定在采用普通开口和箱型截面时裂缝宽度限制在 0.2mm以下 。在组合系杆拱桥中混凝土受拉构件上裂缝宽度限制为 0.1mm~0.15mm。

为了满足这些要求，只能使用 特殊类型的截面 。下面所示的一些截面形式满足这些规定要求。

主梁为轧制或焊接钢板组合梁 ?Gerhard

槽型钢混组合梁 ?Gerhard

小箱子组合梁 ?Gerhard

Einhausen Werra 桥 ?Gerhard

在过去几年中，采用分离式 封闭箱梁截面的组合结构桥梁变得非常流行 ，因为这种类型箱梁构件可 完全在工厂中加工制作 ，然后运输至现场，吊装拼接后总长即为桥梁跨径（即可成桥）。

对于墩高为 40m 左右的桥梁，起重机可轻易将这些箱梁节段吊装就位。在 钢箱的扭转约束作用 下， 普通钢筋混凝土桥面板宽度可以达到17m。

并且在这些桥梁中 只在中支点采用了横梁 ，在 桥台处采用了混凝土端横梁 。这种结构形式的桥梁较为经济，且工期较短，现在造价为 1000欧元/ ㎡ (作者写作时) 以内。

下面介绍了两座采用这种结构形式典型的桥梁， Schleusetal桥以及A1高速公路中跨越鲁尔河的一座桥。

Schleusetal桥 采用分离式箱型组合梁截面，主梁间距为 7.0m ，桥面宽度为 13.65m ，总长 680m ，共分 10 跨，跨径布置为 55m+72.5 m +80 m +80m +80m +75.0 m +72.5 m +67 m +58 m +40 m 。

施工过程：钢梁工厂预制，现场吊装， 桥面系采用移动模架现浇施工 。

跨径布置及截面形式 ?Gerhard

建成 ?Gerhard

钢梁运输 ?Gerhard

钢梁吊装 ?Gerhard

浇筑混凝土 ?Gerhard

模板示意图

鲁尔河某桥， 位于哈根 A1 高速公路附近，跨越鲁尔河。主梁采用变截面封闭箱型组合梁结构，支点处钢梁高 4.50~4.78m ，跨中处钢梁高 3.20~3.46m ，主梁间距 8.5m ，桥面宽度 17.96m ，三跨连续，跨径布置为 73.48m+95.77m+71.83m 。

立面图 ?Gerhard

横断面 ?Gerhard

端横梁 ?Gerhard

效果图 ?Gerhard

组合结构桥梁中采用 开口截面多主梁结构体系 的一个典型事例就是 Langerfeld桥 ，这种截面形式可采用不施加预应力的混凝土桥面板。

A1 高速公路目前是双向四车道，不能充分满足车辆通行要求。为了缓解交通拥堵状况，疏导交通，现在原先多数为预应力混凝土桥梁的基础上新建了新型的组合结构桥梁，将高速路拓宽为双向六车道。

Langerfeld桥 处于 A1 高速公路路线中，桥桥面总宽 36.75m ，一幅宽为 18.5m ，另一幅宽 18.25m, 总长 316.5m ， 8 跨连续，跨径布置为 30.5m+40.0m+42X5m+36m 。

立面图 ?Gerhard

横断面 ?Gerhard

架设钢梁 ?Gerhard

浇筑桥面板 ?Gerhard

建成后桥下景观 ?Gerhard

中间支座构造细节 ?Gerhard

Neu?tting桥——双层组合箱梁桥， 主梁采用 变截面开口箱型组合箱梁结构 ，支点处钢梁高 7m ，跨中处钢梁高 3m ，主梁间距 8.5m ，桥面宽度 17.96m ，三跨连续，跨径布置为 73.48m+95.77m+71.83m 。桥面总宽 30.00m ，上下行双幅桥面，每幅宽 15m ，跨中钢箱底面宽度为 6.99m ，支点处钢箱底面宽度为 6.23m 。

立面图 ?Gerhard

横断面 ?Gerhard

Altwipfergrund 桥，折腹式箱梁桥。

三、长悬臂混凝土桥面板组合箱梁桥

德国在统一后，在东部地区新建了很多高速公路，其中一部分穿越 Thuringian-Forrest （图灵根 - 福瑞斯特）山区，那里是著名的假日胜地。

处于这一地区的桥梁在规划设计时要考虑许多方面的要求： 环境要求，尤其是美学上的要求 。所以在这个地区 采用长悬臂混凝土桥面组合箱梁较多 ，而并非采用传统的双向分离式桥面及桥墩。

这种截面包括宽约 9 ～ 12m的钢箱主梁 ，及一个中纵梁，两个边纵梁。桥面板采用总宽 28m ～ 30m的混凝土板 ，横向支承于箱梁腹板及纵梁上方。截面采用 5 ～ 6m间距的横向支撑 ，横向支撑采用箱内箱外的对角斜撑形式，并在混凝土桥面板中设置横向组合受拉构件。

在过去的15年中，德国东部地区高速公路中 建成了很多采用这种截面形式的组合桥梁 ，如下面图中所示。

长悬臂混凝土桥面组合箱梁同样也是一种 较为经济的选择 ，桥面面积内每平米用钢量为 220 ～ 260kg/ ㎡，桥梁（包括桥面板、桥墩、桥台）总造价为 1100 ～ 1400欧元/ ㎡。

Albrechtsgraben 桥 ?Gerhard

Reichenbachtal 桥 ?Gerhard

Elben 桥 ?Gerhard

Schwarza 桥 ?Gerhard

Oehde 桥 ?Gerhard

在设计桥面板时要考虑三个主要影响：

1、 桥面受局部交通荷载的弯曲作用 ，局部弯矩主要作用于横向；

2、桥面是作为 组合箱梁和附加纵梁的上翼缘而存在 的，即有可能 受压，也会受拉 ；

3、 在横桥向，桥面板作为横撑的一部分，是横向受拉组合构件 。

横向受拉构件采用的不同构造细节设计 ?Gerhard

不同构造细节的比较 ?Gerhard

在德国，通常要求 每个交通 方向都要求有独立的桥梁 ，这样其中一桥进行重大维修时， 能够分流其余桥上的全部交通 。

混凝土桥面 是桥梁中 最易受损 的部分。由于 混凝土桥面板和钢梁两者有着不同的寿命期 ，并考虑到 未来预期激增的公路交通和局部轮载 , 与桥梁中钢梁部分对比， 混凝土桥面板必须被看作是磨耗部分。

因此在设计中，考虑到在 未来更换桥面 时， 部分混凝土桥面在更换的同时 ，在桥面的 另一半上保持双向交通流 。在此过程中， 部分桥面板将会被高压水法切割，并且替换成新的桥面板 。

在此过程中， 上部结构中会产生巨大的附加应力，在设计和施工作程中必须考虑 。

下图局部更换桥面板的几种不同方法。

局部更换混凝土所产生的问题均是非对称荷载及扭转翘曲变形所引起的。不同方法的选择主要取决于桥梁跨径， 方法A仅适用于小跨径桥梁 ，桥面先沿纵向拆去长度为12m～15m的一半桥面。

方法B在更换桥面时分两步进行， 先拆去悬臂部分桥面，替换为新桥面，再拆去内部一半，进行替换 。

另外还有一种方法 可避免在替换桥面板时，截面形成开口 ，即方法C，在 主梁中设置临时横向支撑 。 为了减少扭转及翘曲影响可以配合使用压重措施。

替换混凝土桥面板的不同方法 ?Gerhard

不同方法替换混凝土桥面板时，桥面板中的法向应力 ?Gerhard

混凝土桥面通常采用分段施工方式， 浇注长度一般为15m-28m。

图 1.2.35 中所示为不同桥面板浇注顺序。

一般可以采用如图所示 3 种不同的浇注顺序。

方案 I 为沿同一方向连续浇注；

方案 II 也为按同一方向浇注，但是先浇注跨中段混凝土，在跨中混凝土生效后，再浇注支点处混凝土；

方案 III 沿跨径反方向依次逆向浇注，如下图所示。

图 1.2.35 中同时也 反映了不同浇注顺序对混凝土自重在组合截面中产生弯矩的影响。

从弯矩图中，我们可以清楚看出同一连续梁浇注顺序不同，梁上弯矩的分配也会有巨大的不同。

方法 I 会在中支点处产生较大的负弯矩，考虑到耐久性及混凝土开裂的影响， 方法I仅在跨径小于40m的中小跨径桥梁中推荐采用 ，对于 较大跨径桥梁 ，应 按照方案II及方案III的顺序进行施工 。 在过去的几年中方案III成为跨径超过50m的组合梁桥的标准施工方法。

不同浇筑顺序对混凝土自重

在组合截面中产生的弯矩影响 ?Gerhard

在浇注混凝土时， 一般采用移动模架系统 。箱内、箱梁间以及外侧纵梁的模板由临时支撑上的模板台座组成，并且可 通过楔块升降 。

对于 外侧悬臂部分 混凝土桥面的施工，可以考虑两种解决方案： 一种模板支架运行在混凝土板顶部，由箱梁腹板或边纵梁支撑 ，会在 混凝土板中遗留特定的构件 ，模板的悬吊需贯穿桥面板内，造成混凝土浇注困难，同时也不利于混凝土表面质量；

而 另外一种 采用在 桥面板下方移动的模架法 较好的解决了这一问题。

在组合截面中产生的弯矩影响 ?Gerhard

在桥面上方的模板移动支架 ?Gerhard

处于桥面板下方的模板 ?Gerhard

处于桥面板下方的模板(Kirchner系统) ?Gerhard

另外这里对其余几座相似桥梁进行简要的介绍：

Wilde Gera桥（王尔德格拉桥）

A71 高速公路中跨越山谷的王尔德格拉桥，连接埃尔富特和施韦因富特两市，主跨为上承式拱桥，拱上 6 跨 42m 连续组合箱梁，桥面系采用长悬臂混凝土桥面，全桥总长度为 552m, 跨径布置为 30m+36m+42m+42×6m+42m+42m+42m+36m+30m 。

立面图 ?Gerhard

横断面 ?Gerhard

实景图 ?Gerhard

截面细部构造 ?Gerhard

施工阶段：拱肋悬臂拼装 ?Gerhard

钢梁架设过程 ?Gerhard

Albrechtsgraben 桥

同样位于 A71 高速公路上的 Albrechtsgraben 桥，全桥总长度为 770m ，跨径布置为 45m+50m+60m+70m+45m+40m+40m+45m+70 × 3m+60m+55m+45m 。采用 混合体系 ，既有 连续组合箱梁桥 ，又有 上承式拱桥 ，拱上 4 跨 45m+40m+40m+45m 连续组合箱梁，桥面系同样采用了采用 长悬臂混凝土桥面 ，桥面 全宽为29m ，箱梁底板宽度为 8.3m ，斜撑水平长度为 7.5m 。

立面图 ?Gerhard

横断面 ?Gerhard

实景图 ?Gerhard

横向受拉构件与纵向主梁连接构造

Albre桥和Schw桥 ?Gerhard

横向受拉构件细节设计 ?Gerhard

Oehde 桥，配跨：44.7+56+72.8+72.8+64+56+55.7。

立面图 ?Gerhard

横断图 ?Gerhard

实景图 ?Gerhard

横向受拉构件 ?Gerhard

施工方法 ?Gerhard

四、组合系杆拱桥

在 建筑（施工）高度受到限制 的情况下，如跨越运河或者河流的桥梁，混凝土桥面板的组合系杆拱桥是一种常用的组合桥梁系统。

过去混凝土桥面板要么与主结构体系分离 ， 要么与钢结构相连 ， 并在纵向上通过预应力筋施加预应力 。

但在过去几年建成的几座桥中， 钢筋混凝土桥面板通过桥梁两端水平连接与钢梁连接，并且在主系统系杆体系中充当受拉构件。

首座这种类型的组合系杆拱桥是跨越易北河（Elbe River）的D?mitz 桥。

在过去的十几年间，德国北部的几条运河为了提高集装箱运输船的通行能力，都进行了拓宽，因此有必要建造数以百计的新桥，其中大多数采用的是组合系杆拱桥。A1高速公路中的Ladbergen桥和下图所示的其他桥梁只是这类桥梁建设的一些典型例子。

当钢筋混凝土桥面板作为系杆的一部分时， 混凝土开裂以及裂缝间混凝土拉伸刚化效应对内力分布的影响相当大 。最开始的设计规定是在设计 D?mitz 桥时拟定的，这之后 德国设计规范及欧洲规范4第二部分中给出了设计混凝土受拉构件的简化设计方法 。对于这种类型的桥梁， 混凝土桥面裂缝宽度通常限制在0.1 ～ 0.15mm 。另外一个重要的问题就是 局部竖向剪力的传递 。最新的研究成果在欧洲规范 4 第二部分中有所体现。

跨越易北河 ( Elbe River )的 D?mitz 桥 ?Gerhard

Ladbergen桥 ?Gerhard

系杆拱细部构造设计 ?Gerhard

Saale Besedau 桥 ?Gerhard

组合系杆拱桥(跨越莱茵河) ?Gerhard

轴心受拉混凝土拉伸刚化 ?Gerhard

五、公路组合桁架桥

最早的组合桁架桥是在德国高速铁路线上建成的。这类桥型最为著名的是南藤巴赫 Nantenbach铁路桥。

Nantenbach 桥跨越美茵河 ，为三跨连续双层组合组合桁架桥，跨径组合为 83.20m+208.00m+83.20m 。

Nantenbach 桥结构立面图 ?Gerhard

Nantenbach 桥实桥景观 ?Gerhard

Nantenbach 桥截面形式 ?Gerhard

St.Kilian 桥 ?Gerhard

Kragenhofer 桥

Kragenhofer 桥为组合桁架桥，截面形式如下所示：

Kragenhofer 桥 结构立面图 ?Gerhard

Kragenhofer 桥横截面形式 ?Gerhard

Kragenhofer 桥实景 ?Gerhard

六、中小跨径组合梁桥

德国大约有75%的桥梁跨径小于35m ，而且其中 绝大多数采用普通钢筋混凝土或预应力混凝土结构 。

最近几年采用 组合结构桥梁趋势越来越明显 ，尤其是跨越高速公路或铁路的桥梁。

在跨线桥建设时应 尽可能避免对下方交通的限制 ，而组合结构桥梁能很轻易满足这个要求，因为 组合结构桥梁可以采用预制或部分预制构件 ，可以不需桥下临时支撑或桥下方设置模板， 施工方法便捷 ， 并极大地缩短工期 。

图 1.2.76 所示为一典型中小跨径组合桥梁。 主梁采用焊接或者轧制钢截面，全部在工厂中制作加工。 钢筋混凝土桥面板部分在工厂中预制，部分现浇。 横梁只设置在支点处 ，并且通常 采用普通钢筋混凝土横梁 。这种 简易的施工方法避免了在现场施焊 。

Oberhartmannsreuth 桥 ?Gerhard

采用轧制或焊接钢截面的典型中小跨径组合梁 ?Gerhard

小跨径轧制断面组合梁桥优点： 建设时间较短 ； 简易的施工方法 ，现场 无需进行钢结构加工 ； 钢结构加工在工厂中进行 ； 组合截面厚度较小 ；混凝土桥面板 不需施加预应力 。

德国设计规范及DIN104的特殊规则对横梁及其最小尺寸 进行了规定。在内部支承处，当 支座直接支撑在主梁下时 ， 中支点处横梁宽度不应小于60cm ；当 支座不是直接支撑在主梁下 方，如支撑在横梁上时， 中支点横梁宽度不应小于80cm 。

横向支承混凝土梁构造细节设计 ?Gerhard

装配式混凝土构件的详细结构如下图所示。

预制构件 上方的现浇 混凝土厚度hc 在行车道内区域应 不少于20cm 。在其他区域，hc应不小于15cm。

对于 部分预制混凝土构 件，使用了厚度为2cm、宽度为3cm的弹性支撑条。最 小压缩量为3 ～ 5mm，最大值不超过10mm (见图)。

桥面板采用部分预制混凝土构件的构造细节设计 ?Gerhard

中间支点处的纵向钢筋 ?Gerhard

中间支点处的纵向钢筋构造要求 ：

1、中支点处 纵向加强钢筋长度不应小于L=0.15Lst ，式中 Lst为支点处相邻两跨中的较长跨径。

2、 在钢梁梁端 ，由于组合截面中 局部钢筋拉应力 的存在， 剪力连接件的数量应适量增加。

3、 当温度效应 、 车辆荷载和支座沉降在中间支点处产生正弯矩时，下翼缘承受拉力 ，连接件需采用 钢板或大头焊钉配上环筋的形式 。

对于 较小跨径 桥梁， 支承横梁应和混凝土桥面板一次性浇注完成 ；

对于 较大跨径桥梁 ，由于跨中段现浇混凝土较长，则采用 分次浇筑的方法，先浇筑跨中段混凝土，后浇筑支承横梁及支点处混凝土桥面板。

混凝土浇筑 ?Gerhard

为了 节省施工工期 ， VFT梁桥因用而生 。 VFT 梁是在 工厂中预制部分组合截面 ，包括 焊接钢梁及部分预制混凝土翼缘 ，然后运输至现场。如图 1.2.82 及图 1.2.83 所示为新型 VFT 梁和 VFT 填充梁。 (将在后续文章中阐述，敬请期待)