斜拉桥是一种自锚体系组合桥，斜拉索水平分力由主梁自身承受，因此主梁大多区域是承受着较大轴力的压弯结构。夹芯板式钢-混凝土组合截面斜拉桥主梁，是对现有组合梁斜拉桥的一种改进。它将混凝土桥面板置于钢-混凝土组合结构的中性轴附近，当组合梁承受负弯矩时，混凝土桥面板受到弯矩拉应力影响很小，基本上以承压为主，从而最大限度地发挥混凝土的抗压能力，减少钢材用量。同时避免了传统组合梁桥面板受拉开裂问题，增加了钢和混凝土的使用耐久性，给斜拉桥结构注入了新的技术思想。

“夹芯板”组合梁的优势

斜拉桥按主梁的材料不同可大致分为钢斜拉桥、组合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥三大类别。其中，目前最大跨径的是钢（箱混合梁）斜拉桥（俄罗斯岛大桥），其次是组合梁斜拉桥。

组合梁斜拉桥通过桥面板混凝土参与主梁压弯构件的承压，可以减少主梁钢材用量；同时，它又比纯混凝土主梁轻很多，进而减少斜拉索的用量。正是因为有这些优点，才使得组合梁斜拉桥在我国乃至世界范围内都得到了较为广泛的运用。但是，在荷载作用下，不可避免地会产生主梁负弯矩，也就难免会在混凝土桥面板上出现活载拉应力（这是不同于简支组合梁之处，目前的组合梁规范也只限于简支梁，铁路暂规对受拉侧混凝土板有了新规定）。当从恒载获得的主梁预压应力不足以抑制活载拉应力效应时，桥面板就处于受拉状态，当拉应力达到一定程度时，组合梁主梁结构就可能因带缝工作而影响结构耐久性，这就是现有组合梁技术的不足之处，也是制约组合梁斜拉桥推广运用的主要因素。铁路组合梁斜拉桥更是因为活载比重较大而很难得到合理应用。因此，现有的组合梁斜拉桥的优点是充分利用了混凝土桥面来大量分担主梁轴压力，节约钢材，改善行车条件；缺点是避免不了负弯矩区混凝土桥面受到难于接受的拉应力。

图1 弯曲正应力越接近中性轴就越小

图2 新型组合梁斜拉桥主梁的基本形式

组合梁斜拉桥上混凝土桥面板开裂是一个较难防治的问题。组合梁桥面板产生裂缝除施工原因外，主要有混凝土收缩、温度变化、主梁受力作用、预应力过大、板的锚固区域过小。本文介绍的夹芯板式组合梁就是针对此问题提出的解决方案。

从对现有组合梁斜拉桥技术状况的分析可知，组合梁斜拉桥要获得更好的运用前景，必须扬长避短，克服混凝土桥面板抗拉能力较弱的问题。其中，最关键的就是如何避免活载弯矩对混凝土桥面板产生不利影响。对付混凝土拉应力通常第一反应是上预应力加以克制，实际工程中也多是这样处理的，但预应力是把双刃剑，实际上，组合梁斜拉桥桥面板开裂病害时有发生，且根治不易。

图3 改善新型组合梁外观的上、下钢结构镂空示意图

夹芯板式钢-混凝土组合截面斜拉桥实际上是对组合梁斜拉桥的一种技术改进，是在充分发挥混凝土桥面板的抗压优势的同时，设法避免混凝土板受到较大的拉应力。这与采用预应力“硬扛”不同，是一种趋利避害的策略。

夹芯板组合梁是在通常的组合梁桥面上部设置钢结构，使混凝土桥面板居于上、下两部分钢结构的中间，如文中所称的“夹芯板”一样。对于相同曲率的主梁挠曲变形而言，靠近截面中性轴的混凝土板的上下缘应变、应力都很小，而且整个组合梁截面越高，混凝土桥面板受到弯矩作用产生的弯曲应力就越小，这就是该结构技术的核心所在（注：混凝土桥面板可以是完全居于整个截面正中， 也可以根据具体需要调整桥面上部的钢结构高度，但都是“夹芯板”式组合梁，而且上下两部分钢结构可以是不同形式、不同大小，如箱形、工字形、桁架形等等）。“夹芯板”组合梁最大的优点是桥面板对活载作用不敏感，这对铁路斜拉桥来说是非常重要的优点。当需要通过结构自重来获得必要的结构整体刚度时，混凝土桥面板厚度调整对设计调整也很方便。

图4 新型组合梁斜拉桥主梁的钢桁梁变化形式示意图

图5 现有组合梁示意图

基本原理与构造

夹芯板组合梁是针对组合梁斜拉桥主梁桥面混凝土板存在拉应力较难克服的问题而提出的。经分析证明，它可以大幅降低活载在组合梁混凝土桥面板中产生的拉应力，进而改善混凝土桥面板的受力状态，提高耐久性。

图6 斜拉桥孔跨布置图（单位m）

结构受力基本原理阐述

任何梁体结构在受到弯矩作用产生挠曲变形时，其变形曲线都遵循能量最小原理，特定的变形曲率反映出一定的梁体上下缘应变量，对于处在弹性阶段的弹性材料而言，到中性轴的距离相同，其应变值就相同，由外缘向内越接近中性轴应变量就越小，理论上中性轴处就是零弯曲应变零弯曲正应力点。夹芯板式组合梁是把混凝土板放到组合截面的中性轴，以避开弯矩产生的拉应力（如图1）。

截面构成方法

夹芯板式组合梁方案是在通常的组合梁桥面上增设钢结构，横梁横肋等桥面系构造保持不变。这样就使得混凝土桥面板居于上下两部分钢结构中间，上下钢结构既可以对称也可以不对称，钢结构形式和尺寸，既可以相同也可以不相同，即不限于图2-4中所列举的形式。

图2用于说明夹芯板式组合梁是在现有组合梁基础上增加桥面以上钢结构；图3用于说明为改善夹芯板式组合梁外观，可对上下钢结构进行镂空处理，形式上不限于示意图的两种；图4是夹芯板式组合梁的钢桁梁形式，用于说明其形式是灵活多变的，只要混凝土板上下都有钢结构即为夹芯板式组合梁。

技术展望

以俄罗斯岛跨海大桥为对比参照，其中跨主梁横截面是一个整体钢箱梁（边跨主梁是预应力混凝土梁），具有加肋的底板、正交异性顶板、横梁及隔板体系。它由长12m、宽26m的103块预制段组成，钢梁总长1244m，重为23000t，换算钢材用量指标为18.6t/m。按同等规模，对主跨1200m、宽26m、厚40cm夹心板组合梁公路斜拉桥进行成桥及活载静力计算。主要结果如下：跨中活载挠度1/1300 （若采用2000MPa的拉索，刚度可降低到1/1000左右），成桥状态下的混凝土桥面板塔根处最大压应力15.7 MPa、跨中40m范围的混凝土桥面板拉应力-1.13～0MPa，其中活载弯矩产生的拉应力最大值仅-0.525MPa。纵向计算用钢量为10.1t/m，混凝土为10.4m3/m，这些还只是用全梁等截面计算结果，具体设计还存在较多的优化空间，可见该新技术具有明显的经济优势。结构特点初步归纳如下：

1.结构新颖、受力合理，但结构并不复杂，建造如同现有的钢-混组合梁技术。

2.混凝土桥面板行车条件好，且混凝土的材料非线性问题因“钢夹板”而被抑制。

3.因为夹心板组合梁梁高小于2倍的现有组合梁，用钢量虽有所增加，但增幅不很大。

4.钢结构不直接承受轮压活载，疲劳问题降低；混凝土受力状态良好，耐久性更好。

5.桥面以上存在类似于槽形梁一样的两侧凸起，对截面气动性能及观瞻均有一定影响，可对腹板进行镂空处理，或者把钢结构改为桁架形式，具体有待研究克服。

6.对于混凝土板传力效率、它与主梁结合传力的可靠性，以及如何克服受压区钢结构的受压不利影响等问题， 虽然与通常的组合梁相类似，且如有效宽度取值、传剪构造等研究也都比较多，是可以解决的，但毕竟会有所不同。

作为一种新的结构形式要付诸实施，还必须经过更多更深入细致的研究，明确各种构造细节。比如：笔者主张梁上斜拉索锚固在混凝土板上等等，以提高工程安全可靠度及使用耐久性。所以，对该斜拉桥主梁结构的研究刚刚开始。