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钢-混组合结构能充分发挥混凝土和钢材的性能，是一种可持续发展的桥梁结构形式。20世纪90年代以来，钢-混组合结构在国内梁式桥、拱桥、悬索桥及斜拉桥中均得到不少工程应用，但我国钢-混组合结构桥梁数量占比仍然不超高0.5%。2016年7月，交通运输部发布的《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》要求，到“十三五”期末，新建大跨、特大跨径桥梁以钢结构为主。随着绿色建造以及可持续建造理念的普及，加上桥梁工程产业结构的加速转型升级，标准化和工业化建造的钢-混组合结构桥梁在公路、铁路桥梁中所占的比例将逐步提高。 图0-1 组合结构桥梁文献研究方向分类 钢-混凝土组合钢板梁及钢-混凝土组合箱梁是钢-混组合结构桥梁中的主要结构形式，可作为梁式桥的主梁和斜拉桥的加劲梁等，近年来在国内桥梁工程中得到逐渐推广应用。2019年中英文文献显示（图1-1），对钢-混组合结构桥梁总体力学行为研究可分为6类：钢-混组合结构桥梁工程应用研究、钢-混组合结构桥梁弯曲性能研究、钢-混组合结构桥梁空间受力行为研究、钢-混组合结构桥梁动力性能研究、钢-混组合局部构造力学性能研究及其他研究。其中，弯曲性能研究和空间受力行为研究占比较大。 图1-1 钢-混组合结构桥梁总体力学行为研究方向分类 图1-2 钢-混组合结构桥梁混凝土易损区[1] 图1-3 高速铁路组合结构桥梁[2] 图1-4 负弯矩作用下截面塑性应力分布[3] 图1-5 CFRP加固钢-混组合梁负弯矩区试验[6] 图1-6 考虑界面滑移的钢-混组合梁计算模型[8] 钢-混组合结构桥梁空间受力研究方面，2019文献中基于模型试验和有限元分析，重点围绕钢-混组合结构桥梁扭转行为[9][10]、钢-混组合结构桥梁抗剪性能[11]及钢-混组合结构桥梁剪力滞效应[12]-[14]开展了研究。 图1-7 钢-混组合梁扭转变形[9] 图1-8 钢-混组合梁抗剪分析模型[11] 图1-9 钢-混组合梁剪力滞效应[13] 钢-混组合结构桥梁动力性能研究方面，2019文献中重点围绕大跨钢-混组合结构桥梁地震响应[15]、高速铁路钢-混连续结合梁桥车桥动力响应[16]及宽幅钢-混组合结构桥梁风致振动[17]开展了研究。
图1-10 钢-混组合梁节段风洞模型[17] 钢-混组合局部构造力学性能研究方面，2019文献中基于模型试验和有限元分析，重点围绕钢-混组合索塔[18]、混合梁钢-混结合段[19]的承载力及传力机理开展了研究。
图1-11 钢-混组合索塔构造[18]
图1-12 钢-混结合段构造[19] 此外，钢-混组合结构桥梁的抗火性能[20]及体外预应力加固后钢-混组合连续桥梁的疲劳性能[21]也被予以关注。 组合桥梁结构中，剪力连接件是保证组合效应的关键，是该类结构研究的重点。目前栓钉剪力键和开孔钢板剪力键在钢-混组合结构桥梁中应用较多,研究手段多以推出试验+有限元数值仿真，研究重点集中在其抗剪刚度、滑移性能、承载力，疲劳性能等方面。回顾2019年，剪力键研究可分为栓钉剪力键、PBL剪力键、高性能混凝土剪力键、新型剪力键及剪力键的耐久性5类。
对于栓钉剪力键，其疲劳性能、抗拔性能及栓钉滑移后引起的结构刚度变异为研究重点[22]-[25]。
图2-1 螺栓剪力键反复加载试验[22]
图2-2 栓钉剪力键破坏模式[24] 对于PBL剪力键，一方面其承载力及疲劳性能被持续关注[26][27]，另一方面不少学者在常规PBL剪力键基础上提出创新的构造[28][29]。
图2-3 带环箍的PBL剪力键[28]
图2-4 带橡胶环的PBL剪力键 [29] 随着高性能混凝土（UHPC、ECC等）在组合结构桥梁（特别是组合桥面板）中的应用，钢-高性能混凝土组合桥面板中剪力键的力学行为越来越得到关注[30][31]。
图2-5 UHPC中栓钉剪力键[30]
图2-6 ECC中栓钉剪力键 [31] 此外为适应桥梁快速施工（ABC）的要求，装配式剪力键及集束式剪力键群的力学性能也成为研究热点[32]-[35]。
图2-7 装配式螺栓剪力键[32]
图2-8 可拆卸的栓钉剪力键 [33]
图2-9 PCSS剪力连接构件[34]
图2-10 螺旋弹簧销剪力键 [35] 为适应不同的使用环境，保证组合结构桥梁的耐久性，剪力键的耐久性能研究成为必然要求。腐蚀环境[36]、低温环境[37]及冻融环境下剪力键的力学性能逐渐得到关注。
图2-11 不同锈蚀程度的栓钉剪力键[36] 为提高组合结构桥梁耐久性和受力性能，超高性能混凝土UHPC及高性能钢材逐渐在桥梁工程中得到研究和应用。目前钢-UHPC组合结构的研究重点集中在静力承载力、疲劳性能及其特殊结构研发等3个方面。
图3-1 UHPC板+正交异性钢桥面[39]
图3-2 UHPC华夫板+钢梁组合结构 [40]
图3-3 UHPC板+正交异性钢桥面[41]
图3-4 UHPC华夫板+钢梁组合结构 [42]
图3-5 轻型组合桥面螺栓连接接头[43]
图3-6 装配式钢—UHPC组合桥连接接头[44] 作为组合结构桥梁中的重要组成部分，钢管混凝土结构自上世纪90年代初在国内桥梁工程中应用以来，已修建完成超过400座不同类型的钢管混凝土桥梁。由于良好的受力性能，钢管混凝土较多地应用于拱桥，此外钢管混凝土桁架在梁式桥中也有不少应用。2019年中英文文献显示，钢管混凝土桥梁力学行为研究包括了：钢管混凝土构件基本力学性能研究、钢管混凝土桥梁总体力学行为、钢管混凝土桁架关键节点力学行为及新型钢管混凝土结构力学性能。
关于钢管混凝土构件基本力学性能，国内外学者研究了混凝土徐变对钢管混凝土柱受力的影响[45]、偏心加载作用下钢管混凝土柱的力学性能[46]及钢管局部屈曲行为[47]。
图4-1 钢管混凝土柱徐变应变[45]
图4-2 偏心受压钢管混凝土柱 [46]
图4-3 钢箱混凝土钢板局部屈曲[47] 关于钢管混凝土桥的整体力学性能，国内外学者研究了考虑初始缺陷的钢管混凝土桁架力学行为[48]、钢管混凝土桁架振动特性[49]及钢管混凝土桥梁稳定性能[50]。
图4-4带缺陷的钢管混凝土桁架[48]
图4-5 典型钢管混凝土桁架节点[51]
图4-6 钢管混凝土螺栓连接节点[53]
图4-7 外接式组合桁架节点 [54] 除了普通的钢管+普通混凝土组合结构，国内外学者也对钢管+泡沫混凝土[55]，钢管+橡胶混凝土[56]，钢管+再生混凝土[57]、双钢管混凝土[58]及波形钢管混凝土构件[59]力学性能进行了研究。
图4-8 新型钢管混凝土组合结构 波形钢腹板PC组合箱梁以波形钢板代替普通混凝土作为腹板，可有效减轻桥梁自重，提高跨越能力，近年来得到在我国桥梁建设中已有一些工程应用。对于波形钢腹板组合结构桥梁力学行为的研究主要集中在波形钢腹板的抗剪性能、抗弯性能、空间行为及动力性能4个方面。
波形钢腹板组合结构桥梁中，截面剪力由波形钢板承担，波形钢板的剪切屈曲行为一直是该类桥梁主要研究方向之一。2019年，国内外学者对变截面波形钢腹板[60]、设置加劲肋的波形钢腹板[61]和曲线波形钢腹板的剪切性能进行了研究。
图5-1 变截面波形钢腹板[60]
图5-2 设置加劲肋的波形钢腹板[61]
图5-3 波形钢腹板组合箱梁扭转[62]
图5-4 波形钢腹板组合梁横向受力[64]
图5-5 波形钢腹板+钢管桁+混凝土组合梁[65]
图5-6 波形钢腹板疲劳易损部位[65] 随着国家可持续发展战略的深入推进，建立绿色、低碳与可持续的交通运输体系的任务日益迫切。钢-混组合结构能充分发挥混凝土和钢材各自的材料性能优势，以其整体受力的合理性、经济性、便于施工等突出优点，已广泛应用于结构工程许多领域。以CNKI数据库为例，给出了钢-混组合结构桥梁相关中文核心期刊论文近20年发文数量趋势（图6-1），可以看出，钢-混组合结构桥梁的研究也日益丰富。为促进桥梁建设向装配化、绿色化及智能化的转型升级，在桥梁工程中推广使用钢-混组合结构面临机遇与挑战。
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卫星，教授，博导，四川省学术与技术带头人后备人选，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事。长期致力于钢结构及钢-混凝土组合结构桥梁损伤机理应用基础研究，长期从事《钢结构设计原理》、《钢桥与组合结构桥梁》及《桥梁结构分析理论及方法》教学工作。在钢-混组合结构体系、焊接细节疲劳损伤机理及结构性能劣化机理三方面开展了卓有成效的创新性研究。主持和主研完成各类科研项目40 余项，发表学术论文150余篇。 |
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