钢桁架

摘要

为实现我国“碳达峰，碳中和”的目标，绿色交通建筑是实现碳减排的重要手段，

钢桁架-混凝土组合梁作为绿色交通建筑的重要结构形式，契合绿色环保可持续发展理

念，经济竞争力非常突出，已被广泛推广应用于桥梁工程建设中。针对钢桁架-混凝土

组合梁全寿命建造与安全服役中的结构设计技术细节问题，本文开展钢桁架-混凝土组

合梁结构性能优化设计方法研究，充分考虑全桥结构性能与经济效益之间的关系并以

此为目标，研究了连续钢桁架-混凝土组合梁桥的结构特征，建立了全结构参数化优化

设计分析模型，剖析了钢桁架-混凝土组合梁中各构件设计参数影响下的结构性能敏感

度，提出了综合考虑结构安全性能和经济性能的优化设计方法，为钢桁架-混凝土组合

梁及其类似桁架结构桥梁优化设计分析提供理论依据。主要研究内容如下：

（1）研究了钢桁架-混凝土组合梁的结构力学特性，获得了剪力连接件的荷载-滑

移曲线，采用全桥剪力连接件的荷载-滑移模式等效计算方法，给出了以钢桁架-混凝土

组合梁中各构件设计参数为设计变量、钢桁架-混凝土组合梁挠度和材料强度为状态变

量、结构性能和经济效益为目标函数的优化设计数学模型，并构建了全结构参数化优

化设计模型。

（2）研究了结构力学效应输出值与参数变化幅度的绝对值之比的敏感性系数，以

其作为敏感因素对结构性能影响的评价指标，并以竖向位移和应力分布作为结构力学

优化目标，分析了钢桁架竖向高度、横向间距和纵向节间长度对钢桁架-混凝土组合梁

结构性能的影响规律，计算了控制截面关于设计参数的挠度敏感性系数，获得了钢桁

架-混凝土组合梁中各构件最大应力的敏感性系数。在限制X撑、平联等联接杆件应力

的条件下，为使钢桁架-混凝土组合梁结构力学性能相对较优，可适当增大钢桁架竖向

高度，钢桁架横向间距与单跨跨径之比介于0.07~0.09之间，钢桁架纵向节间长度与单

跨跨径之比取值为0.08、0.1和0.125。

（3）分析了弦杆截面尺寸、斜腹杆截面尺寸、桥面板厚度和混凝土强度等参数与

结构响应之间的关联性，横向对比了截面尺寸参数单一变化和组合变化时的结构力学

性能，获得了截面尺寸的相对敏感参数对结构性能的影响规律，计算了构件设计参数

截面挠度和最大应力的敏感性系数，获悉了钢桁架-混凝土组合梁中主要构件设计参数

对结构性能的影响。

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（4）以敏感性系数计算结果为基础，确定了优化设计参数与试验分析指标。利用

功效系数法和层次分析法建立了普适性良好的优化评定标准，实现了设计方案优劣的

量化分析。设计了基于正交试验法的优化设计仿真试验，应用数学统计方法分析预测

了经济性能与安全性能优化方案，明确了钢桁架-混凝土组合梁设计中结构性能与经济

效益之间的关系，提出了钢桁架-混凝土组合梁优化设计方法。

关键词：桥梁工程；钢桁架-混凝土组合梁；数值仿真；结构性能；敏感性分析；

优化设计方法

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Abstract

InordertoachievethegoalofcarbonpeakingandcarbonneutralizationinChina,green

trafficbuildingisanimportantmeanstoachievecarbonemissionreduction.Asanimportant

structuralformofgreentrafficbuilding,steeltrussconcretecompositegirderisinlinewiththe

conceptofgreenenvironmentalprotectionandsustainabledevelopment.Anditseconomic

competitivenessisveryoutstanding.Ithasbeenwidelyusedinbridgeengineeringconstruction.

Aimingatthetechnicaldetailsofstructuraldesignin