河北大街立交鋼混斜拉橋結(jié)合段設(shè)計(jì)與研究

李 焱 張四國(guó) 陸華臻

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

0 引言

混合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:邊跨主梁既參與主體受力結(jié)構(gòu)，又能起到平衡作用。增大邊跨主梁重量和剛度，減小主跨內(nèi)力和變形，避免邊跨端支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力，從而增大了斜拉橋的跨越能力，使得橋跨結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)整體受力更趨合理。

本文闡述的河北大街立交主橋即為混合梁斜拉橋，采用獨(dú)斜塔半漂浮結(jié)構(gòu)體系，跨徑布置為(145+48+42)m，橋?qū)?6.8 m，橋塔高78 m，主塔向邊跨側(cè)傾斜15°。主梁采用分離式雙箱雙室斷面形式，標(biāo)準(zhǔn)梁高2.2 m，兩片箱梁通過(guò)橫梁和橋面板連接形成整體，梁體底面水平，頂面采用與橋面相同的1.5%橫坡，兩側(cè)設(shè)有風(fēng)嘴。鋼與混凝土的結(jié)合段設(shè)置在主跨側(cè)距橋塔12.5 m處(見(jiàn)圖1)，鋼梁全長(zhǎng)135 m。

1 設(shè)計(jì)原則

主梁鋼混結(jié)合段由于結(jié)合部位兩側(cè)材料性質(zhì)的不同，主梁剛度、強(qiáng)度在此發(fā)生突變，故結(jié)合段的設(shè)計(jì)應(yīng)能流暢的傳遞各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力(軸力，剪力和彎矩)和變形，并具有良好的抗疲勞和耐久性。

1.1 選擇合理的連接位置

根據(jù)鋼混結(jié)合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的連接位置，宜選在彎矩及剪力較小的地方，這樣其結(jié)構(gòu)處理就比較簡(jiǎn)單。要選擇一個(gè)合理的連接位置，一般應(yīng)從結(jié)構(gòu)受力性能合理、施工工藝簡(jiǎn)便和造價(jià)經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面考慮。

圖1 結(jié)合段立面布置圖（單位：mm）

1.2 連接部位的構(gòu)造設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的連接構(gòu)造，是一個(gè)非常重要的部位，這是由鋼混組合式斜拉橋本身特性所決定的。為了確保連接可靠，避免使其成為全橋主梁的薄弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮下列因素并采取相對(duì)應(yīng)的措施:

1)由于主塔附近的主梁承受著很大的軸向力，為避免連接部位斷面重心突變而引起的附加彎矩，要求設(shè)計(jì)連接部位的鋼梁重心和混凝土梁重心盡量吻合，并要求相對(duì)應(yīng)的腹板和翼板的重心盡量重合，以防止鋼梁的腹板和翼板產(chǎn)生局部彎曲和失穩(wěn)。

2)為保證鋼梁和混凝土梁的連接可靠，并有效平順地傳遞強(qiáng)大的軸向力，在鋼梁上(與混凝土梁重疊部分)焊上抗剪焊釘、PBL剪力鍵或其他抗剪器。

3)由風(fēng)荷載產(chǎn)生的橫向彎矩及活載產(chǎn)生的縱向彎矩，在連接部位還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力，而這些拉應(yīng)力又不可能完全由拉索的水平分力來(lái)抵消。因此還必須對(duì)連接部分施加一定的縱向預(yù)應(yīng)力來(lái)提供補(bǔ)償。

2 構(gòu)造處理及優(yōu)化比選

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，本橋鋼混凝土結(jié)合段位置選擇在中跨距主塔12.5 m處。結(jié)合段的鋼箱梁外套在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁之上，鋼腹板插入混凝土箱梁腹板，全斷面與之結(jié)合使其成為一體，鋼箱梁的上下翼緣板通過(guò)抗剪焊釘與混凝土梁體牢固結(jié)合，并利用混凝土箱梁內(nèi)的縱向預(yù)應(yīng)力束加以錨固，形成彎矩的傳遞。通過(guò)端承壓板緊貼在混凝土橫梁的側(cè)面上，傳遞軸向力。梁中的剪力則通過(guò)承壓板及腹板斷面的焊釘?shù)玫絺鬟f。而兩種梁體在剛度上的突變，則由在鋼箱梁上下翼緣板的U形加勁肋上加焊Π形肋并逐漸變高而得到緩解(見(jiàn)圖2)。

圖2 頂?shù)装錟肋∏形加勁剛度過(guò)渡

隨著現(xiàn)代鋼材加工技術(shù)的不斷成熟，從結(jié)構(gòu)可靠性和混凝土防裂及耐久性方面著眼，衍生出本橋設(shè)計(jì)方案。

結(jié)合段鋼梁頂、底、腹板均伸入混凝土梁段2.5 m長(zhǎng)度，結(jié)合段范圍內(nèi)在鋼箱梁內(nèi)灌注混凝土，鋼箱梁在伸入混凝土梁段2.5 m范圍內(nèi)采用φ22×170圓柱頭焊釘與混凝土結(jié)合，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁內(nèi)鋼絞線錨固在承壓板上。根據(jù)計(jì)算需要在結(jié)合段配置當(dāng)量的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(見(jiàn)圖1)，其余位置配置57根8 m長(zhǎng)φ25精軋螺紋鋼筋，錨固在端承壓鋼板上。結(jié)合段鋼主梁頂板設(shè)置混凝土澆筑孔以利混凝土的澆筑及振搗。

鋼混結(jié)合段鋼箱梁斷面頂?shù)装搴穸染鶠?8 mm，鋼箱梁頂板和底板縱向加勁肋采用U形加勁肋U300×260×6 mm，在鋼箱梁頂?shù)装錟形加勁肋上設(shè)置Π形加勁肋，鋼箱梁腹板縱向加勁肋采用球扁鋼160 mm×11 mm。鋼梁和混凝土梁連接采用鋼板式，鋼箱梁和混凝土箱梁結(jié)合面處設(shè)置承壓鋼板(鋼箱梁端橫隔板)厚60 mm。閉合隔倉(cāng)長(zhǎng)度2.5 m，板厚20 mm，隔倉(cāng)內(nèi)模板按斜率1∶8設(shè)置，在頂?shù)装濉⒍顺邪?、閉合隔倉(cāng)內(nèi)均焊接剪力釘，間距15 cm布置(見(jiàn)圖3)。

圖3 結(jié)合段構(gòu)造形式

本橋結(jié)合段設(shè)計(jì)方案端承板采用60 mm厚鋼板，有效保證了軸向力傳遞均勻及大直徑鋼絞線錨固要求;采用斜率1∶8的狹長(zhǎng)閉合隔倉(cāng)，使得軸力傳遞更為順暢;在端承板、鋼腹板及閉合隔倉(cāng)內(nèi)均設(shè)置剪力釘，提高了結(jié)合段的抗剪強(qiáng)度;強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力鋼束與精軋螺紋鋼筋配合使用，有效地抵抗活載產(chǎn)生的彎矩，剪力釘與混凝土結(jié)合面增大，混凝土防裂能力得到提高，結(jié)構(gòu)可靠性顯著增強(qiáng)(見(jiàn)圖4)。

圖4 結(jié)合段錨固斷面圖

3 有限元分析

3.1 計(jì)算模型

為了使計(jì)算結(jié)果精確可靠，對(duì)混凝土箱梁和鋼箱梁細(xì)部構(gòu)造建立了精細(xì)的模型。在建立空間模型的同時(shí)，為避免邊界條件對(duì)所研究梁段的影響，建模時(shí)梁段長(zhǎng)度大約取為1倍梁寬，鋼混結(jié)合段位于模型梁段的中間位置。同時(shí)考慮梁段的邊界條件特點(diǎn)和鋼梁的節(jié)段劃分，取模型梁段30 m，其中混凝土梁段12.5 m，結(jié)合段2.5 m，鋼梁段15 m。

單元采用對(duì)稱模型，鋼箱梁段采用高階板單元模擬，混凝土箱梁段采用高階塊體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線和精軋螺紋鋼筋采用索單元模擬。鋼混結(jié)合段有限元模型如圖5所示。鋼梁端和混凝土梁端加平截面邊界約束，并用將索力分解后作用于斜拉索錨固區(qū)的形式來(lái)模擬斜拉索。

圖5 鋼混結(jié)合段混凝土梁順橋向正應(yīng)力分布

3.2 模型結(jié)果分析

3.2.1 鋼混結(jié)合段混凝土梁

鋼混結(jié)合段混凝土梁順橋向正應(yīng)力大小為－17.7 MPa～2.3 MPa，見(jiàn)圖5。最小正應(yīng)力 －17.7 MPa發(fā)生在結(jié)合段預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)附近，屬于局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，而最大正應(yīng)力2.3 MPa是因?yàn)閷㈩A(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)屏蔽為零應(yīng)力點(diǎn)導(dǎo)致的，可以不作考慮，故鋼混結(jié)合段混凝土梁順橋向正應(yīng)力大小基本在－15.5 MPa～－6.6 MPa范圍內(nèi)，結(jié)合段混凝土因截面較大，順橋向正應(yīng)力較小。

3.2.2 鋼混結(jié)合段鋼梁

鋼混結(jié)合段鋼梁第一主應(yīng)力大小為－4.0 MPa～60 MPa，見(jiàn)圖6。最大第一主應(yīng)力60 MPa發(fā)生在結(jié)合段鋼承壓板預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)附近，屬于局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，可不作考慮。結(jié)合段鋼梁因?yàn)楹突炷凉餐饔?，第一主?yīng)力水平較低為－4.0 MPa～3.1 MPa，結(jié)合段附近鋼梁第一主應(yīng)力水平在－4.0 MPa～24.4 MPa之間。

圖6 鋼混結(jié)合段鋼梁第一主應(yīng)力分布

3.2.3 全橋與局部應(yīng)力對(duì)比

為了驗(yàn)證局部分析的合理性，與全橋整體分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力范圍對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力對(duì)比值

節(jié)段模型分析與全橋整體分析應(yīng)力水平保持一致;節(jié)段模型分析中，混凝土梁的應(yīng)力高于全橋整體分析得到的應(yīng)力，但差值幅度不大，仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)鋼混結(jié)合段受力特性的深入分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建同類型橋梁的工程經(jīng)驗(yàn)，采用了新型變剛度預(yù)應(yīng)力組合承壓式結(jié)構(gòu)，有效的解決了結(jié)構(gòu)剛?cè)徇^(guò)渡、軸力和剪力傳遞方式、混凝土防裂及耐久性等問(wèn)題，增強(qiáng)了鋼混結(jié)合段的安全、可靠性。2)同時(shí)對(duì)結(jié)合段進(jìn)行的有限元仿真分析，對(duì)鋼混結(jié)合段的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力變化幅度和應(yīng)力集中現(xiàn)象展開了分析研究，研究結(jié)果表明該結(jié)合段在各種工況下局部應(yīng)力處于較低水平，結(jié)構(gòu)形式合理。3)整體與局部應(yīng)力水平基本保持一致，局部應(yīng)力狀態(tài)略高于全橋整體應(yīng)力，該結(jié)合段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的應(yīng)力儲(chǔ)備。4)結(jié)合段處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，受力情況比較復(fù)雜，施工過(guò)程中應(yīng)注意連接構(gòu)造的工程質(zhì)量，包括預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土澆筑密實(shí)度及剪力鍵焊接等問(wèn)題。

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