混合梁結(jié)合部受力研究

李國峰，李 丹，張 京

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京市 100082）

1 概述

混合梁通過對鋼材和混凝土兩種材料合理利用,使得混合梁的受力性能、跨越能力、經(jīng)濟(jì)性能等方面得到很大改善。鋼梁與混凝土梁之間通過過渡段進(jìn)行內(nèi)力傳遞，所傳遞的內(nèi)力主要有軸力、彎矩、剪力，扭矩等，其中扭矩的傳遞以結(jié)構(gòu)外邊緣線的剪力方式傳遞。由于鋼梁與混凝土梁剛度相差大,結(jié)合部成為混合梁的薄弱環(huán)節(jié),結(jié)合部成為混合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鋼與混凝土混合梁之間的連接方法主要有：連接件（剪力鍵）連接、預(yù)應(yīng)力連接或同時(shí)采用這兩種方法。

連接方法可分為以下幾種類型：

（1）混合梁過渡段根據(jù)是否全截面結(jié)合可分為有格室和無格室過渡段。

（2）有格室和無格室過渡段又可根據(jù)承壓板的位置可分為前承壓板、后承壓板和前后承壓板，具體形式見圖1、圖2。

圖1 有格室組合段

圖2 無格室組合段

2 實(shí)橋計(jì)算分析

馬西路南沿跨南五環(huán)混合梁橋設(shè)計(jì)，馬家堡西路南延上跨五環(huán)路，由于下部被交路限制，工程采用混合梁結(jié)構(gòu)形式，見圖3。

主要結(jié)構(gòu)布跨及平面布置形式見圖4、圖5。

2.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

2.1.1 鋼梁長度比的選擇

由于本工程橋梁布置時(shí)受到南五環(huán)、燃?xì)夤芫€及規(guī)劃道路的控制，邊中跨分別38 m和49 m，邊中跨比為0.775。對于鋼梁伸入邊跨的混合梁，鋼梁長度比一般約為1.3，初步確定鋼梁長度為65 m，梁高取為1.8 m。橫斷面布置見圖6。

圖3 工程位置示意圖

圖4 馬西路跨南五環(huán)混合梁橋立面圖

圖5 馬西路跨南五環(huán)混合梁橋平面圖

圖6 馬西路跨南五環(huán)混合梁橋平斷面圖

2.1.2 橋梁整體計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MIDAS CIVIL 2010梁單元計(jì)算。計(jì)算考慮荷載主要有：自重、汽車荷載，整體溫升，整體溫降、截面梯度溫度（升、降），支座不均勻沉降。根據(jù)施工順序（現(xiàn)澆混凝土梁，吊裝為邊段鋼梁并連接，最后吊裝中段鋼梁）進(jìn)行整橋的計(jì)算。結(jié)構(gòu)布束及應(yīng)力狀態(tài)見圖7～圖9。

圖7 預(yù)應(yīng)束布置圖

圖8 預(yù)應(yīng)混凝土短期效應(yīng)下應(yīng)力包絡(luò)圖

圖9 彈性組合下主梁應(yīng)力包絡(luò)圖

梁體處于全受壓狀態(tài)，短期效應(yīng)組合下最大壓應(yīng)力為11 MPa。

在彈性組合下（1+1組合）鋼梁的支點(diǎn)最大應(yīng)力為103 MPa，跨中最大應(yīng)力89 MPa。均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，且兩者相差不大，較好地利用了材料。

2.2 過渡段及剪力鍵計(jì)算分析

2.2.1 過渡段分析

由于結(jié)構(gòu)由混凝土梁過度到鋼結(jié)構(gòu)斷面時(shí)，結(jié)構(gòu)的截面剛度變化劇烈，為了避免應(yīng)力分布不均及引起的結(jié)構(gòu)疲勞破壞。須設(shè)置剛度過渡段。通過加強(qiáng)板的形式進(jìn)行剛度過渡以及將鋼梁內(nèi)力較為均勻地傳遞到承壓板。模型及計(jì)算結(jié)構(gòu)見圖10、圖11。

圖10 組合段有限元模型

圖11 鋼板有效應(yīng)力圖

計(jì)算表明鋼板受力較為均勻，剛度過渡段設(shè)置合理，最大應(yīng)力約為130 MPa，符合規(guī)范要求。

2.2.2 剪力鍵受力分析、研究

鋼與混凝土混合梁之間的連接鍵主要有兩種：圓柱頭焊釘和開孔鋼板。本工程采用圓柱頭焊釘?shù)倪B接結(jié)構(gòu)形式，見圖12、圖13。

圖12 開孔鋼板與焊柱組合

圖13 組合段段平立面（單位：mm）

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見稿）對組合梁的鋼與混凝土面處的焊釘抗剪承載力給出了相應(yīng)規(guī)定：

式中：Vu－圓柱頭焊釘連接件在極限狀態(tài)下的承載力設(shè)計(jì)值；Ec－混凝土的彈性模量；As－圓柱頭焊釘桿徑截面面積；fcd－混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fsd－圓柱頭焊釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；γ－焊釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服強(qiáng)度之比。

焊釘?shù)牟贾每梢愿鶕?jù)剪力及以偏載下扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行布置，也可以均勻布置。在本工程中，為研究焊釘?shù)姆植紶顟B(tài)，在過渡段的三維模型中以彈簧模擬焊釘，各焊釘?shù)膬?nèi)力分布見圖14。

圖14 剪力作用下焊釘內(nèi)力分配圖

系列1～9分別為高度方向各排，橫坐標(biāo)為橫橋向焊釘位置，豎坐標(biāo)為剪力值。從圖可以看出兩外側(cè)腹板處剪力分擔(dān)最大，且各高度處分配均勻；其次是中間腹板，但最大值約為最外側(cè)腹板的一半。在高度上，頂?shù)變膳偶袅^大，越靠近頂緣或底緣越大，越靠近中性軸處，剪力越?。桓拱彘g的剪力均很小。

剪力鍵除承擔(dān)主梁剪切作用所分擔(dān)的剪力外，還需要承擔(dān)偏載作用下扭矩分配的剪力。在設(shè)計(jì)扭矩作用下焊釘?shù)呢Q向剪力分配見圖15。

圖15 扭矩作用下焊釘豎向剪力分配圖

在扭矩作用，外側(cè)腹板承載較大的豎向剪力，頂?shù)装宄袚?dān)較大的水平剪力其余焊釘分配剪力均很小。

3 結(jié)論

馬西路南延高架橋跨越南五環(huán)，設(shè)計(jì)采用了混合梁，很好地解決跨越五環(huán)路的交通導(dǎo)行問題。通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析過程總結(jié)出以下幾點(diǎn)內(nèi)容，可供今后工程進(jìn)行參考：

（1）本工程采用混合梁較好地解決了跨現(xiàn)況道路的問題。

（2）在邊中跨不太合理且無法改變的情況下，選擇了合理的鋼梁長度比，主梁內(nèi)力分布合理，較好地利用了材料，安全度比較統(tǒng)一。

（3）根據(jù)橋梁的實(shí)際情況，選擇了便于施工的組合段，須設(shè)置合理的過渡段，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力得以均勻分布。

（4）通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，外側(cè)腹板在剪切作用下，分擔(dān)的剪力很大，而且在扭矩作用下分但的剪力也較大，需要進(jìn)行疊加。中腹板處在剪切作用下，分擔(dān)的剪力較大，越靠近頂?shù)装逶酱?，在頂?shù)装逄?，扭矩的產(chǎn)生較大的水平剪力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行雙方向剪力組合。

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