斜拉橋中鋼混結(jié)合段的結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計方法

李洪

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

斜拉橋中鋼混結(jié)合段的結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計方法

李洪

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

總結(jié)了鋼混結(jié)合段在斜拉橋中的應(yīng)用特點，從而提出依據(jù)鋼混結(jié)合段受力形式，明確其傳力機(jī)理和過程，給出針對性構(gòu)造對策的設(shè)計思路。最后，建立了鋼混結(jié)合段的一般設(shè)計過程和方法，可應(yīng)對任意復(fù)雜受力形式的鋼混結(jié)合段設(shè)計。

斜拉橋；鋼混結(jié)合段；結(jié)構(gòu)性能；設(shè)計方法；傳力機(jī)理

1 概述

隨著現(xiàn)代土木工程向可持續(xù)化和經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展，合理利用建筑材料力學(xué)性能，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，降低工程的建設(shè)成本成為結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的關(guān)鍵?；旌辖Y(jié)構(gòu)（空間上利用不同建筑材料）以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性，在保證不同材料良好連接的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮了各自的結(jié)構(gòu)性能，在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用也愈加廣泛[1]。

混合橋梁結(jié)構(gòu)是伴隨著鋼構(gòu)件在混凝土結(jié)構(gòu)體系橋梁的應(yīng)用而產(chǎn)生的，從結(jié)構(gòu)體系層面上講，鋼構(gòu)件應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)體系中可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力分配，改善混凝土結(jié)構(gòu)因自重、開裂等原因而呈現(xiàn)的弊端，避免鋼結(jié)構(gòu)因受壓呈現(xiàn)的屈曲與穩(wěn)定問題；從結(jié)構(gòu)實用及經(jīng)濟(jì)層面講，在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下能獲取最優(yōu)的資源配置，同時使得橋梁結(jié)構(gòu)多變美觀。為此，混合結(jié)構(gòu)體系在橋梁工程應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，最初應(yīng)用于梁橋和斜拉橋的主梁中優(yōu)化中邊跨的配置[2-3]，而后嘗試應(yīng)用于結(jié)構(gòu)總體層面——主梁、索塔、樁基、橋墩等，也應(yīng)用于局部構(gòu)件層面——索鞍、索塔索梁錨固區(qū)、錨錠等。

斜拉橋是混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍的，而作為連接鋼和混凝土的鋼混結(jié)合段，則是一直關(guān)注的重點和難點。雖然目前國內(nèi)外諸多學(xué)者研究鋼混結(jié)合段的傳力機(jī)理，但都是基于已有的構(gòu)造設(shè)計進(jìn)行驗證性研究，尚未明白外界受力形式下，如何更好地開展鋼混結(jié)合段的連接設(shè)計，保障結(jié)合段的受力安全，這使得目前針對結(jié)合段的設(shè)計主要沿用已有構(gòu)造，這對于復(fù)雜受力情形下的結(jié)合段設(shè)計則力不從心。

本文細(xì)致分析現(xiàn)有斜拉橋鋼混結(jié)合段的應(yīng)用特點與工程實踐，從而總結(jié)鋼混結(jié)合段的傳力機(jī)理并給出設(shè)計對策，最后提出開展鋼混結(jié)合段設(shè)計的主要方法和過程，為斜拉橋中鋼混結(jié)合段的設(shè)計提供參考。

2 鋼混結(jié)合段在斜拉橋中的應(yīng)用分析

鋼混結(jié)合段主要在斜拉橋的主梁和索塔中應(yīng)用，且可以極大地優(yōu)化斜拉橋的整體受力。在主梁構(gòu)造形式中，如若在橋梁的主跨范圍內(nèi)使用鋼主梁而邊跨及橋塔附近采用混凝土主梁，則可以避免索塔處主梁的極大軸力引起的鋼構(gòu)件局部失穩(wěn)問題，也避免了邊跨背錨索區(qū)域鋼主梁的疲勞問題；另外也可以在滿足邊中跨的受力平衡條件下，減少結(jié)構(gòu)體系的邊中跨比例，以此減少引橋的長度從而降低結(jié)構(gòu)的總體造價。在索塔構(gòu)造形式中，如若在索塔的上部錨固區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)，而下半部采用混凝土結(jié)構(gòu)，則一方面可以避免索塔錨固區(qū)因復(fù)雜受力引起的結(jié)構(gòu)開裂，另一方面可以豐富索塔上部結(jié)構(gòu)的造型，形成美觀的設(shè)計效果。

斜拉橋主梁鋼混結(jié)合形式應(yīng)用非常廣泛，西德在1972年建造的Kurt-SchumacheBridge（287.04m+ 146.41 m）是第一座獨塔混合斜拉橋，也是混合結(jié)構(gòu)形式在斜拉橋上的第一次應(yīng)用。而后在該橋的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，西德于1979年建成主跨368 m的Flehe Bridge，該橋是當(dāng)時最寬的橋梁?，F(xiàn)如今無論是大跨徑斜拉橋還是中小跨徑斜拉橋，混合主梁的結(jié)構(gòu)形式都得到了廣泛的應(yīng)用，法國的諾曼底大橋和日本的多多羅大橋以及我國的昂船洲大橋（主跨1 018 m）都是采用混合主梁的形式[4]。

在橋塔中采用混合結(jié)構(gòu)形式得益于鋼混結(jié)構(gòu)的廣泛實踐，異性橋塔設(shè)計中鋼混混合形式采用較多，如渦河三橋采用的水滴形橋塔就是鋼混混合結(jié)構(gòu)，環(huán)巢湖旅游大道兆河大橋的斜置式拱形塔也是鋼混混合結(jié)構(gòu)。橋塔中混合結(jié)構(gòu)使用典型的是南京長江三橋[5]，該橋橋塔橋面以上179.8 m的部分為鋼材料，橋面以下35.2 m為混凝土材料，鋼混結(jié)合位置設(shè)置在索塔與下橫梁連接位置。圖1是鋼混結(jié)構(gòu)形式在斜拉橋中的應(yīng)用。

圖1 鋼混結(jié)構(gòu)形式在斜拉橋中的應(yīng)用

3 鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理與設(shè)計對策

實際上，根據(jù)鋼混結(jié)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用形式，其受力的基本形態(tài)可以分為如下幾種類型：受壓為主、受拉為主、受剪為主、壓彎結(jié)合、彎剪結(jié)合等。不同連接形式的特點與設(shè)計原則見表1。

斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段以受壓彎為主，而索塔結(jié)合段則以受壓為主。因此，在掌握這兩種受力形式下的傳力機(jī)理，就可以針對此種受力形式進(jìn)行相關(guān)構(gòu)造處理，形成針對性的設(shè)計方案，如此其傳力路徑可以依照設(shè)想的方向進(jìn)行。

鋼混結(jié)合段的基本原理是保證鋼與混凝土的連接緊密，并使得整體剛度過渡平緩，不產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中問題。本質(zhì)上各種截面受力方式均可以轉(zhuǎn)化為鋼與混凝土連接的拉力和壓力，但是在同一界面上不同部位的受力形式，其傳力特點有所不同，設(shè)計的構(gòu)造方式也可以有差異。

鋼混結(jié)合段壓彎受力方式下，需要有鋼過渡段，其傳力目的比較明確：保持截面剛度合理過渡、保證壓力的傳遞、避免鋼板件局部失穩(wěn)，為此在鋼截面基礎(chǔ)上需在一定區(qū)域設(shè)置承壓加勁肋，并適當(dāng)增加相關(guān)板件厚度。鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式差異性很大，有采用鋼格式+焊釘+預(yù)應(yīng)力形式、PBL傳剪板+縱向預(yù)應(yīng)力形式、縱向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋+焊釘?shù)刃问?。設(shè)計思想如圖2所示。彎矩可以轉(zhuǎn)化為上下部分的軸力，因此上下部分的連接構(gòu)造以傳遞軸力為主，可以采用鋼板插入混凝土形式，或者頂?shù)装迳虾附舆B接件與混凝土連接形式；剪力可以通過結(jié)合面豎向構(gòu)造處理，如采用橫隔板上焊接剪力釘方式，設(shè)計中盡量使兩者傳力分工明確，傳力結(jié)果都轉(zhuǎn)移到結(jié)合段混凝土。

圖2 壓彎受力形式下的鋼混結(jié)合段構(gòu)造——海河大橋為例

鋼混結(jié)合段受壓形式下，需要設(shè)置鋼過渡段，其傳力目的是：保證截面剛度的合理過渡，保證壓力傳遞并避免鋼板件局部失穩(wěn)，構(gòu)造設(shè)計同壓彎及彎剪受力方式。鋼混結(jié)合部位板件傳遞軸力為主，通過鋼板插入混凝土中，并在鋼板上焊接PBL或者焊釘，施加橫向預(yù)應(yīng)力，保證傳力的流暢性，如圖3所示。

圖3 受壓形式下的鋼混結(jié)合段構(gòu)造——南京三橋為例

當(dāng)形成具體的設(shè)計對策后，就可以針對具體的結(jié)合段連接構(gòu)造，以其傳力方式明確各桿件的連接方式，形成實際的約束方式，開展預(yù)設(shè)計。設(shè)計成果采用有限元分析方法，通過鋼混滑移非線性分析模式，獲取結(jié)合段在不同荷載條件下的受力行為以及鋼混滑移曲線，獲得連接部位的極限承載力，并進(jìn)行優(yōu)化改善。如此，可以提高設(shè)計效率，同時減少不必要的模型試驗，提供設(shè)計的良性循環(huán)。此種設(shè)計思路，對于任意復(fù)雜受力形式的鋼混結(jié)合段，都可以給出正確的設(shè)計解答。

4 鋼混結(jié)合段設(shè)計方法建立

綜合上述概念，即可針對不同受力方式的鋼混結(jié)合段，可以形成針對性的設(shè)計方法和對策。

首先，進(jìn)行鋼混結(jié)合段位置的選取。需要綜合考慮三個因素：

（1）結(jié)合段以總體受力優(yōu)化為選擇根本，在滿足結(jié)構(gòu)體系總體受力前提下選擇。

（2）結(jié)合段選擇在受力較小同時力線過渡平緩區(qū)。

（3）結(jié)合段選擇在便于施工區(qū)域，便于鋼梁過渡段和混凝土的架設(shè)以及鋼混連接施工。

其次，確定鋼混結(jié)合段受力形式。進(jìn)行鋼混過渡截面受力類型的辨別，進(jìn)而分析每一部分的受力特點，在這種受力特點下，鋼混結(jié)合段必須滿足相關(guān)構(gòu)造措施。

再則，針對整體截面的受力方式，選擇不同區(qū)域分擔(dān)不同受力行為，使力的傳遞盡量明顯；針對指定受力狀態(tài)設(shè)計主要構(gòu)造方式，并參考相關(guān)實踐取定結(jié)構(gòu)參數(shù)。

接著，針對設(shè)計構(gòu)造，建立局部空間實體有限元模型，確定實體模型的受力邊界條件、位移條件、板件之間的連接方式等；選取受力組合，分析結(jié)構(gòu)體系在各種狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀況、力流的傳遞、混凝土拉應(yīng)力與壓應(yīng)力、鋼構(gòu)件的應(yīng)力水平與失穩(wěn)狀態(tài)、鋼混結(jié)合段鋼與混凝土的滑移狀況等。當(dāng)受力無法通過時修改設(shè)計構(gòu)造對策，當(dāng)受力滿足要求時，根據(jù)實際狀況確定是否需要進(jìn)行模型試驗，當(dāng)進(jìn)行模型試驗時，應(yīng)根據(jù)具體的模型試驗結(jié)果，對有限元模型進(jìn)行修正，通過數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的對比，評價鋼混結(jié)合段的受力傳力行為。

最后，根據(jù)對相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，對設(shè)計構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化改善，提高結(jié)構(gòu)的可施工性。

上述設(shè)計方法和過程可以總結(jié)為圖4。所提出的針對具體受力形式形成針對性設(shè)計對策的方法，將不同受力行為的鋼混結(jié)合段細(xì)化成截面層次受力狀況，通過力學(xué)分析使用針對性的構(gòu)造連接方式，讓結(jié)構(gòu)的受力按照工程師預(yù)想的模式進(jìn)行，使得各部分的受力傳力行為明確。如此在結(jié)構(gòu)的有限元分析中，鋼混連接處理更具有針對性，模型分析的結(jié)果也更能反映實際受力狀況，減少不必要的模型試驗。同時有限元參數(shù)化分析的結(jié)果又可以改善構(gòu)造，如此豐富鋼混結(jié)合段的傳力機(jī)理與設(shè)計對策。

圖4 鋼混結(jié)合段設(shè)計方法與過程

5 結(jié)語

混合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用愈加廣泛，論文總結(jié)了斜拉橋中鋼混結(jié)合段的主要應(yīng)用及特點，斜拉橋中主要的鋼混結(jié)合段設(shè)計于主梁和索塔中，其受力形式分別以壓彎和受壓為主，因此系統(tǒng)分析了壓彎和受壓形式下的鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理問題，以及傳力機(jī)理下的設(shè)計對策和解決方法。并給出了斜拉橋中鋼混結(jié)合段的設(shè)計過程和方法，可以應(yīng)對任意復(fù)雜受力形式下的鋼混結(jié)合段的設(shè)計。

[1]聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社, 2011.

[2]劉玉擎.混合梁接合部設(shè)計技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁，2005(4): 9-12.

[3]劉高,唐亮,譚皓，等.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合部的合理位置[J].公路交通科技，2010，27(6):52-57.

[4]黃玲.混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段受力行為與傳力機(jī)理研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[5]崔冰,孟凡超,趙燦輝,等.南京長江第三大橋主塔鋼-混結(jié)合段設(shè)計研究[M].北京：人民交通出版社,2005.

U442

B

1009-7716（2017）04-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.024

2017-01-06

李洪（1985-），男，四川成都人，橋梁工程師，從事橋梁設(shè)計工作。