鋼混結(jié)合段在橋梁中的應(yīng)用及關(guān)鍵點分析

劉堅

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）第六設(shè)計院有限公司，合肥230031）

1 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，橋梁的跨徑逐漸增大，橋梁的造型向美觀發(fā)展，橋梁的結(jié)構(gòu)逐漸輕質(zhì)化；在這些趨勢下，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)在很多時候已經(jīng)不能滿足設(shè)計的要求[1]。本文以鋼混組合結(jié)構(gòu)在各類型橋梁工程中的應(yīng)用為切入點，介紹鋼混組合橋梁的發(fā)展及應(yīng)用，對鋼混組合橋梁的關(guān)鍵點——鋼混結(jié)合段進行理論分析，研究組合結(jié)構(gòu)的傳力機理，并對鋼混結(jié)合段的設(shè)計提出建議。

2 鋼混組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鋼混組合結(jié)構(gòu)在各類橋梁中的應(yīng)用

2.1.1 在斜拉橋中的應(yīng)用

主梁采用組合結(jié)構(gòu)的斜拉橋，稱之為混合斜拉橋，主跨采用輕質(zhì)的鋼箱梁、邊跨采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并且進行配重以增大邊跨的剛度。建于1972 年的Kurt Schumacher Bridge 是世界上第一座采用組合結(jié)構(gòu)的斜拉橋，該橋為公鐵兩用橋梁，鋼混的結(jié)合段設(shè)置在橋塔位置，通過剪力連接構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力鋼筋將鋼箱梁和鋼筋混凝土段連接。其后，西德對其進行改進，主跨采用2 根縱向鋼梁，并使用正交異性鋼橋面板；法國建設(shè)的Normandy Bride 將鋼混組合橋梁的跨徑推到近千米級；日本在這方面起步較早，其代表作為多多羅大橋[2]。

我國相對起步較晚，首座鋼混斜拉橋——徐浦大橋建成于1996 年，主跨為590m；2001 年通車的桃天門大橋，主跨為580m；2010 年建成的鄂東長江大橋，主跨為926m。

2.1.2 在連續(xù)剛構(gòu)橋中的應(yīng)用

連續(xù)混凝土橋梁由于自重較大，其跨徑的增長較斜拉橋和懸索橋相對緩慢，如虎門大橋的主跨為270m，其后所建連續(xù)混凝土橋梁跨徑基本維持在這一水平，停滯不前。在虎門大橋，由自重產(chǎn)生的內(nèi)力占總內(nèi)力的92%，因而在混凝土結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中，如何降低自重成為提高跨徑的關(guān)鍵點。重慶的石板坡長江大橋，創(chuàng)造性地使用混合梁，將跨徑提高到330m，鋼混結(jié)合部采用有格室-后承壓板進行鋼混連接。其后的甌江大橋的鋼混結(jié)合部在此基礎(chǔ)上，利用PBL 剪力板、預(yù)應(yīng)力鋼筋連接[3]。

2.1.3 在自錨式懸索橋中的應(yīng)用

自錨式懸索橋與地錨式懸索橋的區(qū)別是主纜錨固的位置，自錨式是錨固在加勁梁的兩端，由加勁梁承擔(dān)錨固點的荷載，并且形成自平衡受力體系，增大跨徑，加勁梁的尺寸也隨之增加。平勝大橋為世界上首座鋼混組合結(jié)構(gòu)的懸索橋，加勁梁為鋼混組合結(jié)構(gòu)，主跨為鋼箱梁，邊跨為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼混2 部分通過滲入混凝土內(nèi)部的開孔底板和腹板連接。該種形式的橋梁可降低主跨的自重，減少主纜的受力，增大跨徑。

2.1.4 在橋塔中的應(yīng)用

斜拉橋和懸索橋的橋塔多為鋼結(jié)構(gòu)或者混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)自重小、抗震性能強、施工速度快、錨固構(gòu)造簡單、鋼材可以重復(fù)利用，但其施工精度較高、抗腐蝕性差、造價相對較高；而混凝土結(jié)構(gòu)的橋塔剛度大、技術(shù)成熟、耐腐蝕高，但抗震性能差。

2.2 鋼混組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

鋼混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點在于如何實現(xiàn)剛度的平順過渡，力可以均勻傳遞，避免在結(jié)合段出現(xiàn)剛度突變和應(yīng)力集中，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。鋼混結(jié)合段構(gòu)造不同、尺寸不同都會影響鋼材與混凝土之間的內(nèi)力分擔(dān)比重，因而研究其在結(jié)合段的傳力機理、構(gòu)造設(shè)計對設(shè)計工作具有重要意義。另一方面，鋼材與混凝土的剛度相差較大，采取何種措施實現(xiàn)鋼材與混凝土剛度的平順對接，避免剛度突變，也是設(shè)計的關(guān)鍵和難點。

3 鋼混結(jié)合段傳力機理分析

鋼混結(jié)合段內(nèi)力的傳遞與擴散主要是利用承壓板、剪力鍵以及鋼混之間的錨固黏結(jié)。鋼材與混凝土能協(xié)調(diào)工作，主要是利用二者之間的錨固黏結(jié)來實現(xiàn)，根據(jù)形式，可以分為機械咬合作用和套箍作用。剪力鍵是確保2 種材料可以共同受力的關(guān)鍵構(gòu)造，其不僅要抵抗鋼混界面上的剪力，防止相對位移的出現(xiàn)，還需要抵抗混凝土鋼結(jié)構(gòu)間的掀起作用。

鋼混組合結(jié)構(gòu)結(jié)合段主要有3 種力的作用，即軸向壓力、軸向拉力以及剪力。鋼混組合結(jié)構(gòu)軸向壓力的傳力原理是利用鋼結(jié)構(gòu)的加勁肋、加勁筋等，通過過渡構(gòu)件將力進行分散，通過承壓板、PBL 剪力鍵或者鋼材與混凝土之間的錨固黏結(jié)作用傳遞到內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)中。其中承壓板由于和混凝土緊貼，對于軸力的傳遞最為直接，如圖1 所示。當(dāng)外荷載接近混凝土承載力極限的時候，混凝土與鋼材發(fā)生相對滑移，錨固黏結(jié)傳力的貢獻(xiàn)比將降低，所以，在一般情況下不考慮鋼混之間的錨固黏結(jié)作用。

圖1 軸力傳遞機理

結(jié)合段的軸向拉力傳遞主要是利用預(yù)應(yīng)力鋼筋、剪力鍵以及鋼混界面的錨固黏結(jié)。在設(shè)計過程中，只考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力和剪力鍵的機械錨固作用，鋼混界面的錨固黏結(jié)僅作為安全儲備。為使結(jié)合部處于全截面受壓的狀態(tài)，鋼混結(jié)合部位置應(yīng)設(shè)置在軸壓較大而軸拉較小的位置，可以以預(yù)應(yīng)力平衡拉應(yīng)力。結(jié)合段的剪力則是通過剪力釘進行傳遞，如圖2所示。通過以上分析，可以總結(jié)出結(jié)合部傳力的機制是：鋼梁的作用力通過鋼箱梁的剛度過渡段傳遞到鋼混結(jié)合段，依靠混凝土的剛度過渡段傳遞到混凝土標(biāo)準(zhǔn)段中。

圖2 剪力釘傳力示意圖

4 鋼混結(jié)合段設(shè)計關(guān)鍵點分析

4.1 結(jié)合段位置選擇

根據(jù)上文的分析，結(jié)合段是剛度轉(zhuǎn)換和受力傳遞的關(guān)鍵部位，因而在確定結(jié)合部的位置時，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力特征、施工的工藝及造價。從結(jié)構(gòu)受力的角度看，結(jié)合部應(yīng)設(shè)在彎矩和剪力較小的部位，避免設(shè)在應(yīng)力正負(fù)轉(zhuǎn)換的部位，如反彎點等部位；從工藝的角度，結(jié)合部宜設(shè)置在可以利用邊跨施工架設(shè)或者墩柱施工架設(shè)的區(qū)段；從造價的角度看，延長混凝土段，減少鋼加固段以降低造價。

4.2 剪力連接件的設(shè)計

以鋼混組合連續(xù)剛構(gòu)橋梁為例，介紹剪力連接件的設(shè)計。在鋼混結(jié)合段，需要確保鋼材與混凝土之間的連接，不能發(fā)生剝離，因此，需要采取在箱梁格室的鋼板以及承壓板上開孔、設(shè)置剪力釘?shù)却胧?。剪力釘?shù)氖芰Σ痪哂蟹较蛐?，因此在設(shè)計中無需考慮其方向，但其承載力較低，易產(chǎn)生疲勞破壞，而且還會影響鋼筋的布置，因此，在設(shè)置剪力釘時需要進行合理規(guī)劃。開孔板的受力具有方向性，因此，布置開孔板時需要沿著受力方向布置，其抗疲勞性、承載力均高于剪力釘。

在鋼混結(jié)合部設(shè)計時，必須確保鋼材與混凝土的連接可靠，使得內(nèi)力和變形可以傳遞協(xié)調(diào)。結(jié)合段兩側(cè)的結(jié)構(gòu)重心位置應(yīng)保持一致，避免產(chǎn)生附加彎矩，同時結(jié)合段應(yīng)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋抵消軸向拉力。在設(shè)計時應(yīng)對以往的工程進行分析，選擇合理的構(gòu)造設(shè)計，使得剛度的轉(zhuǎn)換和受力的傳遞都可以平順過渡到混凝土主梁中。

5 結(jié)語

本文通過鋼混組合橋梁鋼混結(jié)合段的研究得出以下結(jié)論：（1）鋼混組合結(jié)構(gòu)可以降低橋梁的自重，提高跨徑，提升橋梁的美感，并具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性，而鋼混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是通過結(jié)合部實現(xiàn)受力和剛度的平順過渡；（2）鋼混結(jié)合段的位置應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力、施工的工藝以及造價等來進行確定，同時，在結(jié)合部必須確保連接件的可靠，使得內(nèi)力和變形可以傳遞。