鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段研究綜述

施 洲，顧家昌，周勇聰

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

混合梁斜拉橋是指中跨大部分或全部采用鋼梁，兩側(cè)部分或全部采用混凝土梁的斜拉橋，合理利用了2 種材料各自的優(yōu)勢(shì)。自20世紀(jì)70年代起，混合梁斜拉橋以良好的跨越能力、平衡中邊跨受力及較好的經(jīng)濟(jì)性能而成為極具競(jìng)爭(zhēng)力大跨度橋型之一。目前，混合梁斜拉橋已廣泛應(yīng)用于公路大跨度橋梁中，而在荷載更重、剛度要求更高的鐵路橋梁中應(yīng)用相對(duì)較晚，且正在不斷發(fā)展。

鋼混結(jié)合段作為主梁中鋼梁段與混凝土梁段的連接部位，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、力學(xué)特性及耐久性備受關(guān)注。公路混合梁斜拉橋應(yīng)用較早，相關(guān)鋼混結(jié)合段受力、傳力及變形特性的研究資料豐富。陳開利等［1］通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了桃夭門大橋公路鋼混結(jié)合段的構(gòu)造合理性，并分析了結(jié)合段應(yīng)力分布與傳力規(guī)律；張景峰等［2］基于非線性數(shù)值分析，詳細(xì)模擬了結(jié)合段受力及栓釘滑移行為，為結(jié)合段合理設(shè)計(jì)提供參考；黃彩萍等［3］基于推出試驗(yàn)研究了結(jié)合段內(nèi)剪力連接件的受力特性與承載能力，并提出“橡膠-剪力釘”組合連接件及其承載能力公式推導(dǎo)。相關(guān)研究成果為鐵路橋梁鋼混結(jié)合段的構(gòu)造提供了參考。針對(duì)鐵路大跨度斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力性能，周陽(yáng)、Shi 等［4-5］以甬江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過模型試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真分析，詳細(xì)探討了鐵路斜拉橋鋼混結(jié)合段合理構(gòu)造及疲勞損傷問題；Yang 等［6］探究了深茂鐵路潭江特大橋鋼混結(jié)合段受力及變形規(guī)律，驗(yàn)證了結(jié)合段具有足夠的剛度及承載能力，滿足高速列車行駛要求；施洲等［7］詳細(xì)分析了鐵路斜拉橋鋼混結(jié)合段長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，為結(jié)合段構(gòu)造優(yōu)化提供參考。

針對(duì)混合梁鋼混結(jié)合段合理構(gòu)造、受力及傳力性能、剪力連接件受力等相關(guān)問題，各國(guó)學(xué)者已取得較為豐碩的研究成果。但隨鐵路混合梁斜拉橋跨徑的不斷增大以及在高速鐵路橋梁中的應(yīng)用，鋼混結(jié)合段在其構(gòu)造設(shè)計(jì)及優(yōu)化、受力與傳力特性、疲勞受力以及參數(shù)影響規(guī)律等方面仍需進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)鐵路大跨度混合梁斜拉橋的鋼混結(jié)合段，從其發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式、結(jié)構(gòu)受力特性、剪力連接件受力情況、傳力機(jī)理、疲勞受力特性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律等方面，闡述其發(fā)展及研究現(xiàn)狀、理論研究成果以及存在的問題，為后續(xù)大跨度混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計(jì)與理論研究提出相關(guān)建議和展望。

1 鐵路混合梁斜拉橋發(fā)展歷程

1963年，德國(guó)首次提出混合梁斜拉橋的構(gòu)思方案，對(duì)傳統(tǒng)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系來說是一種大膽的創(chuàng)新。1972年，世界第1座公路混合梁斜拉橋（庫(kù)爾特—舒馬赫橋）建成，此后，短短不到半個(gè)世紀(jì)，公路混合梁斜拉橋跨徑便從287 m 發(fā)展到了千米級(jí)（主跨達(dá)1 104 m 的俄羅斯島大橋）。但長(zhǎng)期以來，因?yàn)殍F路活載重、剛度要求高等原因，混合梁斜拉橋較少應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的鐵路橋梁。在國(guó)外，相關(guān)橋例的報(bào)道極少。在國(guó)內(nèi)，寧波鐵路樞紐甬江特大橋是混合梁斜拉橋在大跨度鐵路橋梁中的首次應(yīng)用，改變了大跨度鐵路斜拉橋單一采用鋼桁架梁的格局。其后，深茂鐵路潭江特大橋首次將混合梁斜拉橋應(yīng)用于時(shí)速200 km 的高速鐵路中。安九鐵路鳊魚洲長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺?72 m 的4 線高速鐵路混合梁斜拉橋，成功地將混合梁斜拉橋應(yīng)用到4 線重載、高速鐵路跨長(zhǎng)江大橋。在建的南玉鐵路百合郁江特大橋則是350 km·h-1高速鐵路無砟軌道混合梁斜拉橋的應(yīng)用。通過調(diào)研文獻(xiàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外鐵路混合梁斜拉橋進(jìn)行系統(tǒng)分析統(tǒng)計(jì)，部分代表性鐵路混合梁斜拉橋列于表1?？v觀鐵路混合梁斜拉橋發(fā)展歷程，其首先在普通鐵路橋梁中應(yīng)用，再發(fā)展至高速鐵路，并由有砟軌道向無砟軌道發(fā)展，主梁跨徑亦不斷增加。

表1 部分代表性鐵路混合梁斜拉橋

2 鋼混結(jié)合段位置及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

國(guó)內(nèi)部分鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)形式、位置及過渡段信息見表2。

2.1 鋼混結(jié)合段位置

混合梁斜拉橋邊跨采用混凝土材料主要考慮其對(duì)中跨的錨固和壓重作用，且鋼混結(jié)合段的位置與混合梁斜拉橋的邊中跨比相互影響。徐利平教授［8］曾根據(jù)混合梁斜拉橋處于理想恒載狀態(tài)下的假設(shè)，分析了蘇通大橋的合理跨徑，指出鋼混梁重之比和邊跨內(nèi)鋼混梁長(zhǎng)之比決定了混合梁斜拉橋的合理邊中跨比，并認(rèn)為確保邊跨不出現(xiàn)負(fù)反力的最小合理邊中跨比應(yīng)為0.24，可用于初步確定鋼混結(jié)合段位置。如表2所示的鐵路混合梁斜拉橋邊中跨比主要集中在0.24～0.35，邊跨相對(duì)較短而更具經(jīng)濟(jì)性；鋼混結(jié)合段的位置布置主要有塔梁錨固區(qū)、中跨靠近主墩處和邊跨輔助墩附近共3種。

表2 國(guó)內(nèi)部分鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)形式、位置及過渡段信息

當(dāng)結(jié)合段設(shè)置在中跨時(shí)，混凝土壓重作用明顯，橋梁整體剛度顯著提升，有利于增強(qiáng)橋梁抗風(fēng)性能，提高列車行駛的平穩(wěn)性；當(dāng)結(jié)合段布置于邊跨輔助墩附近時(shí)，結(jié)合段內(nèi)力及變形相對(duì)較小，結(jié)合段構(gòu)造可適當(dāng)簡(jiǎn)化。隨著鋼混結(jié)合段受力性能的改進(jìn)，其位置布置更為靈活，但在實(shí)際工程中，仍須兼顧橋址環(huán)境、施工及造價(jià)等多方面因素，一般應(yīng)滿足：

（1）大橋整體受力較為均衡；

（2）結(jié)合段內(nèi)力及變形均較??；

（3）方便主梁鋼、混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)操作等原則。

2.2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造

混合梁的鋼混結(jié)合段的主要作用是將主跨鋼梁巨大的內(nèi)力平穩(wěn)勻順地傳遞給混凝土梁，一般由承壓板、剪力連接件、預(yù)應(yīng)力筋等主要構(gòu)件組成，通常還設(shè)置加勁肋、鋼格室等補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件以加強(qiáng)鋼混界面連接。對(duì)公路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段調(diào)研表明：其構(gòu)造形式不斷發(fā)展；由最初承壓板和混凝土直接接觸傳力逐漸演變?yōu)槌袎喊?、鋼頂?shù)装褰Y(jié)合剪力連接件共同傳力，增加傳力路徑的同時(shí)降低了承壓板的傳力比例；插入混凝土側(cè)的鋼頂?shù)装迮渲酶舭逍纬筛袷疫M(jìn)一步增加結(jié)合段剛度，同時(shí)降低長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中鋼混界面脫離的風(fēng)險(xiǎn)，越來越多的鋼混結(jié)合段采用有格室構(gòu)造［9-13］。此外，形成格室的隔板通常開孔穿鋼筋形成PBL 剪力鍵進(jìn)一步加強(qiáng)鋼混結(jié)合作用。

相比公路鋼混結(jié)合段，由于鐵路列車荷載集度高（與同等跨度的公路橋梁相比，鐵路雙線列車荷載集度相當(dāng)于6 車道公路汽車荷載集度的4 倍以上），對(duì)鋼混結(jié)合段受力、傳力、變形及構(gòu)件疲勞性能要求高，且鐵路運(yùn)營(yíng)與維護(hù)對(duì)鋼混結(jié)合段的耐久性提出更嚴(yán)格的要求，因此鐵路鋼混結(jié)合段普遍較長(zhǎng)，目的在于更可靠、均勻地傳遞更大的主梁內(nèi)力，并保證鐵路行車對(duì)線路平順性的要求。表2中統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明，除早期少數(shù)橋例外，鐵路橋梁鋼混結(jié)合段均采用鋼梁插入混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造來加強(qiáng)鋼混傳力。

根據(jù)鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理的不同，可將其分為承壓式和承壓傳剪式。

承壓式結(jié)合段通過承壓板和混凝土直接接觸傳遞軸力與彎矩，豎向剪力僅依靠承壓板上剪力釘及鋼混界面黏結(jié)力傳遞。根據(jù)承壓板與混凝土間的接觸狀況分為全截面和部分截面連接承壓，如圖1所示。該類型結(jié)合段構(gòu)造簡(jiǎn)單，滿足實(shí)際工程基本的強(qiáng)度及剛度過渡要求，較多應(yīng)用于早期公路鋼混結(jié)合段。因其鋼混界面連接作用不強(qiáng)，容易在運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生鋼混界面開裂、脫離，進(jìn)而引起耐久性問題，目前，工程中極少采用單一的承壓式鋼混結(jié)合段。

圖1 承壓式鋼混結(jié)合段構(gòu)造

承壓傳剪式鋼混結(jié)合段又稱剪壓式鋼混結(jié)合段，復(fù)合使用承壓板、鋼梁頂?shù)装寮凹袅B接件傳遞主梁內(nèi)力，鋼頂?shù)装宀迦牖炷炼物@著強(qiáng)化結(jié)合段的整體性及豎向傳剪能力。剪壓式結(jié)合段通常還設(shè)置格室對(duì)其中的混凝土形成多向約束，進(jìn)一步強(qiáng)化鋼和混凝土間連接并改善鋼和混凝土間傳力。寧波鐵路樞紐甬江特大橋鋼混結(jié)合段采用了典型的有格室剪壓式構(gòu)造，結(jié)合段長(zhǎng)7.35 m，兩側(cè)設(shè)置較長(zhǎng)的剛度過渡段，預(yù)應(yīng)力筋分散錨固在前后承壓板上。安九鐵路鳊魚洲長(zhǎng)江大橋鋼混結(jié)合段采用無格室剪壓式構(gòu)造，結(jié)合段長(zhǎng)2 m，兩側(cè)設(shè)置長(zhǎng)為6 m的剛度過渡段，鋼梁頂、底板混凝土側(cè)均設(shè)剪力釘及錐形PBL 剪力鍵插入混凝土加強(qiáng)連接，并采用較多的預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)化結(jié)合面連接。剪壓式鋼混結(jié)合段構(gòu)造如圖2所示。

圖2 剪壓式鋼混結(jié)合段構(gòu)造（單位：cm）

從受力及傳力角度分析，剪壓式結(jié)合段比傳統(tǒng)的承壓式結(jié)合段強(qiáng)化了鋼混連接并增加了傳力路徑［14］，更適合大跨度及鐵路橋梁傳力的需要。混合梁斜拉橋在荷載更重的鐵路特別是高速鐵路橋梁中應(yīng)用，其鋼混結(jié)合段在滿足結(jié)構(gòu)安全、耐久的前提下，仍需考慮施工便捷性及經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，可在既有剪壓式結(jié)合段的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，具體如下［15-17］：

（1）根據(jù)梁高、梁寬尺寸，優(yōu)化鋼混結(jié)合段長(zhǎng)度及鋼混連接構(gòu)造形式，實(shí)現(xiàn)均衡傳遞主梁截面軸力、剪力與彎矩；

（2）優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束配置及錨固位置，保持在最不利荷載下結(jié)合段鋼混仍有效連接并使得混凝土處于受壓狀態(tài)；

（3）優(yōu)化結(jié)合段整體剛度，既要為主梁內(nèi)力傳遞及傳力不均勻性預(yù)留一定安全系數(shù)，又要避免局部剛度過大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致施工不便；

（4）優(yōu)化設(shè)置鋼梁過渡段及混凝土梁過渡段，使得結(jié)合段傳力流暢、避免局部應(yīng)力集中并實(shí)現(xiàn)剛度平穩(wěn)過渡。

2.3 鋼混結(jié)合段主要參數(shù)

2.3.1 結(jié)合段長(zhǎng)度

鋼混結(jié)合段的長(zhǎng)度對(duì)主梁內(nèi)力的平穩(wěn)傳遞具有重要意義，一般來說，結(jié)合段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，剛度過渡越均勻、傳力越順暢、安全儲(chǔ)備也越高；長(zhǎng)度越短，其傳力路徑就越短，傳力更集中，但對(duì)結(jié)合段中鋼構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力筋等其他構(gòu)造質(zhì)量及混凝土澆筑施工要求較高［7］。由表2中既有鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段的長(zhǎng)度可見：鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段長(zhǎng)度在4.0 m 左右，含兩側(cè)過渡段的總體長(zhǎng)度普遍在12.0 m 以上，長(zhǎng)于公路橋梁鋼混結(jié)合段的長(zhǎng)度（2.0 m 左右）以及含過渡段的總長(zhǎng)度（約8.0 m 以下）。隨著混合梁技術(shù)的逐漸成熟，鐵路鋼混結(jié)合段長(zhǎng)度有著下降趨勢(shì)，鳊魚洲長(zhǎng)江大橋首次采用了2.0 m 的短結(jié)合段。針對(duì)結(jié)合段長(zhǎng)度對(duì)其受力性能的影響，李昱華［18］對(duì)1.25～2.25 m 之間的結(jié)合段展開了有限元仿真分析，指出1.5 m 為結(jié)合段長(zhǎng)度的臨界值，低于1.5 m 時(shí)，結(jié)合段中承壓板及剪力連接件的局部應(yīng)力值較大，不利于結(jié)構(gòu)受力。文獻(xiàn)［19］研究表明，在最不利正、負(fù)彎矩荷載作用下，結(jié)合段長(zhǎng)度的改變僅影響結(jié)合段區(qū)域及1.0 m 以內(nèi)剛度過渡段的受力，且縱、橫向應(yīng)力分布規(guī)律與結(jié)合段長(zhǎng)度并無較大關(guān)聯(lián)。

由此可見，結(jié)合段鋼混連接長(zhǎng)度在3.0 m 以上時(shí)，再增加其長(zhǎng)度對(duì)主梁受力并無顯著影響，過長(zhǎng)的鋼混結(jié)合段容易導(dǎo)致施工不便，考慮實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)并不屬于單一的受力狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)，對(duì)結(jié)合段長(zhǎng)度在1.5～3.0 m 之間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3.2 承壓板厚度

承壓板作為鋼混結(jié)合段內(nèi)力傳遞的主要構(gòu)件，承擔(dān)并傳遞約30%～50%的主梁內(nèi)力，其厚度決定了其剛度，直接影響主梁的內(nèi)力分配，繼而影響結(jié)構(gòu)的整體受力與傳力平順。唐亮等［20］研究發(fā)現(xiàn)承壓板主要承受主梁縱向剪切力，且在與頂?shù)装搴缚p附近存在混凝土支撐作用。賀紹華［21］基于剛性承壓板的假定，給出了承壓板最小厚度tbmin計(jì)算公式為

式中：Lh為承壓板邊緣連接焊縫的長(zhǎng)度；［τs］為設(shè)計(jì)容許剪應(yīng)力；Fh為結(jié)合段混凝土所分擔(dān)的軸力。

Fh可參考《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于鐵路橋梁，承壓板的厚度取值尚待研究。

為研究承壓板厚度變化對(duì)結(jié)合段受力的影響，Kim［22］分析了承壓板厚度在50～70 mm 變化時(shí)鋼混結(jié)合段的應(yīng)力變化，結(jié)果表明，結(jié)合段極限承載力與承壓板厚度成正比，但當(dāng)承壓板厚度超過75 mm 時(shí)，結(jié)合段的極限承載力不再增加；胡峰強(qiáng)等［23］研究指出承壓板厚度在40～80 mm 之間時(shí)所分擔(dān)的內(nèi)力隨厚度變化較明顯；賀紹華［21］對(duì)高性能混凝土鋼混結(jié)合段的承壓板厚度進(jìn)行了參數(shù)討論，所得規(guī)律與普通鋼混結(jié)合段相似，但高性能混凝土的應(yīng)用大大降低了承壓板厚度，新材料的出現(xiàn)正不斷為傳統(tǒng)構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路。

綜上可知，在一定范圍內(nèi)，增加承壓板厚度可有效提升其剛度，承擔(dān)并傳遞更多的內(nèi)力，但過度增加板厚則會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中和較大的剛度差異，影響結(jié)合段傳力的平順性。在保證鋼混結(jié)合段良好的傳力性能前提下，承壓板厚度宜介于40～70 mm，不宜過厚，可選擇在其兩側(cè)增加與鋼頂?shù)装逑噙B加勁肋來提升剛度并增加傳力，混凝土側(cè)增設(shè)的加勁肋（同時(shí)作為PBL 開孔板）來加強(qiáng)鋼和混凝土的連接。

2.3.3 剪力連接件參數(shù)

剪力連接件是確保鋼和混凝土協(xié)同工作的關(guān)鍵構(gòu)件，也是主梁內(nèi)力傳遞的主要構(gòu)件之一，其構(gòu)造形式對(duì)結(jié)合段力學(xué)性能有顯著的影響。為研究剪力釘構(gòu)造參數(shù)對(duì)結(jié)合段力學(xué)性能的影響，胡峰強(qiáng)［23］、藺釗飛［24］、蒲黔輝［25］等從剪力釘直徑和間距以及剪力釘失效方面進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，相對(duì)直徑22 mm 的剪力釘，直徑增加8 mm，其抗剪強(qiáng)度和剛度分別可提升約42%和35%；剪力釘間距在150 mm 時(shí)，結(jié)合段內(nèi)力在各傳力構(gòu)件間的分配較為合理；進(jìn)一步增大剪力釘間距，其布置數(shù)量及傳力比例逐漸降低，靠近加載端剪力釘一旦屈服失效，易呈現(xiàn)出“多米諾骨牌效應(yīng)”破壞。

不同于剪力釘?shù)膯渭兛辜魝髁?，PBL 剪力鍵通過鋼板、橫向鋼筋和孔內(nèi)混凝土榫相互作用實(shí)現(xiàn)鋼混連接與傳力。PBL 板的開孔直徑和間距、孔洞個(gè)數(shù)以及橫向鋼筋的配置不僅會(huì)影響PBL 剪力鍵自身的承載能力［26］，還影響著結(jié)合段整體的力學(xué)性能。針對(duì)PBL 剪力鍵構(gòu)造參數(shù)對(duì)結(jié)合段應(yīng)力的影響，張鵬［16］從開孔板構(gòu)造、孔洞直徑、開孔位置、焊接形狀等展開了討論，分析表明，孔徑越大、開孔板越厚越長(zhǎng)，PBL 剪力鍵承載與傳力能力越強(qiáng)，但應(yīng)力集中較明顯，且開孔位置距端部越大，應(yīng)力值就越大。既有橋例調(diào)研表明，較合理的PBL 剪力鍵構(gòu)造：開孔板厚應(yīng)介于12～30 mm，開孔直徑與板厚之比不應(yīng)大于0.4，開孔間距不小于2倍的開孔直徑，PBL鋼筋直徑介于12～25 mm，各參數(shù)取值應(yīng)相互協(xié)調(diào)。此外，為降低結(jié)合段內(nèi)應(yīng)力集中，提高其承載力與工作性能，“強(qiáng)化兩端，簡(jiǎn)化中間，細(xì)化邊角”的優(yōu)化布置方案、剪力釘與PBL 剪力鍵結(jié)合使用以及梯形及U 形等新型開孔板PBL剪力鍵值得進(jìn)一步研究。

3 鋼混結(jié)合段力學(xué)性能

3.1 鋼混結(jié)合段受力性能

為探究結(jié)合段中鋼、混構(gòu)件的受力特性，驗(yàn)證既有鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式的合理性，眾多學(xué)者基于模型試驗(yàn)結(jié)合有限元分析的方法模擬結(jié)合段在施工及運(yùn)營(yíng)中的各種受力狀況，進(jìn)一步探明其在各種最不利組合荷載工況、超載工況及破壞工況下的應(yīng)力分布規(guī)律與承載能力。

公路橋梁鋼混結(jié)合段的研究結(jié)果表明［1，27-28］：在最不利荷載組合超載工況下，結(jié)合段能夠?qū)崿F(xiàn)整體受壓，處于彈性受力階段，鋼板無屈服趨勢(shì)，鋼混界面無開裂、脫空，黏結(jié)完好，滿足結(jié)合段設(shè)計(jì)的基本要求；結(jié)合段內(nèi)鋼、混構(gòu)件橫向受力均存在明顯的剪力滯效應(yīng)，因此，應(yīng)合理增設(shè)橫隔板、橫梁及頂板橫向加勁肋等構(gòu)造措施應(yīng)對(duì)剪力滯效應(yīng)的不利影響。張景峰［2］、劉凱［15］等采用有限元軟件精細(xì)模擬了鋼混結(jié)合段的受力特性，認(rèn)為純鋼格室可有效降低承壓板處應(yīng)力集中；并認(rèn)為混凝土梁剛度宜為標(biāo)準(zhǔn)鋼梁的2.0～3.0 倍，以防止運(yùn)營(yíng)階段混凝土開裂。相關(guān)研究為鐵路橋梁鋼混結(jié)合段提供了參考。

2014年，寧波鐵路樞紐甬江特大橋的建成，是混合梁斜拉橋及鋼混結(jié)合段在鐵路中的首次應(yīng)用，依托該橋開展了鐵路大跨度混合梁鋼混結(jié)合段力學(xué)特性、關(guān)鍵構(gòu)造參數(shù)、疲勞受力性能、關(guān)鍵連接構(gòu)造等理論與試驗(yàn)研究，并取得一系列研究成果［25，29］：結(jié)合段全截面模型在1.6～2.0 倍最不利荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系，鋼混界面滑移并不明顯，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；模型破壞試驗(yàn)時(shí)，過渡段混凝土先于結(jié)合段發(fā)生受拉破壞；由于寧波鐵路樞紐甬江特大橋結(jié)合段各支撐板、加勁肋較多，模型橫向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布較均勻，剪力滯效應(yīng)并不顯著。此后，Yang 等［6］通過縮尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證了深茂鐵路潭江特大橋鋼混結(jié)合段的構(gòu)造合理性，并指出剪力連接件的受力不均勻性。安九鐵路鳊魚洲長(zhǎng)江大橋采用2.0 m 的短結(jié)合段，模型試驗(yàn)結(jié)果顯示：在1.6倍最不利荷載作用下結(jié)合段仍彈性受力，僅混凝土過渡段出現(xiàn)微裂縫，傳力平穩(wěn)且高效。不同鋼混結(jié)合段研究資料表明結(jié)合段受力傳力差異顯著，其構(gòu)造優(yōu)化及受力理論研究仍有待進(jìn)一步發(fā)展。

既有研究成果多基于模型試驗(yàn)和有限元仿真分析探究結(jié)合段內(nèi)各構(gòu)件的應(yīng)力分布與傳力特性，從而驗(yàn)證既有鋼混結(jié)合段的承載能力，尚缺乏結(jié)合段整體承載能力的計(jì)算及理論研究。由于結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜，將其整體簡(jiǎn)化成單個(gè)計(jì)算模型較困難，既有研究多為探究結(jié)合段內(nèi)部主要構(gòu)件的簡(jiǎn)化計(jì)算及參數(shù)討論。文獻(xiàn)［30］規(guī)定了結(jié)合段內(nèi)最小承壓板厚度、剪力釘及PBL剪力鍵的最大剪力估算方法，為結(jié)合段細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)提供參考。賀邵華［21］基于剛性承壓板及考慮承壓板變形2 種假定探究了結(jié)合段內(nèi)承壓板傳力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，可用于公路橋梁鋼混結(jié)合段初步設(shè)計(jì)，而是否適用于更復(fù)雜的鐵路橋梁鋼混結(jié)合段則有待進(jìn)一步研究。

對(duì)于鋼混結(jié)合段整體承載能力計(jì)算，可參考桁架組合梁抗彎極限承載力計(jì)算［31］和鋼筋混凝土梁截面承載力計(jì)算方法［32］，假定其整體承載能力可由鋼結(jié)構(gòu)、受壓區(qū)混凝土、預(yù)應(yīng)力作用共同承擔(dān)，另外考慮到鋼混2 種材料的剛度差異以及兩者因傳力導(dǎo)致的受力不均勻性，還應(yīng)將各部分計(jì)算結(jié)果分別乘以傳力不均勻系數(shù)偏安全估算。此外，基于鋼混結(jié)合段的受力規(guī)律，考慮鋼、混構(gòu)件間傳力分配特性，探討各部分不均勻系數(shù)取值規(guī)律并研究更為科學(xué)的承載能力計(jì)算理論方法尤為迫切。

3.2 鋼混結(jié)合段剪力連接件受力性能

剪力連接件的主要作用是加強(qiáng)鋼混連接，傳遞主梁剪力。最常用的剪力連接件是剪力釘和PBL剪力鍵，剪力釘應(yīng)用較早，因其技術(shù)成熟、可靠性高而應(yīng)用廣泛；PBL 剪力鍵同樣廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，具有抗剪剛度大、承載能力高、破壞前變形大、抗疲勞性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1 剪力釘受力性能

剪力釘力學(xué)性能不具方向性，施工方便，有很好的抗分離能力，其極限抗剪能力與其抗拉強(qiáng)度和截面尺寸有關(guān)，一般通過推出試驗(yàn)探究其受力性能和單釘承載能力，相應(yīng)研究成果已應(yīng)用于各國(guó)規(guī)范。但基于推出試驗(yàn)擬合出的承載能力計(jì)算式過于保守，據(jù)此設(shè)計(jì)的剪力釘數(shù)目偏多，影響施工的便捷性［33］，為此，張清華等［34］區(qū)別推出試驗(yàn)，采用小試件模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀況，基于剪力連接件破壞機(jī)理，提出了具有一定物理意義的抗剪極限承載能力Fu統(tǒng)一計(jì)算式為

式中：α1和α2分別為混凝土和橫向鋼筋影響系數(shù)；β1和β2為回歸系數(shù)；μ1和μ2分別為混凝土榫和貫穿鋼筋的破壞類型系數(shù)；Fcu和Fsu分別為混凝土和鋼構(gòu)件所提供的承載力。

對(duì)于剪力釘承載能力計(jì)算，其破壞形態(tài)一般為單剪切面的脆性破壞，此時(shí)，F(xiàn)cu=0，F(xiàn)su=(πds24)fy（ds為剪力釘直徑，fy為剪力釘鋼材的屈服強(qiáng)度）。

然而實(shí)際鋼混結(jié)合段中，剪力釘是群釘設(shè)置，受力具有明顯的不均勻性［35］，即剪力釘群在靠近加載端的應(yīng)力水平較大，遠(yuǎn)離加載端應(yīng)力水平逐漸降低并趨于穩(wěn)定。為改善群釘受力，不少學(xué)者提出組合連接件的構(gòu)思。黃彩萍等［3］基于推出試驗(yàn)，探明了“橡膠-剪力釘”組合剪力鍵破壞時(shí)較普通剪力釘彎曲長(zhǎng)度長(zhǎng)、延性大的特點(diǎn)，驗(yàn)證了組合連接件可以提高承載力、改善受力不均勻的假想，并結(jié)合單個(gè)普通剪力釘極限承載能力計(jì)算式，綜合考慮剪力釘和混凝土的材料特性及組合連接件的構(gòu)造特點(diǎn)，推導(dǎo)了該組合剪力鍵中單釘極限承載力Fu，r計(jì)算式，即

式中：As為剪力釘截面面積；Ec和Es分別混凝土和剪力釘?shù)膹椥阅Ａ?；fc和fu分別為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和剪力釘極限抗拉強(qiáng)度；φ(μ)為相關(guān)函數(shù)，非線性回歸分析得φ(μ)=3.14-2.5μ2+2.3μ，μ為橡膠和剪力釘?shù)拈L(zhǎng)度比。

此外，在剪力釘抗剪承載力的非線性計(jì)算分析中，作為主要參數(shù)的抗剪剛度主要基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，一般取0.2 mm 滑移對(duì)應(yīng)的割線模量［36］，缺乏明確的物理意義，剪力釘群的受力不均勻性量值及其在縱、橫向的分布規(guī)律仍有待進(jìn)一步深入研究。同時(shí)，實(shí)際鋼混結(jié)合段內(nèi)剪力釘多為彎剪受力，其抗剪承載力與推出試驗(yàn)的直剪得到的承載力同樣存在一定差異，相應(yīng)差異同樣有待進(jìn)一步研究。

3.2.2 PBL剪力鍵受力性能

PBL 剪力鍵開孔板的開孔數(shù)目、開孔間距、混凝土強(qiáng)度、橫向鋼筋分布是影響PBL 剪力鍵承載力的關(guān)鍵因素［26］。目前，PBL 剪力鍵的承載力計(jì)算主要考慮鋼板下部混凝土承壓作用、橫向鋼筋抗滑移作用及孔中混凝土榫的抗剪作用3部分?；诖?，Oguejiofor 等［37］推導(dǎo)了PBL 剪力鍵承載能力計(jì)算式；Medberry 等［38］在此基礎(chǔ)上考慮鋼混界面的黏結(jié)作用線性回歸出新的承載能力計(jì)算式；Al-Darzi［39］，Veríssimo［40］等進(jìn)一步作出了改進(jìn)；然而實(shí)際制作及加載過程中每個(gè)試件都存在較大的差異，僅通過推出試驗(yàn)得到的擬合式仍缺乏普遍推廣意義，楊勇等［41］研究了不同工況下開孔板、PBL鋼筋、混凝土榫等部分對(duì)PBL剪力鍵承載力的貢獻(xiàn)，由此推出物理意義明確、精度較高的計(jì)算式，不同PBL剪力鍵承載力計(jì)算式的匯總見表3。

表3 PBL剪力鍵承載力計(jì)算式

既有PBL 剪力鍵的承載能力計(jì)算式均考慮了混凝土強(qiáng)度對(duì)其承載能力的影響，且強(qiáng)度越大，承載能力越高。因此可采用高強(qiáng)混凝土提升PBL 剪力鍵的承載能力。此外，既有PBL 剪力鍵的承載能力計(jì)算式研究多基于線性回歸預(yù)測(cè)單排PBL 剪力鍵的承載能力，難以反映實(shí)際工程中連接件群的實(shí)際承載能力及受力不均勻性（外荷載較小時(shí)，PBL 剪力鍵不均勻系數(shù)達(dá)5.0 以上，隨荷載的增大，該系數(shù)迅速減小并趨于1.4［42］），相關(guān)問題仍值得進(jìn)一步探究。目前，PBL 剪力鍵與剪力釘同時(shí)布置的情況越來越普遍，而兩者的聯(lián)合受力特性，尚未有系統(tǒng)的研究資料；相關(guān)PBL 剪力鍵與剪力釘聯(lián)合抗剪的模型試驗(yàn)、理論研究及仿真分析計(jì)算等均有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理

鋼混結(jié)合段的主要作用是確保鋼梁內(nèi)力平穩(wěn)、均順地傳遞給混凝土梁，避免產(chǎn)生局部應(yīng)力集中以確保橋梁整體結(jié)構(gòu)的耐久性。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理相關(guān)研究［42-44］的調(diào)研，總結(jié)出結(jié)合段主梁內(nèi)力主要通過承壓板承壓、剪力連接件傳剪、鋼混界面黏結(jié)力傳剪等方式傳遞給混凝土梁，其主要傳力路徑可總結(jié)為4條，如圖3所示。其中，承壓板直接承壓是最主要的傳力途徑，一般傳遞約30%～50%的內(nèi)力；延伸至混凝土梁內(nèi)的鋼頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)布設(shè)的剪力釘及PBL 剪力鍵以傳剪的形式傳遞部分內(nèi)力給混凝土梁；通過鋼混界面黏結(jié)傳遞的內(nèi)力相對(duì)較少，通常僅作安全儲(chǔ)備考慮，但鋼和混凝土之間的連接密實(shí)性是影響結(jié)合段力學(xué)性能的關(guān)鍵［7］，因此，需要保證結(jié)合段混凝土施工澆筑質(zhì)量，必要時(shí)可采用收縮補(bǔ)償或微膨脹混凝土加強(qiáng)鋼混黏結(jié)。

圖3 鋼混結(jié)合段傳力路徑

為進(jìn)一步探討鋼混結(jié)合段不同構(gòu)件傳力的特性，在各橫截面對(duì)各構(gòu)件縱橋向應(yīng)力進(jìn)行積分得到不同構(gòu)件承擔(dān)的軸力，進(jìn)而求得同一截面不同構(gòu)件的傳力比例。圖4為安九鐵路鳊魚洲長(zhǎng)江大橋鋼混結(jié)合段各鋼構(gòu)件傳力分析結(jié)果［7］。由圖4可見：在鋼梁過渡段起始截面，頂?shù)装?、加勁肋、腹板及腹板肋分別傳遞約49.1%，20.7%，17.0%和6.5%的內(nèi)力；在承壓板截面處，各鋼構(gòu)件的傳力比例因承壓板傳遞至混凝土而顯著降低，并在鋼混結(jié)合段內(nèi)進(jìn)一步降低；不同鋼構(gòu)件在縱橋向的傳力變化也各不相同，表現(xiàn)出明顯的傳力不均勻性。

圖4 安九鐵路鳊魚洲大橋結(jié)合段鋼構(gòu)件傳力情況

由鋼混結(jié)合段的傳力特性分析可知，承壓板與剪力連接件是結(jié)合段內(nèi)力傳遞的主要構(gòu)件，探究結(jié)合段內(nèi)力傳遞過程中不同構(gòu)件分擔(dān)的內(nèi)力比可為結(jié)合段優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，有學(xué)者基于剛性承壓板假設(shè)及考慮承壓板變形分別推出了結(jié)合段內(nèi)鋼、混凝土所分擔(dān)的彎矩和軸力［21］。但結(jié)合段實(shí)際傳力是其在外荷載作用下鋼構(gòu)件、混凝土及剪力連接件三者剛度與變形的協(xié)調(diào)過程，共同決定著結(jié)合段整體的傳力特性，據(jù)此，可通過精細(xì)化的仿真分析及模型試驗(yàn)進(jìn)一步探索結(jié)合段實(shí)際傳力情況，為結(jié)合段構(gòu)造優(yōu)化提供依據(jù)。

3.4 鋼混結(jié)合段疲勞性能

鐵路大跨度鋼混結(jié)合段在外荷載反復(fù)作用下，其疲勞問題同樣值得關(guān)注，包括鋼混結(jié)合段內(nèi)鋼構(gòu)件、剪力連接件、混凝土構(gòu)件以及鋼混連接界面的疲勞。鋼混結(jié)合段內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)焊縫眾多，焊接殘余應(yīng)力和初始缺陷廣泛存在，與此同時(shí)，鋼構(gòu)件通常布設(shè)剪力釘或開孔為PBL板，局部應(yīng)力集中情況顯著，容易萌生疲勞裂縫。鋼混界面的疲勞脫離嚴(yán)重降低鋼混結(jié)合段的整體受力性能，混凝土構(gòu)件的疲勞問題雖不顯著，但容易出現(xiàn)開裂，影響耐久性。鐵路橋梁列車荷載所占比重大、集度高，疲勞問題較公路橋梁更為突出，且鐵路行車的車橋耦合振動(dòng)效應(yīng)明顯［45］，會(huì)對(duì)鋼混結(jié)合段處加勁肋及預(yù)應(yīng)力錨固位置的疲勞破壞產(chǎn)生影響。此外，橋梁跨度的增大使得主梁活載彎矩不斷增大（主跨256 m 的深茂鐵路潭江特大橋、468 m 的寧波鐵路樞紐甬江特大橋和672 m 的安九鐵路鳊魚洲長(zhǎng)江大橋的列車活載彎矩分別為58 572，79 101和144 128 kN·m［6，19，46］，而3 座橋的梁高接近），加劇了大跨度鐵路鋼混結(jié)合段的疲勞受力。

目前，鋼混結(jié)合段內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞可借鑒常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析［47］：①基于S-N曲線進(jìn)行評(píng)估；②基于金屬斷裂力學(xué)的疲勞開裂評(píng)估；③基于模型試驗(yàn)及仿真分析的疲勞評(píng)估。工程中?；赟-N曲線結(jié)合Miner 線性累積損傷準(zhǔn)則分析結(jié)構(gòu)的疲勞損傷度，并進(jìn)一步評(píng)估其疲勞壽命。周陽(yáng)［4］、Shi［5］等基于寧波鐵路樞紐甬江特大橋鋼混結(jié)合段足尺模型疲勞試驗(yàn)研究表明，在等效的200 萬次疲勞加載后，模型整體應(yīng)力水平較低且隨疲勞變化不大，反映其疲勞受力性能良好，并根據(jù)Miner 準(zhǔn)則推算其最小疲勞壽命約167.5 a；在進(jìn)行追加100 萬次疲勞加載后，發(fā)現(xiàn)鋼頂板及承壓板處剪力釘根部應(yīng)力水平較高，焊縫處疲勞裂縫開始發(fā)展，表明結(jié)合段鋼頂板及承壓板附近是疲勞敏感區(qū)。

由于國(guó)內(nèi)鋼混結(jié)合段在鐵路橋梁的應(yīng)用年限僅10 余年，工程實(shí)際疲勞問題尚未經(jīng)過驗(yàn)證，但隨著橋梁跨度不斷增大，鐵路橋梁活載彎矩大、動(dòng)力效應(yīng)明顯等特點(diǎn)加劇了鋼混結(jié)合段疲勞問題的發(fā)展。目前，對(duì)鐵路鋼混結(jié)合段疲勞性能的研究甚少，鋼混結(jié)合段內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能及其受周圍混凝土的影響規(guī)律尚未探明，鋼混界面的疲勞脫離失效及剪力連接件的疲勞尚未深入研究，混凝土構(gòu)件疲勞開裂、擴(kuò)展及破損規(guī)律同樣有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

混合梁鋼混結(jié)合段隨著鐵路大跨度斜拉橋的發(fā)展而發(fā)展，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力特性、傳力機(jī)理及疲勞特性的研究同樣不斷發(fā)展。

隨著橋梁跨徑的不斷增大，鋼混結(jié)合段較多采用剪壓式構(gòu)造。鐵路橋梁鋼混結(jié)合段因傳力大而相對(duì)較長(zhǎng)且構(gòu)造復(fù)雜，但其發(fā)展的趨勢(shì)是長(zhǎng)度縮短、構(gòu)造簡(jiǎn)化、整體構(gòu)造進(jìn)一步優(yōu)化，其位置布置更為靈活。從結(jié)合段構(gòu)造參數(shù)看，結(jié)合段長(zhǎng)度在1.5～3.0 m 之間對(duì)主梁受力及傳力規(guī)律影響并不顯著，均滿足結(jié)合段傳力勻順要求。承壓板厚度宜介于40～70 mm，在承壓板的混凝土側(cè)增設(shè)加勁肋（同為PBL 板）提高剛度進(jìn)而提升傳力性能是其發(fā)展趨勢(shì)。剪力釘間距宜在150 mm 左右，剪力釘與PBL 剪力鍵結(jié)合使用以及選用梯形等新型PBL 剪力鍵是發(fā)展趨勢(shì)。

基于模型試驗(yàn)及仿真分析是目前鋼混結(jié)合段受力研究與評(píng)估的主要方法?；诮Y(jié)合段受力規(guī)律、鋼混構(gòu)件間傳力分配特性，研究考慮傳力不均勻性的鋼混結(jié)合段整體承載能力計(jì)算理論與簡(jiǎn)化計(jì)算式是結(jié)構(gòu)研究的重要發(fā)展方向之一，其成果可為結(jié)合段的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算提供有效參考。剪力釘群受力的不均勻性及其在縱橫向分布規(guī)律、剪力釘與PBL 剪力鍵結(jié)合使用下的抗剪理論及計(jì)算分析方法、結(jié)合段中鋼混各構(gòu)件的傳力比等鋼混結(jié)合段抗剪傳力理論，以及鐵路大跨度橋梁鋼混結(jié)合段中鋼結(jié)構(gòu)、鋼混界面、剪力連接件及混凝土的疲勞破壞機(jī)理、疲勞細(xì)節(jié)特征、鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)疲勞性能的影響規(guī)律等是今后研究的重點(diǎn)。