鋼－預應力混凝土混合連續箱梁橋鋼箱長度參數研究＊

丁 威 何雄君

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

0 引 言

鋼－預應力混凝土混合連續箱梁橋是借鑒鋼－混凝土疊合梁橋技術發展起來的，使之成為更加適宜平原區通航河道推廣應用的新型橋梁結構.它將承受正彎矩部分采用鋼結構，而承受負彎矩部分采用預應力混凝土結構，充分發揮2種材料不同的物理力學性能特點，最大限度地追求高性能、低造價［1］，形成強度高、剛度大、動力性能好的結構形式，可以減少自重，降低造價，節約模板并減少支模工序從而縮短施工周期.不僅可以很好地滿足結構的功能要求，而且還具有良好的技術經濟效益，在橋梁結構領域顯現出廣闊的應用前景［2］.

關于鋼箱長度的選擇，確定鋼箱與混凝土箱梁相結合的位置是設計的一個關鍵環節.鋼和混凝土這兩種材料相互結合，易引起界面滑移、豎向掀起［3］，故在結構設計中要求能比較流暢地傳遞各種荷載產生的內力及變形.另外結合部位置應具有良好的抗疲勞性和耐久性，在外形上也要求鋼箱梁和混凝土箱梁的過渡比較柔和一致.本文以浙江318國道長橋大橋——三跨預應力混凝土混合連續箱梁橋為例，采用MIDAS／Civil軟件建立了不同的鋼箱長度參數的模型，計算分析了恒載與活載下的關鍵截面隨鋼箱長度參數變化的力學特征，研究了反彎點位置隨鋼箱長度參數變化的規律，得到一些合理選擇鋼箱長度參數，實現結構優化的一些結論.

1 結構構造

主橋上部結構采用45m＋80m＋45m 變截面鋼混合連續箱梁（見圖1），主跨為65m 預應力混凝土變截面箱梁＋40m 鋼梁＋65m 預應力混凝土變截面箱梁.其中：跨中40 m 鋼梁（橫斷面圖見圖2），梁高均為1.5m，縱向分5片工廠化制作，邊箱寬度為2.75m，次邊箱寬度為2.174m，中箱寬度為2.202m，現場吊裝焊接；預應力混凝土變截面箱梁高度按二次拋物線變化，主墩支點處梁高4.5m，邊墩支點處梁高1.7m，中跨與鋼箱梁相接處梁高1.5m，采用單箱雙室斷面，頂寬12.25m，底寬8.75m，懸臂長1.75m.設計荷載等級為：公路I級，抗震設防烈度為IV 度.

圖1 318國道長橋大橋主橋立面圖（尺寸單位：cm）

圖2 318國道長橋大橋鋼箱梁橫斷面圖（單位：mm）

G318國道長橋大橋鋼混結合段采用設置鋼接頭實現干接法連接，其具體結構見圖3、圖4.

圖3 G318國道長橋大橋鋼混連接構造圖

圖4 鋼接頭構造圖

通過制作鋼接頭，并將鋼接頭預埋至混凝土箱梁中跨懸臂端，實現混凝土箱梁與鋼箱梁之間焊接連接.

2 理論分析

假設上部結構為等截面梁，將其中跨分成3等份，每份長26.67 m.假定只考慮自重效應，跨中部分的自重集度為P1，其余部分的集度為P2［4］，見圖5.

可以計算出跨中支點處負彎矩為186.8P1＋270.1P2，跨中截面正彎矩為257.7P1＋85.4P2，而鋼箱梁的重量大約相當于等效混凝土梁重量的30%，支點負彎矩和跨中正彎矩將會減小大約1／3，對大跨徑的混凝土橋梁來說，降低1／3的負彎矩（中間2支座處）是非常有利的.

基于上述理由，跨中鋼梁越長，中間兩支座處負彎矩絕對值越小，增大了中跨的跨越能力，但是鋼箱梁的造價遠高于混凝土梁，如果再考慮造價因素，從理論上可以估算出鋼箱梁節段的合理長度.

圖5 跨中鋼箱的合理長度（單位：m）

3 數值分析

3.1 計算模型

結合現行的橋梁設計規范［5－6］，以桿系理論為基礎，采用通用有限元軟件MIDAS／Civil對其進行設計計算.本文只針對橋梁上部結構進行計算與分析研究，故只對上部結構建模，不考慮下部結構.每個模型由172個節點，93個單元組成.主梁采用C50混凝土，預應力采用1860 MPa鋼絞線.模型計算時荷載包括梁的自重、預應力、二期恒載、活荷載等.結構計算模型見圖6.

圖6 結構計算模型

3.2 鋼箱長度參數選擇

由于鋼混連接處是結構的薄弱部位，因此它應位于中跨彎矩反彎點附近（彎矩較小），即鋼箱端部應離中跨彎矩反彎點不遠.另一方面，根據上面的理論分析，鋼箱梁長度的確定，應使中間兩支座處負彎矩及中跨跨中正彎矩絕對值較小，滿足所要求的中跨跨越能力.這是鋼－預應力混凝土混合連續箱梁橋鋼箱長度參數的確定原則.

通過對原始模型的鋼箱長度參數做一些改變，考慮鋼箱長度取為主跨（80 m）的0.4～0.6之間變化，按32，36，37，38，39，40，41，42，43，44，48m 這一系列不同的鋼箱長度參數進行變化，其他參數均相同.由此分別建立了11個類似于如圖5所示的計算模型來探討3 跨鋼－預應力混凝土混合連續箱梁橋中跨鋼箱長度參數規律.

3.3 恒載、活載彎矩隨鋼箱長度參數變化規律

這里恒載包括自重、二期荷載、混凝土收縮徐變作用、次內力效應作用.活荷載主要針對的是車輛荷載作用，不考慮其偏心作用.恒載作用下結構的彎矩形狀見圖7.研究的重點放在鋼箱上，僅列出鋼箱梁跨中截面彎矩隨鋼箱長度參數變化如表1所列［7］.

圖7 主橋結構的彎矩圖

表1 鋼箱梁跨中截面彎矩隨鋼箱長度參數變化

3.4 恒載與組合荷載作用下反彎點位置隨鋼箱長度參數變化規律

中跨結構存在2個對稱彎矩零點（即反彎點，見圖7）.恒載和組合荷載作用下反彎點之間的距離（反彎點間距）隨鋼箱長度參數變化見表2.反彎點間距也表示鋼箱梁兩反彎點之間的受正彎矩區域范圍的長度.

進一步，恒載和組合荷載作用下反彎點與鋼箱梁端部的距離（反彎點端距）隨鋼箱長度參數變化見表3.反彎點端距也表示鋼混連接位置的合理性.

表2 鋼箱長度參數變化下2種荷載的反彎點距離 m

表3 鋼箱長度參數變化下2種荷載的反彎點端距 m

根據表1、表2和表3，綜合分析可知：

1）從表1來看，鋼箱梁跨中截面恒載彎矩隨鋼箱長度的增大而減小，鋼箱跨中截面活載彎矩隨鋼箱長度的增大而增大，但前者幅度比后者大.即總的來講，鋼箱跨中截面彎矩隨鋼箱長度的增大而減小.這也反證了理論分析的正確性.

2）表2說明了恒載和組合荷載作用下反彎點間距隨鋼箱長度參數變化.表3則說明，在鋼箱長度為32 m 時，反彎點與鋼箱梁端部的距離最小，即鋼混連接位置總彎矩最小，便于鋼混連接分析與設計.但此時鋼箱梁跨中截面正彎矩與2支點截面的負彎矩絕對值卻最大，也就是說中跨跨越能力相對最小.318國道長橋大橋鋼箱梁選用40m，是同時綜合考慮反彎點位置與中跨跨越能力所確定的.

4 結束語

鋼箱梁長度是鋼－預應力混凝土混合連續箱梁橋設計的一個重要參數.通過對鋼－預應力混凝土混合連續箱梁橋的鋼箱長度參數的研究，分析其力學特征.在主跨80m 的0.4～0.6倍范圍內變化，結合恒載、活載作用計算，分析了關鍵截面處力學特征與反彎點位置.

鋼箱長度的確定規則為：（1）鋼箱端部應離中跨彎矩反彎點不遠，使鋼混連接處彎矩較小；（2）應使中間兩支座處負彎矩及中跨跨中正彎矩絕對值較小，滿足所要求的中跨跨越能力.本文318國道長橋大橋鋼箱梁選用40m，是同時綜合考慮反彎點位置與中跨跨越能力所確定的應用實例.

［1］劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］聶建國，劉 明，葉列平.鋼－混凝土組合結構［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［3］Ayoub A.A force－based model for composite steelconcrete beams with partial interaction［J］.Journal of Constructional Steel Research，2005，61（3）：387－414.

［4］唐建華，向中富，馮 強，等.特大跨連續剛構橋研究與實踐：重慶長江大橋復線橋［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］中華人民共和國交通部.JTG D60－2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］吳中鑫，楊 平.鋼－預應力混凝土組合梁抗扭極限分析［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2010，34（2）：362－365.