河北大街立交鋼混斜拉橋結合段設計與研究

李 焱 張四國 陸華臻

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引言

混合梁斜拉橋的結構特點為:邊跨主梁既參與主體受力結構，又能起到平衡作用。增大邊跨主梁重量和剛度，減小主跨內力和變形，避免邊跨端支點出現負反力，從而增大了斜拉橋的跨越能力，使得橋跨結構布置和結構整體受力更趨合理。

本文闡述的河北大街立交主橋即為混合梁斜拉橋，采用獨斜塔半漂浮結構體系，跨徑布置為(145+48+42)m，橋寬36.8 m，橋塔高78 m，主塔向邊跨側傾斜15°。主梁采用分離式雙箱雙室斷面形式，標準梁高2.2 m，兩片箱梁通過橫梁和橋面板連接形成整體，梁體底面水平，頂面采用與橋面相同的1.5%橫坡，兩側設有風嘴。鋼與混凝土的結合段設置在主跨側距橋塔12.5 m處(見圖1)，鋼梁全長135 m。

1 設計原則

主梁鋼混結合段由于結合部位兩側材料性質的不同，主梁剛度、強度在此發生突變，故結合段的設計應能流暢的傳遞各種荷載產生的內力(軸力，剪力和彎矩)和變形，并具有良好的抗疲勞和耐久性。

1.1 選擇合理的連接位置

根據鋼混結合梁的結構特點，預應力混凝土梁與鋼梁的連接位置，宜選在彎矩及剪力較小的地方，這樣其結構處理就比較簡單。要選擇一個合理的連接位置，一般應從結構受力性能合理、施工工藝簡便和造價經濟三個方面考慮。

圖1 結合段立面布置圖（單位：mm）

1.2 連接部位的構造設計

預應力混凝土梁與鋼梁的連接構造，是一個非常重要的部位，這是由鋼混組合式斜拉橋本身特性所決定的。為了確保連接可靠，避免使其成為全橋主梁的薄弱點，設計時考慮下列因素并采取相對應的措施:

1)由于主塔附近的主梁承受著很大的軸向力，為避免連接部位斷面重心突變而引起的附加彎矩，要求設計連接部位的鋼梁重心和混凝土梁重心盡量吻合，并要求相對應的腹板和翼板的重心盡量重合，以防止鋼梁的腹板和翼板產生局部彎曲和失穩。

2)為保證鋼梁和混凝土梁的連接可靠，并有效平順地傳遞強大的軸向力，在鋼梁上(與混凝土梁重疊部分)焊上抗剪焊釘、PBL剪力鍵或其他抗剪器。

3)由風荷載產生的橫向彎矩及活載產生的縱向彎矩，在連接部位還會產生相當的拉應力，而這些拉應力又不可能完全由拉索的水平分力來抵消。因此還必須對連接部分施加一定的縱向預應力來提供補償。

2 構造處理及優化比選

根據上述設計原則，本橋鋼混凝土結合段位置選擇在中跨距主塔12.5 m處。結合段的鋼箱梁外套在預應力混凝土箱梁之上，鋼腹板插入混凝土箱梁腹板，全斷面與之結合使其成為一體，鋼箱梁的上下翼緣板通過抗剪焊釘與混凝土梁體牢固結合，并利用混凝土箱梁內的縱向預應力束加以錨固，形成彎矩的傳遞。通過端承壓板緊貼在混凝土橫梁的側面上，傳遞軸向力。梁中的剪力則通過承壓板及腹板斷面的焊釘得到傳遞。而兩種梁體在剛度上的突變，則由在鋼箱梁上下翼緣板的U形加勁肋上加焊Π形肋并逐漸變高而得到緩解(見圖2)。

圖2 頂底板U肋∏形加勁剛度過渡

隨著現代鋼材加工技術的不斷成熟，從結構可靠性和混凝土防裂及耐久性方面著眼，衍生出本橋設計方案。

結合段鋼梁頂、底、腹板均伸入混凝土梁段2.5 m長度，結合段范圍內在鋼箱梁內灌注混凝土，鋼箱梁在伸入混凝土梁段2.5 m范圍內采用φ22×170圓柱頭焊釘與混凝土結合，預應力混凝土主梁內鋼絞線錨固在承壓板上。根據計算需要在結合段配置當量的預應力鋼絞線(見圖1)，其余位置配置57根8 m長φ25精軋螺紋鋼筋，錨固在端承壓鋼板上。結合段鋼主梁頂板設置混凝土澆筑孔以利混凝土的澆筑及振搗。

鋼混結合段鋼箱梁斷面頂底板厚度均為28 mm，鋼箱梁頂板和底板縱向加勁肋采用U形加勁肋U300×260×6 mm，在鋼箱梁頂底板U形加勁肋上設置Π形加勁肋，鋼箱梁腹板縱向加勁肋采用球扁鋼160 mm×11 mm。鋼梁和混凝土梁連接采用鋼板式，鋼箱梁和混凝土箱梁結合面處設置承壓鋼板(鋼箱梁端橫隔板)厚60 mm。閉合隔倉長度2.5 m，板厚20 mm，隔倉內模板按斜率1∶8設置，在頂底板、端承板、閉合隔倉內均焊接剪力釘，間距15 cm布置(見圖3)。

圖3 結合段構造形式

本橋結合段設計方案端承板采用60 mm厚鋼板，有效保證了軸向力傳遞均勻及大直徑鋼絞線錨固要求;采用斜率1∶8的狹長閉合隔倉，使得軸力傳遞更為順暢;在端承板、鋼腹板及閉合隔倉內均設置剪力釘，提高了結合段的抗剪強度;強大的預應力鋼束與精軋螺紋鋼筋配合使用，有效地抵抗活載產生的彎矩，剪力釘與混凝土結合面增大，混凝土防裂能力得到提高，結構可靠性顯著增強(見圖4)。

圖4 結合段錨固斷面圖

3 有限元分析

3.1 計算模型

為了使計算結果精確可靠，對混凝土箱梁和鋼箱梁細部構造建立了精細的模型。在建立空間模型的同時，為避免邊界條件對所研究梁段的影響，建模時梁段長度大約取為1倍梁寬，鋼混結合段位于模型梁段的中間位置。同時考慮梁段的邊界條件特點和鋼梁的節段劃分，取模型梁段30 m，其中混凝土梁段12.5 m，結合段2.5 m，鋼梁段15 m。

單元采用對稱模型，鋼箱梁段采用高階板單元模擬，混凝土箱梁段采用高階塊體單元模擬，預應力鋼絞線和精軋螺紋鋼筋采用索單元模擬。鋼混結合段有限元模型如圖5所示。鋼梁端和混凝土梁端加平截面邊界約束，并用將索力分解后作用于斜拉索錨固區的形式來模擬斜拉索。

圖5 鋼混結合段混凝土梁順橋向正應力分布

3.2 模型結果分析

3.2.1 鋼混結合段混凝土梁

鋼混結合段混凝土梁順橋向正應力大小為－17.7 MPa～2.3 MPa，見圖5。最小正應力 －17.7 MPa發生在結合段預應力錨固區附近，屬于局部應力集中現象，而最大正應力2.3 MPa是因為將預應力錨固點屏蔽為零應力點導致的，可以不作考慮，故鋼混結合段混凝土梁順橋向正應力大小基本在－15.5 MPa～－6.6 MPa范圍內，結合段混凝土因截面較大，順橋向正應力較小。

3.2.2 鋼混結合段鋼梁

鋼混結合段鋼梁第一主應力大小為－4.0 MPa～60 MPa，見圖6。最大第一主應力60 MPa發生在結合段鋼承壓板預應力錨固點附近，屬于局部應力集中現象，可不作考慮。結合段鋼梁因為和混凝土共同作用，第一主應力水平較低為－4.0 MPa～3.1 MPa，結合段附近鋼梁第一主應力水平在－4.0 MPa～24.4 MPa之間。

圖6 鋼混結合段鋼梁第一主應力分布

3.2.3 全橋與局部應力對比

為了驗證局部分析的合理性，與全橋整體分析結果進行應力范圍對比，見表1。

表1 應力對比值

節段模型分析與全橋整體分析應力水平保持一致;節段模型分析中，混凝土梁的應力高于全橋整體分析得到的應力，但差值幅度不大，仍在規范允許范圍內。

4 結語

1)通過對鋼混結合段受力特性的深入分析，結合國內外已建同類型橋梁的工程經驗，采用了新型變剛度預應力組合承壓式結構，有效的解決了結構剛柔過渡、軸力和剪力傳遞方式、混凝土防裂及耐久性等問題，增強了鋼混結合段的安全、可靠性。2)同時對結合段進行的有限元仿真分析，對鋼混結合段的應力狀態、應力變化幅度和應力集中現象展開了分析研究，研究結果表明該結合段在各種工況下局部應力處于較低水平，結構形式合理。3)整體與局部應力水平基本保持一致，局部應力狀態略高于全橋整體應力，該結合段的結構設計具有較高的應力儲備。4)結合段處應力集中現象較為明顯，受力情況比較復雜，施工過程中應注意連接構造的工程質量，包括預應力張拉、混凝土澆筑密實度及剪力鍵焊接等問題。

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