混合梁結合部受力研究

李國峰，李 丹，張 京

（北京市市政工程設計研究總院，北京市 100082）

1 概述

混合梁通過對鋼材和混凝土兩種材料合理利用,使得混合梁的受力性能、跨越能力、經濟性能等方面得到很大改善。鋼梁與混凝土梁之間通過過渡段進行內力傳遞，所傳遞的內力主要有軸力、彎矩、剪力，扭矩等，其中扭矩的傳遞以結構外邊緣線的剪力方式傳遞。由于鋼梁與混凝土梁剛度相差大,結合部成為混合梁的薄弱環節,結合部成為混合梁設計的關鍵技術之一。鋼與混凝土混合梁之間的連接方法主要有：連接件（剪力鍵）連接、預應力連接或同時采用這兩種方法。

連接方法可分為以下幾種類型：

（1）混合梁過渡段根據是否全截面結合可分為有格室和無格室過渡段。

（2）有格室和無格室過渡段又可根據承壓板的位置可分為前承壓板、后承壓板和前后承壓板，具體形式見圖1、圖2。

圖1 有格室組合段

圖2 無格室組合段

2 實橋計算分析

馬西路南沿跨南五環混合梁橋設計，馬家堡西路南延上跨五環路，由于下部被交路限制，工程采用混合梁結構形式，見圖3。

主要結構布跨及平面布置形式見圖4、圖5。

2.1 結構整體計算

2.1.1 鋼梁長度比的選擇

由于本工程橋梁布置時受到南五環、燃氣管線及規劃道路的控制，邊中跨分別38 m和49 m，邊中跨比為0.775。對于鋼梁伸入邊跨的混合梁，鋼梁長度比一般約為1.3，初步確定鋼梁長度為65 m，梁高取為1.8 m。橫斷面布置見圖6。

圖3 工程位置示意圖

圖4 馬西路跨南五環混合梁橋立面圖

圖5 馬西路跨南五環混合梁橋平面圖

圖6 馬西路跨南五環混合梁橋平斷面圖

2.1.2 橋梁整體計算

結構計算采用MIDAS CIVIL 2010梁單元計算。計算考慮荷載主要有：自重、汽車荷載，整體溫升，整體溫降、截面梯度溫度（升、降），支座不均勻沉降。根據施工順序（現澆混凝土梁，吊裝為邊段鋼梁并連接，最后吊裝中段鋼梁）進行整橋的計算。結構布束及應力狀態見圖7～圖9。

圖7 預應束布置圖

圖8 預應混凝土短期效應下應力包絡圖

圖9 彈性組合下主梁應力包絡圖

梁體處于全受壓狀態，短期效應組合下最大壓應力為11 MPa。

在彈性組合下（1+1組合）鋼梁的支點最大應力為103 MPa，跨中最大應力89 MPa。均在規范要求范圍內，且兩者相差不大，較好地利用了材料。

2.2 過渡段及剪力鍵計算分析

2.2.1 過渡段分析

由于結構由混凝土梁過度到鋼結構斷面時，結構的截面剛度變化劇烈，為了避免應力分布不均及引起的結構疲勞破壞。須設置剛度過渡段。通過加強板的形式進行剛度過渡以及將鋼梁內力較為均勻地傳遞到承壓板。模型及計算結構見圖10、圖11。

圖10 組合段有限元模型

圖11 鋼板有效應力圖

計算表明鋼板受力較為均勻，剛度過渡段設置合理，最大應力約為130 MPa，符合規范要求。

2.2.2 剪力鍵受力分析、研究

鋼與混凝土混合梁之間的連接鍵主要有兩種：圓柱頭焊釘和開孔鋼板。本工程采用圓柱頭焊釘的連接結構形式，見圖12、圖13。

圖12 開孔鋼板與焊柱組合

圖13 組合段段平立面（單位：mm）

《公路鋼結構橋梁設計規范》（征求意見稿）對組合梁的鋼與混凝土面處的焊釘抗剪承載力給出了相應規定：

式中：Vu－圓柱頭焊釘連接件在極限狀態下的承載力設計值；Ec－混凝土的彈性模量；As－圓柱頭焊釘桿徑截面面積；fcd－混凝土抗壓強度設計值；fsd－圓柱頭焊釘抗拉強度設計值；γ－焊釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。

焊釘的布置可以根據剪力及以偏載下扭轉應力進行布置，也可以均勻布置。在本工程中，為研究焊釘的分布狀態，在過渡段的三維模型中以彈簧模擬焊釘，各焊釘的內力分布見圖14。

圖14 剪力作用下焊釘內力分配圖

系列1～9分別為高度方向各排，橫坐標為橫橋向焊釘位置，豎坐標為剪力值。從圖可以看出兩外側腹板處剪力分擔最大，且各高度處分配均勻；其次是中間腹板，但最大值約為最外側腹板的一半。在高度上，頂底兩排剪力較大，越靠近頂緣或底緣越大，越靠近中性軸處，剪力越小；腹板間的剪力均很小。

剪力鍵除承擔主梁剪切作用所分擔的剪力外，還需要承擔偏載作用下扭矩分配的剪力。在設計扭矩作用下焊釘的豎向剪力分配見圖15。

圖15 扭矩作用下焊釘豎向剪力分配圖

在扭矩作用，外側腹板承載較大的豎向剪力，頂底板承擔較大的水平剪力其余焊釘分配剪力均很小。

3 結論

馬西路南延高架橋跨越南五環，設計采用了混合梁，很好地解決跨越五環路的交通導行問題。通過結構的設計和分析過程總結出以下幾點內容，可供今后工程進行參考：

（1）本工程采用混合梁較好地解決了跨現況道路的問題。

（2）在邊中跨不太合理且無法改變的情況下，選擇了合理的鋼梁長度比，主梁內力分布合理，較好地利用了材料，安全度比較統一。

（3）根據橋梁的實際情況，選擇了便于施工的組合段，須設置合理的過渡段，使結構應力得以均勻分布。

（4）通過計算發現，外側腹板在剪切作用下，分擔的剪力很大，而且在扭矩作用下分但的剪力也較大，需要進行疊加。中腹板處在剪切作用下，分擔的剪力較大，越靠近頂底板越大，在頂底板處，扭矩的產生較大的水平剪力，設計時應進行雙方向剪力組合。

[1]聶建國.鋼-混凝土組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]徐利平.混合梁斜拉橋的邊中跨合理比例[J].上海公路,2002(4):28-30.

[3]劉玉擎.混合梁接合部設計技術的發展[J].世界橋梁,2005(4):9-12.

[4]公路鋼結構橋梁設計規范（征求意見稿）[S].北京:人民交通出版社.

[5]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

[6]劉玉擎,曾明根,陳艾榮.連接件在橋梁結構中的應用與研究[J].哈爾濱工業大學學報,2003(Z1):272-275.

[7]宗周紅,車惠民.剪力連接件靜載和疲勞試驗研究[J].福州大學學報(自然科學版),1999(6):61.

[8]薛偉辰.開孔板連接件受剪性能試驗研究[J].建筑結構學報,2009(5):103-111.

[9]Isabel Valente,Paulo J.S.Cruz.Experimental analysis of Per-fobond shear connection between steel and lightweight concrete[J].Journal of Constructional Steel Research,2004.