斜拉橋中鋼混結合段的結構性能與設計方法

李洪

（中交公路規劃設計院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

斜拉橋中鋼混結合段的結構性能與設計方法

李洪

（中交公路規劃設計院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

總結了鋼混結合段在斜拉橋中的應用特點，從而提出依據鋼混結合段受力形式，明確其傳力機理和過程，給出針對性構造對策的設計思路。最后，建立了鋼混結合段的一般設計過程和方法，可應對任意復雜受力形式的鋼混結合段設計。

斜拉橋；鋼混結合段；結構性能；設計方法；傳力機理

1 概述

隨著現代土木工程向可持續化和經濟化的方向發展，合理利用建筑材料力學性能，充分發揮各自的優勢，降低工程的建設成本成為結構工程建設的關鍵。混合結構（空間上利用不同建筑材料）以其整體受力的經濟性，在保證不同材料良好連接的基礎上充分發揮了各自的結構性能，在橋梁工程領域的應用也愈加廣泛[1]。

混合橋梁結構是伴隨著鋼構件在混凝土結構體系橋梁的應用而產生的，從結構體系層面上講，鋼構件應用于混凝土結構體系中可以優化結構的受力分配，改善混凝土結構因自重、開裂等原因而呈現的弊端，避免鋼結構因受壓呈現的屈曲與穩定問題；從結構實用及經濟層面講，在滿足結構性能要求的前提下能獲取最優的資源配置，同時使得橋梁結構多變美觀。為此，混合結構體系在橋梁工程應用領域在不斷擴大，最初應用于梁橋和斜拉橋的主梁中優化中邊跨的配置[2-3]，而后嘗試應用于結構總體層面——主梁、索塔、樁基、橋墩等，也應用于局部構件層面——索鞍、索塔索梁錨固區、錨錠等。

斜拉橋是混合結構應用最為普遍的，而作為連接鋼和混凝土的鋼混結合段，則是一直關注的重點和難點。雖然目前國內外諸多學者研究鋼混結合段的傳力機理，但都是基于已有的構造設計進行驗證性研究，尚未明白外界受力形式下，如何更好地開展鋼混結合段的連接設計，保障結合段的受力安全，這使得目前針對結合段的設計主要沿用已有構造，這對于復雜受力情形下的結合段設計則力不從心。

本文細致分析現有斜拉橋鋼混結合段的應用特點與工程實踐，從而總結鋼混結合段的傳力機理并給出設計對策，最后提出開展鋼混結合段設計的主要方法和過程，為斜拉橋中鋼混結合段的設計提供參考。

2 鋼混結合段在斜拉橋中的應用分析

鋼混結合段主要在斜拉橋的主梁和索塔中應用，且可以極大地優化斜拉橋的整體受力。在主梁構造形式中，如若在橋梁的主跨范圍內使用鋼主梁而邊跨及橋塔附近采用混凝土主梁，則可以避免索塔處主梁的極大軸力引起的鋼構件局部失穩問題，也避免了邊跨背錨索區域鋼主梁的疲勞問題；另外也可以在滿足邊中跨的受力平衡條件下，減少結構體系的邊中跨比例，以此減少引橋的長度從而降低結構的總體造價。在索塔構造形式中，如若在索塔的上部錨固區采用鋼結構，而下半部采用混凝土結構，則一方面可以避免索塔錨固區因復雜受力引起的結構開裂，另一方面可以豐富索塔上部結構的造型，形成美觀的設計效果。

斜拉橋主梁鋼混結合形式應用非常廣泛，西德在1972年建造的Kurt-SchumacheBridge（287.04m+ 146.41 m）是第一座獨塔混合斜拉橋，也是混合結構形式在斜拉橋上的第一次應用。而后在該橋的經驗基礎上，西德于1979年建成主跨368 m的Flehe Bridge，該橋是當時最寬的橋梁。現如今無論是大跨徑斜拉橋還是中小跨徑斜拉橋，混合主梁的結構形式都得到了廣泛的應用，法國的諾曼底大橋和日本的多多羅大橋以及我國的昂船洲大橋（主跨1 018 m）都是采用混合主梁的形式[4]。

在橋塔中采用混合結構形式得益于鋼混結構的廣泛實踐，異性橋塔設計中鋼混混合形式采用較多，如渦河三橋采用的水滴形橋塔就是鋼混混合結構，環巢湖旅游大道兆河大橋的斜置式拱形塔也是鋼混混合結構。橋塔中混合結構使用典型的是南京長江三橋[5]，該橋橋塔橋面以上179.8 m的部分為鋼材料，橋面以下35.2 m為混凝土材料，鋼混結合位置設置在索塔與下橫梁連接位置。圖1是鋼混結構形式在斜拉橋中的應用。

圖1 鋼混結構形式在斜拉橋中的應用

3 鋼混結合段傳力機理與設計對策

實際上，根據鋼混結構在不同結構體系的應用形式，其受力的基本形態可以分為如下幾種類型：受壓為主、受拉為主、受剪為主、壓彎結合、彎剪結合等。不同連接形式的特點與設計原則見表1。

斜拉橋主梁鋼混結合段以受壓彎為主，而索塔結合段則以受壓為主。因此，在掌握這兩種受力形式下的傳力機理，就可以針對此種受力形式進行相關構造處理，形成針對性的設計方案，如此其傳力路徑可以依照設想的方向進行。

鋼混結合段的基本原理是保證鋼與混凝土的連接緊密，并使得整體剛度過渡平緩，不產生較大的應力集中問題。本質上各種截面受力方式均可以轉化為鋼與混凝土連接的拉力和壓力，但是在同一界面上不同部位的受力形式，其傳力特點有所不同，設計的構造方式也可以有差異。

鋼混結合段壓彎受力方式下，需要有鋼過渡段，其傳力目的比較明確：保持截面剛度合理過渡、保證壓力的傳遞、避免鋼板件局部失穩，為此在鋼截面基礎上需在一定區域設置承壓加勁肋，并適當增加相關板件厚度。鋼混結合段構造形式差異性很大，有采用鋼格式+焊釘+預應力形式、PBL傳剪板+縱向預應力形式、縱向預應力粗鋼筋+焊釘等形式。設計思想如圖2所示。彎矩可以轉化為上下部分的軸力，因此上下部分的連接構造以傳遞軸力為主，可以采用鋼板插入混凝土形式，或者頂底板上焊接連接件與混凝土連接形式；剪力可以通過結合面豎向構造處理，如采用橫隔板上焊接剪力釘方式，設計中盡量使兩者傳力分工明確，傳力結果都轉移到結合段混凝土。

圖2 壓彎受力形式下的鋼混結合段構造——海河大橋為例

鋼混結合段受壓形式下，需要設置鋼過渡段，其傳力目的是：保證截面剛度的合理過渡，保證壓力傳遞并避免鋼板件局部失穩，構造設計同壓彎及彎剪受力方式。鋼混結合部位板件傳遞軸力為主，通過鋼板插入混凝土中，并在鋼板上焊接PBL或者焊釘，施加橫向預應力，保證傳力的流暢性，如圖3所示。

圖3 受壓形式下的鋼混結合段構造——南京三橋為例

當形成具體的設計對策后，就可以針對具體的結合段連接構造，以其傳力方式明確各桿件的連接方式，形成實際的約束方式，開展預設計。設計成果采用有限元分析方法，通過鋼混滑移非線性分析模式，獲取結合段在不同荷載條件下的受力行為以及鋼混滑移曲線，獲得連接部位的極限承載力，并進行優化改善。如此，可以提高設計效率，同時減少不必要的模型試驗，提供設計的良性循環。此種設計思路，對于任意復雜受力形式的鋼混結合段，都可以給出正確的設計解答。

4 鋼混結合段設計方法建立

綜合上述概念，即可針對不同受力方式的鋼混結合段，可以形成針對性的設計方法和對策。

首先，進行鋼混結合段位置的選取。需要綜合考慮三個因素：

（1）結合段以總體受力優化為選擇根本，在滿足結構體系總體受力前提下選擇。

（2）結合段選擇在受力較小同時力線過渡平緩區。

（3）結合段選擇在便于施工區域，便于鋼梁過渡段和混凝土的架設以及鋼混連接施工。

其次，確定鋼混結合段受力形式。進行鋼混過渡截面受力類型的辨別，進而分析每一部分的受力特點，在這種受力特點下，鋼混結合段必須滿足相關構造措施。

再則，針對整體截面的受力方式，選擇不同區域分擔不同受力行為，使力的傳遞盡量明顯；針對指定受力狀態設計主要構造方式，并參考相關實踐取定結構參數。

接著，針對設計構造，建立局部空間實體有限元模型，確定實體模型的受力邊界條件、位移條件、板件之間的連接方式等；選取受力組合，分析結構體系在各種狀態下的應力分布狀況、力流的傳遞、混凝土拉應力與壓應力、鋼構件的應力水平與失穩狀態、鋼混結合段鋼與混凝土的滑移狀況等。當受力無法通過時修改設計構造對策，當受力滿足要求時，根據實際狀況確定是否需要進行模型試驗，當進行模型試驗時，應根據具體的模型試驗結果，對有限元模型進行修正，通過數值模擬與試驗結果的對比，評價鋼混結合段的受力傳力行為。

最后，根據對相關參數的調整，對設計構造進行優化改善，提高結構的可施工性。

上述設計方法和過程可以總結為圖4。所提出的針對具體受力形式形成針對性設計對策的方法，將不同受力行為的鋼混結合段細化成截面層次受力狀況，通過力學分析使用針對性的構造連接方式，讓結構的受力按照工程師預想的模式進行，使得各部分的受力傳力行為明確。如此在結構的有限元分析中，鋼混連接處理更具有針對性，模型分析的結果也更能反映實際受力狀況，減少不必要的模型試驗。同時有限元參數化分析的結果又可以改善構造，如此豐富鋼混結合段的傳力機理與設計對策。

圖4 鋼混結合段設計方法與過程

5 結語

混合結構在橋梁中的應用愈加廣泛，論文總結了斜拉橋中鋼混結合段的主要應用及特點，斜拉橋中主要的鋼混結合段設計于主梁和索塔中，其受力形式分別以壓彎和受壓為主，因此系統分析了壓彎和受壓形式下的鋼混結合段傳力機理問題，以及傳力機理下的設計對策和解決方法。并給出了斜拉橋中鋼混結合段的設計過程和方法，可以應對任意復雜受力形式下的鋼混結合段的設計。

[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]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.

[3]劉高,唐亮,譚皓，等.混合梁斜拉橋鋼混結合部的合理位置[J].公路交通科技，2010，27(6):52-57.

[4]黃玲.混合梁斜拉橋鋼-混結合段受力行為與傳力機理研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[5]崔冰,孟凡超,趙燦輝,等.南京長江第三大橋主塔鋼-混結合段設計研究[M].北京：人民交通出版社,2005.

U442

B

1009-7716（2017）04-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.024

2017-01-06

李洪（1985-），男，四川成都人，橋梁工程師，從事橋梁設計工作。