大跨混合梁連續剛構橋設計要點研究

甄玉杰，王鵬洲

(中建三局集團有限公司西北公司，西安 710065)

預應力混凝土梁式橋隨著跨徑的增大，梁高需相應增加，且箱梁底板、腹板也變得更厚[1-2]，這不僅增加了箱梁自重，還增加了施工工期。鋼-混凝土混合梁連續剛構橋很好地解決了這一問題，跨中采用鋼箱梁不僅降低了支點梁高，還減輕了結構自重，降低了主梁下撓風險[3]，且會大大縮短施工周期。目前國內已建成的混合梁連續剛構橋有重慶石板坡長江大橋復線橋(主跨330 m，中跨鋼箱梁長108 m)、中山小欖水道特大橋(主跨220 m，中跨鋼箱梁長87 m)、溫州甌越大橋(主跨200 m，中跨鋼箱梁長84 m)等[4-5]。

某主跨300 m混合梁連續剛構橋，跨徑布置為(135+300+135)m，中跨鋼箱梁長108 m，橋梁總體布置如圖1所示。本橋跨徑及規模均遠超中山小欖水道特大橋和溫州甌越大橋，技術更為復雜，與重慶石板坡長江大橋復線橋相比，本橋加強了體外預應力設計，進一步降低了主梁下撓風險。

1 混凝土主梁設計

本橋主梁采用標準箱型斷面[6-7]，單箱單室直腹板截面，箱梁頂板寬16.25 m，底板寬7.65 m，懸臂長4.2 m。根部梁高15 m，跨中梁高4.5 m，梁高按2次拋物線規律變化。箱內頂板最小厚度0.3 m，腹板Tw厚度為0.5 m～0.9 m。底板Tb厚度為0.5 m～1.376 m，按1.5次拋物線規律變化。混凝土主梁斷面如圖2所示。主梁采用縱、橫、豎三向預應力混凝土結構。縱向預應力包含頂板束、腹板下彎束、邊跨底板及頂板合龍束。與一般連續剛構橋相比，混合梁剛構橋未設置中跨底板及頂板合龍束。為保證鋼-混凝土結合段與混凝土梁段的良好結合，鋼-混結合段內需單獨設置頂板、腹板和底板鋼束。

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2 鋼箱梁設計

鋼箱梁單幅寬16.25 m，底板寬度7.65 m，跨中103 m 范圍梁高在鉛垂方向按2次拋物線變化，鋼箱梁梁高范圍4.535 m～5.869 m。鋼箱梁斷面如圖3所示。

頂板厚度在順橋向除在鋼-混凝土結合段附近剛度過渡段采用26 mm外，其余梁段均采用16 mm等厚度鋼板[8]。頂板采用U肋加勁，間距600 mm，厚度為8 mm。在剛度過渡段，頂板設置變高度T形加勁和等高度扁鋼加勁，以使其剛度從混凝土段進行過渡。

底板在順橋向不同區段采用了24 mm、20 mm板厚。底板加勁肋統一采用規格為200 mm×20 mm的板肋，橫向間距600 mm。腹板在順橋向不同區段采用了24 mm、20 mm、16 mm板厚，腹板內側保持平齊。腹板加勁肋規格為160 mm×16 mm，豎向間距600 mm。

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3 鋼-混結合段設計

3.1 鋼-混結合段總體設計

鋼-混結合段起到順暢可靠傳遞各種荷載產生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的作用。在軸力、彎矩和剪力的作用下，鋼-混凝土接頭處將產生軸向壓應力、拉應力和剪應力。壓應力由承壓板及 PBL剪力鍵共同傳遞，拉應力、剪應力主要由PBL剪力鍵傳遞[9]。

鋼-混結合段設計應考慮剛度和傳力的過渡，在荷載作用下有一定的承載能力安全儲備，剛度過渡良好，耐久性好，抗疲勞性能好。綜合考慮各項因素，本橋結合段采用有格室的后承壓板形式，實際長度5 m，如圖4所示。

結合段將鋼箱梁端部的頂、底板和腹板做成雙壁板，在雙壁板內部設 PBL 剪力板和 L 剪力釘，形成鋼格室。在鋼格室內填充混凝土，通過兩端分別錨固于鋼箱梁剛度過渡區和混凝土梁橫隔梁上的預應力短束使鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結合。

3.2 鋼混結合段鋼格室設計

鋼格室順橋向長度1.5 m，鋼-混結合段頂板鋼格室上板厚 26 mm，下板厚 25 mm；底板鋼格室上板厚25 mm，下板厚24 mm；鋼格室腹板開有直徑 80 mm 圓孔，并穿過橫向預應力鋼束，開有直徑 70 mm 圓孔并穿過Φ20 mm HRB400 鋼筋與進入該圓孔的混凝土包裹在一起形成 PBL 剪力鍵。腹板鋼格室外側板厚 28 mm，內側板厚 25 mm，在腹板內側焊接豎向寬度為 225 mm 的 PBL 剪力板，板上開有直徑 70 mm 圓孔并穿過Φ20 mm HRB400 鋼筋與進入該圓孔的混凝土包裹在一起形成 PBL 剪力鍵，如圖5所示。

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3.3 鋼-混結合段施工工藝

1) 在先行端鋼-混結合段接口校對調整對接位置，在滿足要求后，在頂、底、腹板上的加勁肋和縱隔板上采用高強螺栓進行連接；2) 在后行端鋼-混結合段接口，則作為合龍時的調節口，頂、底、腹板各預留500 mm作為嵌補段(鋼-混接頭250 mm、鋼箱梁250 mm)；3) 頂、底板上的肋板及縱隔板上在接縫處預留 40 mm左右縫隙，采用高強度螺栓連接；4)待鋼箱梁準確定位后，在合龍位置將高強螺栓擰緊，再進行兩端接口的頂、底、腹板及嵌補段焊接。

考慮到施工和制造中會出現幾何尺寸的精度誤差，以及混凝土梁收縮徐變和鋼箱梁隨溫度的伸縮給合龍帶來的困難，設計對兩端接口按照不同的連接方式選擇一端為先行端，另一端為后行端。先行端和后行端的選擇應考慮鋼箱梁的運輸路線及轉體起吊方便，需根據施工工藝專題研究確定。

4 體外預應力設計

主梁長期下撓一直困擾著大跨度混凝土連續剛構橋。混合梁剛構橋主跨跨中采用鋼梁替代混凝土梁之后，主跨自重顯著降低，長期下撓風險降低。另外，為改善主橋整體受力及結構剛度，為運營期間主梁線形調整儲備技術手段，在中跨主梁箱內設置體外預應力束[10-12]，并可重復張拉且可更換，這為混合梁剛構橋運營多年后橋梁線形調整提供了便利條件，是一種對混合梁剛構橋長期變形進行主動控制的方法。

為盡量減小大跨度連續剛構普遍存在的跨中下撓問題，減少溫度、混凝土的收縮徐變對主梁線形的影響，保證結構的耐久性和安全度[13]，本橋在中跨設置8對體外預應力體系，如圖6所示。考慮該橋在設計中已有較高的應力儲備，因此所有體外預應力裝置(包括體外預應力鋼絞線、錨固塊、轉向塊、限位裝置等)都作為橋梁跨中下撓的儲備措施，在施工完成后先張拉30%的體外預應力，當運營期間發現中跨出現跨中下撓或主跨開裂等病害后，可根據病害具體情況適當張拉體外束。

(a) 1/2主跨體外預應力鋼束縱向立面布置

(b) 1/2主跨體外預應力鋼束縱向平面布置

5 靜動力計算

5.1 計算模型

該橋為預應力混凝土-鋼箱梁混合梁連續剛構橋，整體采用Midas Civil建立空間桿系有限元模型，對結構進行靜力、動力分析，如圖7所示。邊界條件采用如下方法模擬：主墩基礎采用土彈簧剛度模擬，主梁與主墩采用剛性連接模擬，邊墩采用一般支承，釋放縱橋向約束。

為了解鋼-混結合段的局部受力性能，采用FEA進行局部板殼混合有限元分析，如圖8所示。為充分考慮圣維南原理的影響，在結合段兩側均延伸2個梁段進行建模分析。邊界條件施加如下：在計算模型中，將混凝土梁左端約束x、y、z方向的位移，鋼箱梁右端加載節點與鋼箱截面的節點剛性連接[14]。

圖7 結構有限元模型

5.2 有限元分析結果

正常使用極限狀態下，混凝土主梁未出現拉應力；主梁斜截面主壓應力為14.7 MPa，斜截面最大主拉應力為1.0 MPa；鋼箱梁最大組合應力為186.3 MPa。

在汽車活載作用下，結構產生的最大撓度為0.136 m<300/600=0.5 m；最大雙懸臂施工階段，結構一階穩定系數為58.5；E1和E2地震作用下，橋墩驗算結果表明結構均在彈性范圍。

綜上所述，在施工和運營各種荷載組合作用下，結構的強度、剛度、穩定性及抗震性能均滿足規范要求[15]。

鋼-混結合段有限元分析結果表明，鋼箱梁結合段的應力在176 MPa以內，受力滿足規范要求。混凝土梁結合段的橫橋向應力和順橋向應力除預應力錨固點處應力較大外，其他大部分位置應力均位于-17 MPa～2 MPa之間，如圖9所示。

圖9 鋼箱梁結合段的應力云圖

6 結論

1) 鋼-混凝土混合梁連續剛構橋，相比常規連續剛構橋，降低了支點梁高，減輕了結構自重，延長了結構跨度。

2) 靜動力數值計算結果表明，結構的強度、剛度、穩定性及抗震性能均滿足規范要求，該橋結構尺寸設計合理。

3) 鋼-混結合段有限元分析結果表明，鋼-混結合段采用有格室的后承壓板形式，剛度過渡良好，在荷載作用下有足夠的承載能力安全儲備。