河北大街立交钢混斜拉桥结合段设计与研究

李 焱 张四国 陆华臻

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

0 引言

混合梁斜拉桥的结构特点为:边跨主梁既参与主体受力结构，又能起到平衡作用。增大边跨主梁重量和刚度，减小主跨内力和变形，避免边跨端支点出现负反力，从而增大了斜拉桥的跨越能力，使得桥跨结构布置和结构整体受力更趋合理。

本文阐述的河北大街立交主桥即为混合梁斜拉桥，采用独斜塔半漂浮结构体系，跨径布置为(145+48+42)m，桥宽36.8 m，桥塔高78 m，主塔向边跨侧倾斜15°。主梁采用分离式双箱双室断面形式，标准梁高2.2 m，两片箱梁通过横梁和桥面板连接形成整体，梁体底面水平，顶面采用与桥面相同的1.5%横坡，两侧设有风嘴。钢与混凝土的结合段设置在主跨侧距桥塔12.5 m处(见图1)，钢梁全长135 m。

1 设计原则

主梁钢混结合段由于结合部位两侧材料性质的不同，主梁刚度、强度在此发生突变，故结合段的设计应能流畅的传递各种荷载产生的内力(轴力，剪力和弯矩)和变形，并具有良好的抗疲劳和耐久性。

1.1 选择合理的连接位置

根据钢混结合梁的结构特点，预应力混凝土梁与钢梁的连接位置，宜选在弯矩及剪力较小的地方，这样其结构处理就比较简单。要选择一个合理的连接位置，一般应从结构受力性能合理、施工工艺简便和造价经济三个方面考虑。

图1 结合段立面布置图（单位：mm）

1.2 连接部位的构造设计

预应力混凝土梁与钢梁的连接构造，是一个非常重要的部位，这是由钢混组合式斜拉桥本身特性所决定的。为了确保连接可靠，避免使其成为全桥主梁的薄弱点，设计时考虑下列因素并采取相对应的措施:

1)由于主塔附近的主梁承受着很大的轴向力，为避免连接部位断面重心突变而引起的附加弯矩，要求设计连接部位的钢梁重心和混凝土梁重心尽量吻合，并要求相对应的腹板和翼板的重心尽量重合，以防止钢梁的腹板和翼板产生局部弯曲和失稳。

2)为保证钢梁和混凝土梁的连接可靠，并有效平顺地传递强大的轴向力，在钢梁上(与混凝土梁重叠部分)焊上抗剪焊钉、PBL剪力键或其他抗剪器。

3)由风荷载产生的横向弯矩及活载产生的纵向弯矩，在连接部位还会产生相当的拉应力，而这些拉应力又不可能完全由拉索的水平分力来抵消。因此还必须对连接部分施加一定的纵向预应力来提供补偿。

2 构造处理及优化比选

根据上述设计原则，本桥钢混凝土结合段位置选择在中跨距主塔12.5 m处。结合段的钢箱梁外套在预应力混凝土箱梁之上，钢腹板插入混凝土箱梁腹板，全断面与之结合使其成为一体，钢箱梁的上下翼缘板通过抗剪焊钉与混凝土梁体牢固结合，并利用混凝土箱梁内的纵向预应力束加以锚固，形成弯矩的传递。通过端承压板紧贴在混凝土横梁的侧面上，传递轴向力。梁中的剪力则通过承压板及腹板断面的焊钉得到传递。而两种梁体在刚度上的突变，则由在钢箱梁上下翼缘板的U形加劲肋上加焊Π形肋并逐渐变高而得到缓解(见图2)。

图2 顶底板U肋∏形加劲刚度过渡

随着现代钢材加工技术的不断成熟，从结构可靠性和混凝土防裂及耐久性方面着眼，衍生出本桥设计方案。

结合段钢梁顶、底、腹板均伸入混凝土梁段2.5 m长度，结合段范围内在钢箱梁内灌注混凝土，钢箱梁在伸入混凝土梁段2.5 m范围内采用φ22×170圆柱头焊钉与混凝土结合，预应力混凝土主梁内钢绞线锚固在承压板上。根据计算需要在结合段配置当量的预应力钢绞线(见图1)，其余位置配置57根8 m长φ25精轧螺纹钢筋，锚固在端承压钢板上。结合段钢主梁顶板设置混凝土浇筑孔以利混凝土的浇筑及振捣。

钢混结合段钢箱梁断面顶底板厚度均为28 mm，钢箱梁顶板和底板纵向加劲肋采用U形加劲肋U300×260×6 mm，在钢箱梁顶底板U形加劲肋上设置Π形加劲肋，钢箱梁腹板纵向加劲肋采用球扁钢160 mm×11 mm。钢梁和混凝土梁连接采用钢板式，钢箱梁和混凝土箱梁结合面处设置承压钢板(钢箱梁端横隔板)厚60 mm。闭合隔仓长度2.5 m，板厚20 mm，隔仓内模板按斜率1∶8设置，在顶底板、端承板、闭合隔仓内均焊接剪力钉，间距15 cm布置(见图3)。

图3 结合段构造形式

本桥结合段设计方案端承板采用60 mm厚钢板，有效保证了轴向力传递均匀及大直径钢绞线锚固要求;采用斜率1∶8的狭长闭合隔仓，使得轴力传递更为顺畅;在端承板、钢腹板及闭合隔仓内均设置剪力钉，提高了结合段的抗剪强度;强大的预应力钢束与精轧螺纹钢筋配合使用，有效地抵抗活载产生的弯矩，剪力钉与混凝土结合面增大，混凝土防裂能力得到提高，结构可靠性显著增强(见图4)。

图4 结合段锚固断面图

3 有限元分析

3.1 计算模型

为了使计算结果精确可靠，对混凝土箱梁和钢箱梁细部构造建立了精细的模型。在建立空间模型的同时，为避免边界条件对所研究梁段的影响，建模时梁段长度大约取为1倍梁宽，钢混结合段位于模型梁段的中间位置。同时考虑梁段的边界条件特点和钢梁的节段划分，取模型梁段30 m，其中混凝土梁段12.5 m，结合段2.5 m，钢梁段15 m。

单元采用对称模型，钢箱梁段采用高阶板单元模拟，混凝土箱梁段采用高阶块体单元模拟，预应力钢绞线和精轧螺纹钢筋采用索单元模拟。钢混结合段有限元模型如图5所示。钢梁端和混凝土梁端加平截面边界约束，并用将索力分解后作用于斜拉索锚固区的形式来模拟斜拉索。

图5 钢混结合段混凝土梁顺桥向正应力分布

3.2 模型结果分析

3.2.1 钢混结合段混凝土梁

钢混结合段混凝土梁顺桥向正应力大小为－17.7 MPa～2.3 MPa，见图5。最小正应力 －17.7 MPa发生在结合段预应力锚固区附近，属于局部应力集中现象，而最大正应力2.3 MPa是因为将预应力锚固点屏蔽为零应力点导致的，可以不作考虑，故钢混结合段混凝土梁顺桥向正应力大小基本在－15.5 MPa～－6.6 MPa范围内，结合段混凝土因截面较大，顺桥向正应力较小。

3.2.2 钢混结合段钢梁

钢混结合段钢梁第一主应力大小为－4.0 MPa～60 MPa，见图6。最大第一主应力60 MPa发生在结合段钢承压板预应力锚固点附近，属于局部应力集中现象，可不作考虑。结合段钢梁因为和混凝土共同作用，第一主应力水平较低为－4.0 MPa～3.1 MPa，结合段附近钢梁第一主应力水平在－4.0 MPa～24.4 MPa之间。

图6 钢混结合段钢梁第一主应力分布

3.2.3 全桥与局部应力对比

为了验证局部分析的合理性，与全桥整体分析结果进行应力范围对比，见表1。

表1 应力对比值

节段模型分析与全桥整体分析应力水平保持一致;节段模型分析中，混凝土梁的应力高于全桥整体分析得到的应力，但差值幅度不大，仍在规范允许范围内。

4 结语

1)通过对钢混结合段受力特性的深入分析，结合国内外已建同类型桥梁的工程经验，采用了新型变刚度预应力组合承压式结构，有效的解决了结构刚柔过渡、轴力和剪力传递方式、混凝土防裂及耐久性等问题，增强了钢混结合段的安全、可靠性。2)同时对结合段进行的有限元仿真分析，对钢混结合段的应力状态、应力变化幅度和应力集中现象展开了分析研究，研究结果表明该结合段在各种工况下局部应力处于较低水平，结构形式合理。3)整体与局部应力水平基本保持一致，局部应力状态略高于全桥整体应力，该结合段的结构设计具有较高的应力储备。4)结合段处应力集中现象较为明显，受力情况比较复杂，施工过程中应注意连接构造的工程质量，包括预应力张拉、混凝土浇筑密实度及剪力键焊接等问题。

［1］周梦波，刘自明，王邦楣.斜拉桥手册［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］林元培.斜拉桥［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［3］王治均，李三珍.混合梁斜拉桥主梁钢混结合段设计［J］.公路交通技术，2010(4):1-6.

［4］张国泉，戴少雄.独塔斜拉桥钢混结合段应力分析［J］.结构工程师，2007(3):1-6.

［5］宋 晖.舟山大陆连岛工程桃夭门大桥创新设计［A］.2006年全国桥梁学术会议论文集［C］.2006.