斜拉桥中钢混结合段的结构性能与设计方法

李洪

（中交公路规划设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

斜拉桥中钢混结合段的结构性能与设计方法

李洪

（中交公路规划设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

总结了钢混结合段在斜拉桥中的应用特点，从而提出依据钢混结合段受力形式，明确其传力机理和过程，给出针对性构造对策的设计思路。最后，建立了钢混结合段的一般设计过程和方法，可应对任意复杂受力形式的钢混结合段设计。

斜拉桥；钢混结合段；结构性能；设计方法；传力机理

1 概述

随着现代土木工程向可持续化和经济化的方向发展，合理利用建筑材料力学性能，充分发挥各自的优势，降低工程的建设成本成为结构工程建设的关键。混合结构（空间上利用不同建筑材料）以其整体受力的经济性，在保证不同材料良好连接的基础上充分发挥了各自的结构性能，在桥梁工程领域的应用也愈加广泛[1]。

混合桥梁结构是伴随着钢构件在混凝土结构体系桥梁的应用而产生的，从结构体系层面上讲，钢构件应用于混凝土结构体系中可以优化结构的受力分配，改善混凝土结构因自重、开裂等原因而呈现的弊端，避免钢结构因受压呈现的屈曲与稳定问题；从结构实用及经济层面讲，在满足结构性能要求的前提下能获取最优的资源配置，同时使得桥梁结构多变美观。为此，混合结构体系在桥梁工程应用领域在不断扩大，最初应用于梁桥和斜拉桥的主梁中优化中边跨的配置[2-3]，而后尝试应用于结构总体层面——主梁、索塔、桩基、桥墩等，也应用于局部构件层面——索鞍、索塔索梁锚固区、锚锭等。

斜拉桥是混合结构应用最为普遍的，而作为连接钢和混凝土的钢混结合段，则是一直关注的重点和难点。虽然目前国内外诸多学者研究钢混结合段的传力机理，但都是基于已有的构造设计进行验证性研究，尚未明白外界受力形式下，如何更好地开展钢混结合段的连接设计，保障结合段的受力安全，这使得目前针对结合段的设计主要沿用已有构造，这对于复杂受力情形下的结合段设计则力不从心。

本文细致分析现有斜拉桥钢混结合段的应用特点与工程实践，从而总结钢混结合段的传力机理并给出设计对策，最后提出开展钢混结合段设计的主要方法和过程，为斜拉桥中钢混结合段的设计提供参考。

2 钢混结合段在斜拉桥中的应用分析

钢混结合段主要在斜拉桥的主梁和索塔中应用，且可以极大地优化斜拉桥的整体受力。在主梁构造形式中，如若在桥梁的主跨范围内使用钢主梁而边跨及桥塔附近采用混凝土主梁，则可以避免索塔处主梁的极大轴力引起的钢构件局部失稳问题，也避免了边跨背锚索区域钢主梁的疲劳问题；另外也可以在满足边中跨的受力平衡条件下，减少结构体系的边中跨比例，以此减少引桥的长度从而降低结构的总体造价。在索塔构造形式中，如若在索塔的上部锚固区采用钢结构，而下半部采用混凝土结构，则一方面可以避免索塔锚固区因复杂受力引起的结构开裂，另一方面可以丰富索塔上部结构的造型，形成美观的设计效果。

斜拉桥主梁钢混结合形式应用非常广泛，西德在1972年建造的Kurt-SchumacheBridge（287.04m+ 146.41 m）是第一座独塔混合斜拉桥，也是混合结构形式在斜拉桥上的第一次应用。而后在该桥的经验基础上，西德于1979年建成主跨368 m的Flehe Bridge，该桥是当时最宽的桥梁。现如今无论是大跨径斜拉桥还是中小跨径斜拉桥，混合主梁的结构形式都得到了广泛的应用，法国的诺曼底大桥和日本的多多罗大桥以及我国的昂船洲大桥（主跨1 018 m）都是采用混合主梁的形式[4]。

在桥塔中采用混合结构形式得益于钢混结构的广泛实践，异性桥塔设计中钢混混合形式采用较多，如涡河三桥采用的水滴形桥塔就是钢混混合结构，环巢湖旅游大道兆河大桥的斜置式拱形塔也是钢混混合结构。桥塔中混合结构使用典型的是南京长江三桥[5]，该桥桥塔桥面以上179.8 m的部分为钢材料，桥面以下35.2 m为混凝土材料，钢混结合位置设置在索塔与下横梁连接位置。图1是钢混结构形式在斜拉桥中的应用。

图1 钢混结构形式在斜拉桥中的应用

3 钢混结合段传力机理与设计对策

实际上，根据钢混结构在不同结构体系的应用形式，其受力的基本形态可以分为如下几种类型：受压为主、受拉为主、受剪为主、压弯结合、弯剪结合等。不同连接形式的特点与设计原则见表1。

斜拉桥主梁钢混结合段以受压弯为主，而索塔结合段则以受压为主。因此，在掌握这两种受力形式下的传力机理，就可以针对此种受力形式进行相关构造处理，形成针对性的设计方案，如此其传力路径可以依照设想的方向进行。

钢混结合段的基本原理是保证钢与混凝土的连接紧密，并使得整体刚度过渡平缓，不产生较大的应力集中问题。本质上各种截面受力方式均可以转化为钢与混凝土连接的拉力和压力，但是在同一界面上不同部位的受力形式，其传力特点有所不同，设计的构造方式也可以有差异。

钢混结合段压弯受力方式下，需要有钢过渡段，其传力目的比较明确：保持截面刚度合理过渡、保证压力的传递、避免钢板件局部失稳，为此在钢截面基础上需在一定区域设置承压加劲肋，并适当增加相关板件厚度。钢混结合段构造形式差异性很大，有采用钢格式+焊钉+预应力形式、PBL传剪板+纵向预应力形式、纵向预应力粗钢筋+焊钉等形式。设计思想如图2所示。弯矩可以转化为上下部分的轴力，因此上下部分的连接构造以传递轴力为主，可以采用钢板插入混凝土形式，或者顶底板上焊接连接件与混凝土连接形式；剪力可以通过结合面竖向构造处理，如采用横隔板上焊接剪力钉方式，设计中尽量使两者传力分工明确，传力结果都转移到结合段混凝土。

图2 压弯受力形式下的钢混结合段构造——海河大桥为例

钢混结合段受压形式下，需要设置钢过渡段，其传力目的是：保证截面刚度的合理过渡，保证压力传递并避免钢板件局部失稳，构造设计同压弯及弯剪受力方式。钢混结合部位板件传递轴力为主，通过钢板插入混凝土中，并在钢板上焊接PBL或者焊钉，施加横向预应力，保证传力的流畅性，如图3所示。

图3 受压形式下的钢混结合段构造——南京三桥为例

当形成具体的设计对策后，就可以针对具体的结合段连接构造，以其传力方式明确各杆件的连接方式，形成实际的约束方式，开展预设计。设计成果采用有限元分析方法，通过钢混滑移非线性分析模式，获取结合段在不同荷载条件下的受力行为以及钢混滑移曲线，获得连接部位的极限承载力，并进行优化改善。如此，可以提高设计效率，同时减少不必要的模型试验，提供设计的良性循环。此种设计思路，对于任意复杂受力形式的钢混结合段，都可以给出正确的设计解答。

4 钢混结合段设计方法建立

综合上述概念，即可针对不同受力方式的钢混结合段，可以形成针对性的设计方法和对策。

首先，进行钢混结合段位置的选取。需要综合考虑三个因素：

（1）结合段以总体受力优化为选择根本，在满足结构体系总体受力前提下选择。

（2）结合段选择在受力较小同时力线过渡平缓区。

（3）结合段选择在便于施工区域，便于钢梁过渡段和混凝土的架设以及钢混连接施工。

其次，确定钢混结合段受力形式。进行钢混过渡截面受力类型的辨别，进而分析每一部分的受力特点，在这种受力特点下，钢混结合段必须满足相关构造措施。

再则，针对整体截面的受力方式，选择不同区域分担不同受力行为，使力的传递尽量明显；针对指定受力状态设计主要构造方式，并参考相关实践取定结构参数。

接着，针对设计构造，建立局部空间实体有限元模型，确定实体模型的受力边界条件、位移条件、板件之间的连接方式等；选取受力组合，分析结构体系在各种状态下的应力分布状况、力流的传递、混凝土拉应力与压应力、钢构件的应力水平与失稳状态、钢混结合段钢与混凝土的滑移状况等。当受力无法通过时修改设计构造对策，当受力满足要求时，根据实际状况确定是否需要进行模型试验，当进行模型试验时，应根据具体的模型试验结果，对有限元模型进行修正，通过数值模拟与试验结果的对比，评价钢混结合段的受力传力行为。

最后，根据对相关参数的调整，对设计构造进行优化改善，提高结构的可施工性。

上述设计方法和过程可以总结为图4。所提出的针对具体受力形式形成针对性设计对策的方法，将不同受力行为的钢混结合段细化成截面层次受力状况，通过力学分析使用针对性的构造连接方式，让结构的受力按照工程师预想的模式进行，使得各部分的受力传力行为明确。如此在结构的有限元分析中，钢混连接处理更具有针对性，模型分析的结果也更能反映实际受力状况，减少不必要的模型试验。同时有限元参数化分析的结果又可以改善构造，如此丰富钢混结合段的传力机理与设计对策。

图4 钢混结合段设计方法与过程

5 结语

混合结构在桥梁中的应用愈加广泛，论文总结了斜拉桥中钢混结合段的主要应用及特点，斜拉桥中主要的钢混结合段设计于主梁和索塔中，其受力形式分别以压弯和受压为主，因此系统分析了压弯和受压形式下的钢混结合段传力机理问题，以及传力机理下的设计对策和解决方法。并给出了斜拉桥中钢混结合段的设计过程和方法，可以应对任意复杂受力形式下的钢混结合段的设计。

[1]聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社, 2011.

[2]刘玉擎.混合梁接合部设计技术的发展[J].世界桥梁，2005(4): 9-12.

[3]刘高,唐亮,谭皓，等.混合梁斜拉桥钢混结合部的合理位置[J].公路交通科技，2010，27(6):52-57.

[4]黄玲.混合梁斜拉桥钢-混结合段受力行为与传力机理研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[5]崔冰,孟凡超,赵灿辉,等.南京长江第三大桥主塔钢-混结合段设计研究[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，桥梁工程师，从事桥梁设计工作。