钢箱刚架系杆拱桥拱脚钢混结合段构造设计研究

刘蕾蕾，余 强，邱 毅，王 东

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041)

钢箱拱桥具有外观优美、承载潜力大等优点，在景观功能需求较高的城市桥梁中应用越来越多[1]；同时钢箱混凝土结构因其优越的力学性能和美观效果，在工业与民用建筑中应用广泛[2-3]，但钢箱拱桥拱脚与拱座的钢混凝土结合部位受力复杂，如何把钢箱拱的内力可靠地传递给基础是设计和施工需要着重考虑的问题。为此，本文重点以广雅大桥为例探讨钢箱混凝土结构在钢箱拱中的应用，以供类似工程参考。

1 工程概况

柳州广雅大桥位于柳州市中心城区，桥梁总体布置如图1所示。大桥主桥长546 m，孔跨布置为63 m+2×210 m+63 m，桥梁总宽36 m；主拱计算跨径203.282 m，净跨径200 m，净矢高50 m，净矢跨比1/4，拱轴系数1.6，拱肋拱顶截面径向高2.5 m，拱脚截面径向高4.5 m，截面高度按1.5次抛物线的变化规律沿水平方向从拱脚的4.5 m渐变至拱顶的2.5 m；拱肋宽2.5 m。

单位：m

大桥采用双孔中承式结构，在飞燕式拱桥的基础上增设了副拱，体现了整座大桥空灵剔透、轻盈优美的选型特点，具有独特的结构和审美特色，如图2所示。为解决稳定问题，桥面结构未采用漂浮体系，而是将主拱圈与桥面结构进行固结以提高其整体刚度，并设置2道伸缩缝以释放巨大的温度力，主拱、边拱与桥面主纵梁形成一刚度较大的三角刚架，利用水平系杆平衡大部分水平推力，因此，本桥的结构体系属于刚架系杆拱桥。

2 钢箱混凝土拱脚构造

2.1 主拱与三角刚架

本桥采用刚架系杆拱桥体系，全桥共布置3个三角刚架，其斜腿部分为主跨拱圈的延续，对于两边的三角刚架而言，边跨侧的斜腿与主跨侧斜腿呈对称布置。斜腿截面尺寸即为钢箱拱桥面以下部分的尺寸，与桥面梁交界处设肋间箱型横梁，将横向2片三角刚架连成一体，承担整个上部结构的恒活载并维持结构的稳定，如图3所示。

单位：mm

三角刚架的存在，有效减小了钢箱拱的跨度(本桥钢箱拱的有效跨度由203 m变为150 m)，增大了结构的跨越能力，三角刚架可理解为与上部系杆拱固结的下部结构(三角刚构桥墩)，其优点是抗推刚度大，施工和运营中起到抵抗边跨、中跨不平衡内力的作用[4-5]；较一般的拱桥具有较好的抗震及防船撞性能[6-8]。

2.2 拱脚钢箱混凝土构造

2.2.1 钢箱拱拱脚常规构造

为实现三角刚架所承担的重要作用，需确保三角刚架斜腿与拱座之间的强大结合能力。其中斜腿钢箱与拱座之间的钢混凝土过渡处理，可参考斜拉桥或悬索桥的钢塔与承台之间的连接构造，主要有螺栓锚固方式、埋入式和二者组合的形式。

1)螺栓锚固法

是将钢箱拱拱脚节段通过其拱脚底板(承压板)和预埋在拱座基础中的大型锚固螺栓(可采用预应力钢束)连接在一起。这种连接方式中，钢箱拱拱脚的压力是通过承压板传递到混凝土中，而弯矩和剪力则是通过锚固螺栓进行传递的。这种方法的缺点是为了保证钢混凝土连接的刚度和强度上的要求，承压板通常需要采用很厚的钢板(一般不小于60 mm～70 mm)，且承压板和混凝土拱座之间必须保持密切接触，这对于钢索塔来说由于底部水平或接近水平，相对容易实现，但对拱座的斜向表面来说难度非常大。

2)埋入式法

是将钢箱拱拱脚节段的一部分进入拱座基础中，采用这种方法时，面临的主要问题是如何使钢箱拱的壁板和混凝土充分结合在一起，并能使拱脚内力向拱座均匀传递，常用的方法是在壁板上设置剪力钉或PBL剪力键。埋入式的传力机理是将钢箱拱拱脚的内力通过剪力钉或PBL剪力键与混凝土之间的附着力以混凝土传剪的方式传递给基础。该方法的缺点是施工时钢板预埋在混凝土中，这会与钢筋存在较多的冲突，另外如果钢箱拱拱脚产生拉应力时，则拱脚部位混凝土可能会产生开裂。

3)二者组合方式

是将钢箱拱拱脚一部分埋入拱座混凝土中，同时采用锚固螺栓解决钢箱拱拱脚的拉应力。使用螺栓锚固+埋入式的组合可避免单纯的采用螺栓锚固法或埋入式的一些弊端。

无论采用以上何种方法，都是适用于以承受轴向压力为主的钢混凝土连接构造，对于本桥的三角刚架的拱脚部位压弯组合的复杂受力状态而言，适用性值得商榷，且都存在着钢箱拱的薄壁钢板向庞大的混凝土拱座基础传力均匀过渡的问题，可能存在较大的应力集中。因此需专门研究适用于本桥拱脚部位的钢混凝土连接构造。

2.2.2 钢箱混凝土

钢箱混凝土是一种组合结构，是在矩形钢箱中填充混凝土，依靠两者之间钢混凝土连接件(剪力钉或PBL剪力键)实现两者的协调组合受力。

钢箱混凝土组合结构具有以下优点[2,9]：1)钢箱对核心混凝土的套箍作用，能有效克服混凝土，尤其是高强混凝土的脆性，提高构件的整体承载能力；2)内填混凝土对钢箱侧向提供了有利的侧向约束，提高了钢箱的稳定性；3)钢箱混凝土的钢材可充当混凝土施工的模板，不需额外使用模板；4)钢箱混凝土具有良好的塑性和韧性以及耐火性能。

经过多方对比后，本桥拱脚的钢箱与拱座之间钢混连接构造选用了钢箱混凝土，并施加预应力钢束，故称为预应力矩形钢箱混凝土。

2.2.3 钢箱混凝土拱脚连接构造

本桥钢箱拱与拱座所采用钢箱混凝土的连接构造如图4、图5所示。斜腿钢箱从拱脚至最高通航水位以上2.5 m的位置灌注C50自密实微膨胀混凝土，可作为拱脚钢箱与拱座钢混凝土过渡全断面承压连接(在拱脚与拱座之间张拉预应力钢束)的需要，同时也提高三角刚架防船撞性能。

单位：mm

(a)A-A剖面

为保证钢箱内混凝土的密实性，以及解决混凝土收缩的问题，拱脚节段中灌注C50自密实微膨胀混凝土时，同时张拉预应力，钢束张拉端位于拱脚节段端部横隔板上，锚固端位于拱座中，锚固长度3.5 m。在这种全断面完全承压的连接方式中，拱脚底部的压力通过拱脚的承压板传递到拱座混凝土中，钢箱拱内的混凝土起到扩散应力的作用，弯矩通过张拉预应力钢束传递，剪力则通过焊接在承压板上的剪力钉来传递。

拱脚节段全断面设置14束预应力钢绞线，对拱脚钢箱混凝土提供预压应力，以保证钢混凝土结合段始终处于受压状态。钢束穿过预埋在钢箱拱内的钢管(预埋钢管与钢箱内的纵向加劲肋相互焊接)，同时纵向加劲肋上开有Φ60 mm圆孔，内穿Φ22 mm钢筋与进入该孔的混凝土一起形成PBL剪力键，以保证钢箱、混凝土及预应力束三者之间相互作用力的可靠传递。

在钢混凝土结合面处，承压板的高度、宽度均比钢箱拱肋宽60 cm，在钢箱拱肋四周张拉JL32精轧螺纹钢，以保证承压板与混凝土拱座的紧密接触。承压板上开有Φ100 mm圆孔，以作为拱座混凝土浇筑时的振捣孔及排气孔。

本桥采用的预应力钢箱混凝土构造可同时很好地解决弯矩、轴力和剪力的传递，较螺栓锚固法和埋入式方法，构造相对简单，受力也更加可靠，预应力钢束可解决压弯组合的复杂受力问题，保证拱脚处于良好的受压状态；内灌的10 m～11 m长的混凝土可使钢箱拱壁板上的钢结构应力逐渐向其传递，从而使钢箱拱内力均匀顺适地向拱座传递，有效减小了拱脚与拱座连接处的应力集中。充填的混凝土对钢箱的屈曲约束作用明显，有效地限制钢箱变形，从而提高了钢箱的承载力和结构的稳定性[10]。

钢箱混凝土施工过程中需注意的是，钢箱内混凝土浇筑时由于处于流动状态，会产生较大的流体压力，如果不采取措施将会使钢箱外侧壁板出现过大的横向变形，亦即胀模现象。因此，本桥混凝土灌注前增设了钢箱内对拉钢筋，焊接在加劲肋上，有效避免了胀模现象。

3 钢混凝土结合段计算分析

钢箱混凝土拱脚结点作为本桥设计中的一个重要关键部位，在施工阶段和使用阶段都承受着较大的内力，特别是在运营阶段由于三角刚架的效应，会产生较大的负弯矩，钢混凝土连接处的拱脚部位能否一直处于受压而不脱空的理想状态，是钢箱拱拱脚的钢箱混凝土设计计算中应予以关注的重点。为此建立精确的局部有限元模型对拱脚部位进行局部受力分析，掌握其受力的分布规律和大小，以指导和优化设计，保证拱脚钢混凝土连接部位的设计安全可靠。

3.1 计算方法及有限元模型

本文采用混合有限元的建模方法，力求有限元建模尽可能与实际构件相一致。计算软件采用ANSYS10.0，共采用了实体单元、板单元和杆单元对拱脚预应力钢箱混凝土模型进行了准确的模拟。具体技术方法为：1)利用板壳单元SHELL63模拟钢箱拱面板、加劲肋和锚管等；2)采用三维实体单元SOLID65模拟钢箱内的混凝土；3)采用三维线性杆单元LINK8模拟预应力钢束和对拉钢筋；4)采用三维非线性只受压和只受拉杆单元LINK10分别模拟拱座对拱脚法向的单向约束和拱脚四周的精轧螺纹钢。

在计算过程中采用了以下的简化原则：1)钢箱内混凝土与钢箱面板通过PBL剪力键紧密连接，因此假定两者变形协调一致，直接在粘结部位采用共节点的方式，即不考虑两者之间的滑移；2)通过对LINK8杆单元施加初应变或者等效降温模拟预应力效应，初应变或等效降温考虑了预应力损失；3)预应力钢束通过锚管与其锚下承压板相连接，虽然钢管内灌注了砂浆，但预应力钢束与钢管外的混凝土粘结效应并不显著，因此有限元分析中采用通长杆单元模拟预应力束，不考虑杆单元与周围混凝土之间的粘结效应，杆单元一侧节点与预应力钢束的锚下承压板相连接，另一侧即埋入拱座混凝土中的节点直接进行固结。钢箱拱节段长度取16 m，局部有限元模型如图6所示。

(a)模型1

通过总体计算可知，使用阶段拱脚最不利受力状态为拱脚处于最大负弯矩的工况，因此模型中的边界力取总体模型拱脚最大负弯矩工况对应的拱脚局部有限元模型截断边界处的内力值，见表1。

表1 边界内力值

对于边界力的加载采用刚域的方法实现，即在钢箱拱肋端部的中心部位先建立一个主节点，跟边界处其他节点进行刚性连接,然后直接施加边界力到主节点上。这种方法定义了局部刚性区域，在模型端部区域增加了一定的刚度，因此加载边界处的截面应力已失真，但根据圣维南原理，由于局部模型建立了较长的拱肋节段，因此模型中距离钢箱拱较远的其他部位的应力结果比较真实。

3.2 计算结果分析

拱脚部位局部有限元模型应力云图如图7所示。

1)从图7可知，钢箱拱的钢结构部分最大Mises等效应力为123 MPa，发生在拱底，满足规范要求。在总体模型中通过取消箱内混凝土进行计算，可得钢箱拱肋拱脚最大应力为195 MPa，钢箱内采用内灌混凝土后应力降低达72 MPa，钢箱拱面板上的集中力可通过其内部混凝土传递一大部分至拱脚承压板，这说明采用钢箱混凝土构造可有效减小钢箱拱拱脚的应力集中，与2.2节的论述相一致。

(a)模型1

2)承压钢板的Mises等效应力总体较小，最大值为94.4 MPa，发生在下缘受压侧，满足规范要求。值得一提的是本桥的承压钢板厚度仅为40 mm，与螺栓锚固法所需要的较厚的承压钢板(一般不小于60 mm～70 mm，如文献[11]采用的承压板厚达90 mm)相比大为减小，这表明采用钢箱混凝土能很大程度减小拱脚的应力集中，可避免拱脚的钢箱拱面板及承压钢板因采用特厚钢板所带来的一系列不利的厚板效应。

3)与埋入法的钢混结合构造不同，本桥的钢混过渡构造需保证拱脚处钢箱拱与承压板及拱座之间处于良好的受压状态。针对此问题建模方法为在拱脚处承压钢板下，采用仅受压杆单元模拟钢箱拱拱脚和拱座接触面的单向受压，受压杆单元如果受拉，则单元刚度会消失，轴向应力为零，计算结果表明轴向应力均为压应力，这表明承压钢板与混凝土拱座处于较理想的受压状态。

4)钢箱内混凝土主要呈受压状态，最大压应力为-9.4 MPa。

由以上结果可知，采用预应力钢箱混凝土作为钢箱拱拱脚的钢混凝土过渡段，可减缓钢结构的应力集中，减小钢箱拱脚处各构件的应力，且使钢箱拱拱脚与拱座之间始终处于良好的受压状态，增强了钢箱拱与基础之间的结合能力，有力确保了全桥的结构安全。

4 结束语

本文探讨了新型的钢箱混凝土结构在钢箱拱的拱脚与拱座钢混凝土连接中的应用，研究结果表明：

1)将钢箱混凝土作为拱脚的钢混凝土连接构造，通过将预应力、剪力钉和开孔钢板、承压钢板等进行合理搭配、有机组合，可明显改善和减缓拱脚的应力集中，达到刚度顺适过渡、受力协调均匀的目的。

2)施加的预应力可使钢箱拱拱脚和拱座处于良好的结合状态。

3)预应力矩形钢箱混凝土在钢箱拱中具有较好的应用前景，可作为钢箱拱与拱座之间的理想连接形式。

4)柳州广雅大桥在2013年底竣工通车，运营多年拱脚受力情况良好，该桥采用预应力钢箱混凝土作为钢箱拱拱脚的钢混连接构造，可供其他同类型桥参考。