浅谈钢混结合段在连续梁桥中的应用及设计要点

张 猛

（中铁二十四局集团有限公司，上海市 200433）

0 引言

随着交通基础设施建设的发展，桥梁逐渐向大跨径、轻质化等方向发展，对经济美观也提出了更高的要求，传统的混凝土结构在很多时候已经不能够满足设计的要求，混凝土梁的自重过大、主跨过度下挠以及梁体开裂等问题逐渐显现出来。为了使结构更经济合理，更好的发挥钢材和混凝土的优势，钢-混凝土混合梁应运而生。钢- 混凝土混合梁充分将钢箱梁与混凝土箱梁的优势结合在一起，主要是利用了钢箱梁自重相对较小且强度高的特点设置在跨中来增加桥梁的跨径，利用了混凝土自重大的特点设置在边跨来平衡主跨的恒活载作用[1-3]。成功解决了仅使用混凝土主梁导致的自重过大引起的跨径瓶颈问题，也解决了仅使用钢箱梁导致的钢箱梁焊接处容易产生局部应力过大的问题。同时提高了桥梁结构的刚度和强度、节省材料、降低工程造价，具有较高的技术价值和经济效益[4-5]。

在混合梁的设计与运用当中，钢混结合段是核心关键部位。陈开利、刘玉擎、徐国平等学者综述了国内外混合梁钢混结合段的构造形式。早先在混合斜拉桥以及自锚式悬索桥中，钢混结合段已多次成功应用并且相对成熟。近些年，钢混结合段在连续梁桥中的使用也大幅提升。在继重庆石板坡长江大桥、瓯江大桥、鱼山大桥等连续梁桥中钢混结合段的使用之后，本文就余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程大跨度连续梁桥中钢混结合段的具体布置位置、内部详细构造以及内部构件的具体作用进行了详细的分析。

1 钢混结合段在连续梁桥中的应用

对于连续梁桥，德国是最先使用钢箱梁与混凝土箱梁相结合的，主要运用于跨线桥中降低主梁高度，于1980年修建了主跨140 m 的Mosel 桥；紧接着钢混结合段在连续梁桥中的应用在日本逐渐普及开来，例如在2000年建成的新川桥其主跨长118 m 以及在2007年主跨150 m 大牟田高架桥。

重庆石板坡长江大桥横跨长江，北连南区干道，直通重庆火车站和朝天门港区，南接川黔公路，全长1120 m，于1980年7月1 日建成通车。主跨330 m的重庆石坂坡大桥复线桥就是在跨中108 m 使用了钢主梁，提高了该桥的跨越能力、减轻了施工过程的风险、加快了施工进度等[6]。整个钢混结合段设计在距离主跨桥墩111 m 处。

南京机场二通道桥跨秦淮新河，采用三跨变截面连续梁方案，桥梁总长200 m，受其他各方面因素的限制主跨必须达130 m，边跨仅35 m，边中跨比仅为0.27。因此选择在桥梁主跨位置设置钢混结合段以增大跨径，桥跨总体布置为35 m+130 m+35 m，其中在主跨位置设置一段长为89 m 的钢箱梁。设置在距离主跨桥墩20.5 m 处。

瓯江大桥全长368 m，桥跨布置为84 m+200 m+84 m 采用三孔一联的钢混结合连续刚构桥。钢混结合段在瓯江大桥的使用满足了通航净空要求，降低主梁的高度，在80 m 长钢箱梁设置在主跨跨中，其设置在距离主跨桥墩60 m 处。其余部分主梁采用混凝土结构。

2 钢混结合段的设计要点

混合梁中钢梁和混凝土梁，由于材料性质不同，导致刚度相差大，为保证刚度的平稳过渡需在中间位置设置钢混结合段。如果钢梁的内力不能平稳的过渡到混凝土梁中，就会使局部出现应力集中的现象。由于不同桥梁结合段的位置选择不同、构造形式不同以及结合长度不同等，造成了结合段整体设计难度大的特点。无论是连续梁桥、自锚式悬索桥还是斜拉桥，其混合梁的设计主要考虑钢混结合段位置的选择以及钢混结合段构造的设计[7-8]。

2.1 结合段位置选择

钢混结合段应平顺的传递结构的内力及变形，且具有较好的抗疲劳性能及耐久性能，以保证桥梁结构整体的耐久性。从结构受力方面而言，钢混结合段应处于结构弯矩及剪力较小位置；从施工技术角度，应当在便于施工段设置钢混结合段；从整体上看，钢混结合段应将施工安全、工程进度、造价经济合理等综合起来考虑。在连续梁桥中，钢混结合段的位置一般选择设置在靠近主跨桥墩的一定范围内，也就是说将钢混结合段设置在弯矩图中弯矩变号的区域。

2.2 结合段构造形式

钢- 混凝土混合梁设计的难点和重点在于结合段的构造，也是当下研究的热点。钢箱梁与混凝土箱梁的的材料特性无法改变，但在设计时可以将箱梁的几何构造设计的相对协调，从而避免在结合段出现刚度和强度的突变。连续梁桥的钢混结合段会同时受到剪力和弯矩的作用，受力情况相对复杂，为了使结合段对荷载作用下产生的轴力、剪力、扭矩及弯矩的传递顺畅。既科学又合理的结合段构造应当具备以下几个特点：良好的受力性能；便捷的施工工艺；经济的工程造价等[9]。

钢- 混凝土混合梁的结合部按照有无钢格室可分为有格室与无格室两种构造形式，见图1。依据承压板的设置的位置不同，有钢格室的构造形式见图2，又可分为前承压板、后承压板及前后承压板三种形式。对于无钢格室的构造形式见图3，有顶底板承压板、端承压板与后承压板的相组合的方式。在所有的钢混结合段构造之中，有格室后承压板构造形式在桥梁中的使用率最高。

图1 钢混结合部构造形式

图2 有钢格室结合部构造形式

图3 无钢格室结合部构造形式

3 余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程的钢混结合段设计

3.1 工程概况

杭州市余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程，主桥采用40 m+80 m+180 m+80 m+40 m 钢-混凝土混合连续梁，全长420 m，主跨180 m，其中跨中88 m范围采用钢箱梁，其余均采用预应力混凝土箱梁。

3.2 钢混结合段设计

钢混结合段采用带钢格室的后承压板结构，钢格室长度2.50 m，高度0.80 m，内部浇注混凝土，承压板厚度6 cm。轴力通过钢箱梁过渡段的顶板、腹板、底板、加劲肋板传递到结合段的开孔钢板再通过与混凝土的接触进行轴力传递；弯矩通过设置于顶、底板的预应力筋进行传递。钢混结合段作为整体结构的特殊段，一般由混凝土梁过渡段、钢混连接段和钢梁过渡段等三个部分组成。如图4 所示：其中混梁过渡段长3.00 m，钢混连接段长3.00 m，钢梁过渡段长2.20 m。

图4 钢混过渡段（单位：cm）

钢混结合段采用“钢格室+剪力钉+PBL 剪力键+预应力”的组合形式。其中，设置钢格室是为了使刚度从钢箱梁平稳的过渡到混凝土箱梁上，设置剪力钉、PBL 剪力键与预应力都是为了确保钢板与混凝土的连接更加紧密，从而能够实现拉力、压力与剪力都能有效传递。

钢混结合段的作用是将钢梁和混凝土梁两种材料特性相差很大的梁连接为一个整体，使其内力能在整个桥梁中能够平顺传递，构成由材料不同、结构相似的箱梁在纵向连接的连续梁桥。如图所示：混凝土梁过渡段是指在纵向上由混凝土梁段至钢格室，梁截面逐渐增大的区域，目的在于保证刚度的平稳过渡，同时便于剪力连接件以及预应力筋的布置。钢梁过渡段与后承压板相连，在顶板、腹板、底板等位置设置了一定数量的T 肋和U 肋以及横隔板，目的是为了将钢材的截面慢慢增大，同样是为了使刚度平稳过渡，避免出现应力集中的现象。

3.3 结合段位置选择

通过Midas-civil 建立全桥有限元模型，分析各截面受力情况，全桥剪力、弯矩见图5，在靠近主墩40～50 m 处，截面剪力、弯矩相对较小，通过结构受力、施工方法和整体体系上的综合考虑，钢混结合段设置在临近主墩46 m 处。

图5 内力云图

4 结语

本文通过调研，简要介绍了钢混结合段在重庆石坂坡大桥复线桥、南京机场二通道桥、瓯江大桥的应用。在余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程中，钢混结合段的运用节省了材料、降低工程造价、增大了桥梁的跨径，同时根据结合段的具体构造介绍了结合段内各材料具体的作用以及如何保证刚度的平稳过渡和作用力传递的顺畅性。由于不同桥梁结合段构造不同，钢混结合段的应用还应在具体桥梁中具体分析，以保证钢混结合段在该桥梁中应用的合理性。