有格室—后承压板式钢混结合段力学性能研究

周 阳，陈小平，邵俊虎，周佳雨，罗健辉

(成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

随着工程技术的提高，将不同材料进行组合形成的复合结构或混合结构体系得到了快速发展.混合梁是通过预应力钢绞线、剪力连接件以及承压板等构件将钢梁和混凝土梁在纵向连接在一起所形成的新型结构，一般被用于大跨度桥梁的主梁[1].这种结构不仅可以增加桥梁主跨跨度，提高通航能力，还可以增大结构的整体刚度，提高其稳定性，在大跨度桥梁建设中得到了广泛的应用.1972年，德国建成世界上第一座混合梁斜拉桥，因其结构性能优越，受到了众多桥梁设计者的喜爱，使这种桥型的应用得到了迅速发展.在我国，这种桥型主要被用于斜拉桥、悬索桥及梁桥等结构体系中.近年来，混合梁斜拉桥被广泛应用于公路桥、铁路桥或公路铁路两用桥梁建设中[2-4].

混合梁桥中钢梁和混凝土梁连接部被称为钢混结合段，其结构构造复杂，传力途径较多，是混合梁桥关键构造之一，也是主梁在荷载传递中的薄弱点.钢混结合段一般可以按承压板位置和有无钢格室进行分类，具体可以分为有格室—前承压板、有格室—后承压板、有格室—前后承压板及无格室—后承压等结构形式.根据统计分析，有格室—后承压板形式在几种结构形式中使用较多，我国众多大跨度混合梁桥钢混结合段都采用了这种结构形式，如九江长江公路大桥、南昌英雄大桥、重庆鹅公岩轨道专用桥、厦门马新大桥及鄂东长江大桥等[5].

钢混结合段设计的合理性关乎桥梁运营的安全性，众多学者针对其力学性能开展了大量研究，包括传力性能、钢梁与混凝土梁之间的相对变形及抗疲劳能力等方面.本研究对已开展的有格室—后承压板式钢混结合段研究进行了总结，并对我国首座典型铁路混合梁斜拉桥钢混结合段力学性能进行分析，为今后工程设计提供参考.

1 承载能力及传力性能

钢混结合段一般截面尺寸较大，考虑到试验场地和试验仪器加载能力，对于其静力行为研究一般结合有限元方法,采用相似理论设计缩尺模型进行模型试验.为反映结构在桥梁中真实的受力情况，试验模型所采用的材料性能和焊接工艺等都与原桥结构一致.

南昌英雄大桥为主跨188 m的倾斜独塔混合梁斜拉桥，其钢混结合段设置在从桥塔处向跨中方向10.5 m的位置，结合段长为1.5 m.张仲先等[6-7]通过应力等效原则选取横向7个箱室中的1个箱室，按照缩尺比为1∶2制作了该钢混结合段试验模型.试验表明，该结合段在1.4倍设计极限荷载作用下，各构件应力水平仍较小，结构处于弹性受力状态.通过结合段有限元模型分析，经承压板传递到钢格室和混凝土梁的轴力比约为1∶2.

鄂东长江大桥为公路混合梁斜拉桥，其主跨度为926 m，钢混结合段长为2 m.经对结合段设置在不同位置处钢箱梁的应力、应力幅、挠度及转角的计算，以及对大桥施工阶段非线性稳定性的分析，确定结合段位置布置最优方案，即设置在中跨侧距桥塔中心12.5 m处[8-9].刘荣等[10]建立鄂东长江大桥钢混结合段局部格室有限元模型，对该结合段荷载传递情况进行了有限元分析，结果表明，沿钢梁段至混凝土梁方向，该结合段底板的纵向应力由-90 MPa平顺降低，混凝土梁应力逐渐增大至-20 MPa，结合段内由承压板将50%的轴力直接传递给混凝土梁.格室内剪力钉刚度较小，主要起防止钢梁和混凝土梁之间掀起分离作用，PBL剪力键起主要传剪作用.

九江长江公路大桥主跨跨径为818 m，钢混结合段总长为8.15 m，其中钢梁加劲过渡段和混凝土加强段分别长4.15 m和2 m，钢混结合部长为2 m.张奇志等[11-12]依据相似理论设计并制作了该结合段相似比为1∶2的缩尺模型，对试验模型进行了静力加载，并结合有限元模型对其受力性能进行分析.在承压板附近，钢结构应力存在一定的突变，但整体过渡较为平顺.在超载工况下，即1.8倍最大正弯矩工况(最不利荷载)或1.0倍最大正弯矩工况加4.0倍设计荷载作用下，在钢梁加劲肋U肋处出现最大压应力，为198.7 MPa，混凝土梁最大拉应力和压应力分别为1.3 MPa和17.0 MPa，钢混结合段仍处于弹性受力状态.试验完成后也并未观察到混凝土开裂及钢结构屈服等破坏极限现象，说明该结合段具有足够的静力承载能力和较大的安全储备.

厦门马新大桥为主跨209.15 m的斜独塔混合梁斜拉桥，其钢混结合段设置在桥塔向跨中方向为9.75 m处，长为2.0 m.李小珍等[13]按照应力等效原则，设计并制作了在长度和高度方向缩尺比为1∶2，宽度方向缩尺比为1∶10的该桥结合段缩尺模型，并结合有限元方法对结合段传力机理进行了研究，试验分析表明，在1.7倍设计荷载作用下(最大轴力组合和最大负弯矩组合)，该钢混结合段各构件应力水平均较低，仍处于弹性受力状态，具有足够的安全储备.经有限元分析，约50%的轴向力作用由承压板传递，其余轴向力通过钢格室各板件及PBL剪力键传递至混凝土梁.

重庆永川长江大桥主桥为主跨608 m双塔混合梁斜拉桥，其钢混结合段设置在主塔根部附近.霍学晋等[14]考虑材料非线性、接触非线性以及混凝土的开裂和压碎情况，建立了4种单个格室的非线性有限元模型，对结合段中承压板、PBL剪力键和剪力钉3种构件的传力比和工作性能进行研究.有限元分析结果表明，对于原桥结合段构件，随着荷载的增大，腹板的屈服区并没有较大扩展；4种不同传力形式模型的受力过程和破坏形态各不相同，其中承压板的传力作用可以有效地提高结合段的极限承载能力，只有在PBL剪力键情况下各构件受力均匀，剪力钉起到了有效分担荷载传递的作用.

重庆鹅公岩轨道专用桥为自锚式悬索桥，主跨为600 m，钢混结合段长为3.5 m.秦凤江等[15]根据应力等效原则和圣维南原理，确定了缩尺比为1∶3的横向半结构试验模型，并建立了该结合段有限元分析模型.试验研究表明，在2.0倍最大轴向力工况下，结构整体仍处于弹性受力状态，结合段中钢梁与混凝土梁协同工作状态良好.有限元模型分析表明，承压板面外承压直接传递到混凝土梁的轴力占比为61.1%，剪力钉和PBL连接件传递轴力比分别为4.9%和12.1%，其余21.9%的轴力通过开孔板端部承压作用传递.由于剪力钉刚度较小，PBL剪力键起到了主要传剪作用.

2 疲劳性能

钢混结合段的疲劳性能与其组成结构有关，包括钢结构、混凝土结构及剪力键等结构.通过对结合段进行静力性能分析表明，结合段在各工况下基本处于受压状态，但该压应力不大；同时，结合段的设计不易出现拉应力或者拉应力极小，在活载作用下，疲劳应力幅也不大，所以，钢结构部分不会普遍存在疲劳问题.在对九江长江大桥结合段模型进行200万次疲劳循环加载后，其结合段钢结构和混凝土梁测点应力没有发生明显的变化，考虑其上行驶车辆超载40%的情况进行疲劳加载，发现其结合段仍然具有良好的抗疲劳性能[16].

钢混结合段的剪力钉需传递巨大的剪力，且剪力钉群钉效应会明显导致结合段剪力钉群受力不均匀，其中，靠近承压板端部的剪力钉受力较大，中部剪力钉受力较小.如发生局部剪力钉失效情况，将如“多米诺骨牌”效应一般导致更多剪力钉失效，故剪力钉的疲劳问题是钢混结合段主要存在的问题.

3 实桥钢混结合段受力性能

宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥主跨为468 m，是我国首座典型铁路混合梁斜拉桥，其结合段采用有格室—后承压板式构造，与传统结合段相比，其通过加长过渡段，将钢格室顶板倾斜布置，在各格室内梯形填充混凝土的方式，有效地减少了结合段各截面形心的变化幅度和截面附加弯矩.图1为甬江大桥钢混结合段构造图.为研究该钢混结合段的力学性能，根据应力等效原则，对其进行了全截面缩尺模型试验和局部最不利的典型格室足尺模型试验研究[17-19]，试验模型采用的材料和焊接工艺与原桥结构一致，钢结构采用Q345qD钢，混凝土为C60膨胀型混凝土，具体如图2所示.

图1 钢混结合段构造图

图2 甬江大桥钢混结合段试验模型示意图

3.1 钢混结合段静力性能分析

3.1.1 钢结构与混凝土结构受力分析

对全截面模型和局部足尺模型进行典型工况(即最大负弯矩工况)的加载.试验研究表明，钢混结合段整体应力水平较低，底板应力较顶板稍大，在承压板位置存在一定的应力突变;钢混结合段底板受压，在承压板附近受力最大，此处最大压应力为20 MPa～30 MPa，随着距承压板距离增大，底板应力平缓下降，直至降低为零.

根据模型试验结果以及对全截面和受力最大的典型格室进行有限元分析，结果表明，格室内填混凝土梁正应力水平较低，最大压应力约为10 MPa.与承压板接触的混凝土梁的边缘受力极不均匀，有一定应力集中现象.随着与承压板距离增大，混凝土梁受力趋于均匀，至结合段与标准混凝土梁段连接处，此处混凝土梁正应力约为-5 MPa.

3.1.2 承压板与剪力键传力分析

甬江大桥结合段采用“承压+传剪”的复合传力方式进行荷载传递，具体在结合段与钢箱梁截面间设置一道承压板对荷载起分散作用.建立钢混结合段全截面及典型格室有限元模型，对截面正应力进行积分可以获得结合段轴力传递情况.经计算分析，全截面模型中由承压板直接分配到混凝土梁的轴向力为54%，典型格室模型中由承压板直接分配到混凝土梁的轴向力为46%，承压板在该结合段中起到了重要的传力作用，约50%的荷载由承压板直接传递到混凝土梁，其余荷载经承压板传递至钢格室各板件，再由钢格室各板件上设置的剪力键将荷载传递到混凝土梁.

除承压板直接传递的轴力外，其余荷载通过钢格室各隔板上设置的开孔板连接件(PBL剪力键)和格室内顶、底板上设置的剪力钉传递至混凝土梁段.经有限元分析表明，该结合段中剪力钉较PBL剪力键传递的剪力多，起到了主要传剪作用.两种剪力键都表现出明显的群钉效应，在结合段两端部的剪力键的受力明显较中部剪力键受力大.

3.2 钢混结合段疲劳性能分析

结构的焊接工艺、残余应力及材料的初始缺陷都会对结构的疲劳性能产生一定影响.为准确获取甬江大桥钢混结合段的疲劳特性，根据Miner线性疲劳损伤积累理论，在静载后对局部足尺模型进行疲劳试验，包括200万次桥梁设计使用年限内的疲劳验证加载和将疲劳加载应力幅提高到1.5倍的100万次疲劳破坏加载，每隔20万次疲劳加载后停机进行静载试验，观察结构变形及应力分布的变化.

在200万次疲劳试验后，足尺模型各构件应力水平基本没有变化，结构表面也未出现裂缝和剥落现象，展现了结构良好的疲劳性能.经过100万次疲劳验证试验后，在靠近承压板的钢格室顶板及该顶板上焊接的剪力钉的应力水平明显增大，局部剪力钉已经产生了塑性变形.虽然钢混结合段一般设置在剪力较小处，但仍会承受巨大的轴力和较大的弯矩，在弯矩作用下，钢格室顶、底板与内填混凝土梁之间会产生翘曲；在疲劳荷载作用下，钢板与混凝土表面容易产生分离，不利于此处剪力键的受力.同时，PBL剪力键在疲劳试验中表现出良好的抗疲劳性能，在剪力钉趋于失效的情况下，PBL剪力键的荷载传力比不断提高，保证了结合段良好的传力体系.

4 结 语

本研究对有格室—后承压板结合段的研究成果进行了总结，并结合典型铁路混合梁斜拉桥钢混结合段静力和疲劳模型试验结果，得到以下结论.

1)钢混结合段是混合梁斜拉桥关键构造之一，荷载通过钢梁加劲段传至钢混结合段，在两者连接处承压板部位存在一定的应力突变.根据已建混合梁桥研究表明，承压板在荷载传递和分配过程中起重要的作用，50%及以上的轴向荷载可以通过承压板面外承压的作用直接传递至混凝土梁；钢混结合段整体应力水平较低，具有足够的静力承载能力和安全系数.

2)由于钢混结合段的钢结构和混凝土结构主要处于受压状态，且应力水平和应力幅均较小，不易出现疲劳问题；而结合段中的剪力键处于一种高应力状态，容易出现疲劳问题，所以，应特别注意结合段中剪力键的疲劳问题.

3)对甬江大桥钢混结合段进行了静载和疲劳试验，研究表明，该桥钢混结合段具有足够的静力承载能力，在设计年限内具有足够的抗疲劳性能，考虑到超载等情况提高应力幅加载后，发现靠近承压板处的剪力钉出现了一定程度的疲劳问题.