混合梁桥钢-混结合部的应用及关键技术

李坤

山东方大工程有限责任公司 山东 淄博 255100

1 我国桥梁建设中混合梁的应用

混合梁的技术优势在于利用钢材强度高、自重轻的特点，将钢梁应用与跨越桥梁的主跨位置，利用混凝土材料自重大的特点，将混凝土结构应用在桥边跨位置，从而起到平衡主跨、恒活载的作用。混合梁首先被应用在斜拉桥的主梁设计上，随着技术的不断成熟和发展，逐渐被应用于其他结构的桥梁设计的当中。

1.1 斜拉梁

斜拉桥即是指借助弹性支撑在桥体主梁上的拉索，斜拉桥能够将主梁的恒载和二期活载传递到索塔，从而实现跨越。目前自锚式斜拉桥是国内外建设最多的类型，主梁在主跨区域承受拉力，而接近索塔区域的桥梁则表现出明显的大偏心受压状态，钢-混结构的应用能够让斜拉桥的受力得到极大的优化。在桥的主梁构造中，如果将钢梁使用在桥梁的主跨范围内，而桥塔附近和边跨位置使用混凝土主梁，则能够防止索塔处的主梁由于较大的轴例导致钢构件出现局部失稳等状况，同时也可以防止边跨部位背锚索区域的钢主梁出现疲劳等情况；另外，也能够在受力均衡的条件下，减少主梁结构的边中跨比例，并以此缩短引桥的长度，从而降低整体结构的造价成本。

1.2 自锚式悬索桥

自锚式悬索桥利用加紧梁来分担主缆的水平力，由于桥梁的跨径不大，因此可以使用混凝土的主梁结构，但完全使用混凝土结构，其跨径有限，若是全部使用钢结构，而主缆和加紧梁相互连接处产生的受力较为复杂，钢结构容易疲劳或出现屈曲；因此最好的结构处理方式是在主梁和主缆的连接处采用混凝土主梁，以便于散索鞍的布置和分散主缆力，在中跨位置则采用钢主梁，以此来减轻自重；若要建成不等跨形式，也可以在边跨位置使用混凝土材料，中跨部分使用钢材料。因为自锚式悬索桥的发展较晚，因此钢-混结构也还是在近些年才开始被广泛应用。

1.3 拱桥

拱桥主要通过拱肋来承受压力，桥面、吊索和立柱等都属于传力构件，目前中承式和下承式的组合拱桥是使用最多的拱桥形式。由于拱桥的主梁结构并非是受力主体，而只是共桥面通行的平台而已，因此中小跨径的拱桥大多选用混凝土结构的主梁形式，只有大跨径拱桥才会选用钢梁结构的主梁形式，混合梁结构几乎不存在。由于混合梁自身在斜拉桥和自锚式悬索桥当中的技术优势并不能在拱桥中得以充分发挥，因此混合梁在拱桥中少有应用。

1.4 梁桥

梁桥主要是利用主梁的受弯来承受外部结构所带来的荷载，典型的受理特征极为主梁受弯。梁桥有着多种结构形式，其中连续梁桥与连续钢构桥主要还会应用钢-混结构。由于受各种因素的影响，采用混凝土结构的已建大跨径连续梁桥常会出现不同程度的开裂或下挠等问题，因此在连续钢构桥或连续梁桥的中跨采用钢结构主梁，边跨采用混凝土结构主梁能够让中跨受力特性得到较好的改善，并有效降低中跨径主梁的挠度，防止中跨混凝结构主梁会由于下挠而出现开裂等问题；同时由于边跨重量能够平衡中跨的钢结构主梁自重，从而让边中跨比例得以降低，因此也让桥梁的整体造价得到较好的控制。另外，将钢-混结构形式应用在高速公路的跨线桥当中，能够在不影响交通通畅性的前提下保证中跨位置的快速施工，从而大大缩短工期。

早期的梁式桥梁对钢-混结构形式大多应用于跨线桥当中，后来随着钢结构在桥梁中的普及应用，越来越多的钢-混结构形式被应用在桥梁建设当中，我国梁桥建设中对钢-混结构的应用大多在中跨，中间部分选用钢结构主梁来缩减总体结构的重量，提高桥梁的跨越能力。例如重庆石坂坡大桥复线桥330m的主跨部分，就是在108m的中跨段使用了钢结构主梁[1]。

2 目前混合梁钢-混结合部的构造特点分析

2.1 共同点

从目前桥梁建设中钢-混结构形式的应用情况来看，所有桥梁的钢-混结合部都包括混合体梁过渡段、钢混结合段和钢梁过渡段三大部分，其中混凝土梁过渡段的纵向钢筋需要深入到钢混结合段内部，且深入的长度应超过锚固标准，钢混结合段当中不设置横向箍筋和钢筋；同时钢混结合段的钢结构向钢梁过渡段进行自然延伸，从而让钢混结合段的钢壳体由此形成，钢壳体当中混合着混凝土，构成了钢混结合段；其端部通常都配有承压板，钢壳体的内部配有传剪装置，如PBL剪力键或栓钉剪力键等。钢混结合段通常采用多格室结构，并且在格室当中填充适量的混凝土，并通过钢板和剪力键与混凝土的摩擦力来传递剪力、轴力和弯矩。端部的承压板是为了将钢结构板件的集中应力分散开，让钢板当中的高应力能够分散到混凝土截面上，同时为了满足抗剪需求，承压板上还需配有大量剪力钉。考虑到美观性，钢梁通常会采用与混凝土结构主梁同样的外形，但由于混凝土梁和钢梁顶底板的厚度存在差异，两种截面的腹板顶底板的几何中心不会重合，势必会对板件受力产生不利的次应力。因此需要在钢梁加强段上面增设可变高度并带有T形加劲的U形，以此来调整板件的几何中心并让其刚度能够平稳过渡。抗剪键设置的目的就是为了确保传力的可靠性，虽然混凝土和钢材相互间存在黏结力，但在工程设计过程中通常出于安全考虑会忽略不计。在钢混结合段设置预应力主要是为了保证让混凝土箱梁和钢箱梁能够紧密结合，确保结合部位不会出现拉应力，没有裂缝出现，整个结构具有良好的耐久性和抗裂性。桥梁设计者利用特定的钢-混结合段结构形式的设计和细节处理，实现了钢梁结构向混凝土结构刚度的平稳过渡与荷载传递，但具体到每一座桥来说，由于桥梁自身的特点以及设计人员在设计理念上都存在一定的差异，应从设计出来的钢-混结合段的构造形式也各不相同。

2.2 不同点

不同形式的剪力键，其传剪装置的排数会存在较大的差异，多的有19排，少则只有2排；承压板的厚度从20~80mm不等；钢混结合段的长度既可能达到数米长，也可能只有1m；由于设计者对钢-混结合部传力合理性的不同理解，有些会设置很多的钢格室，而有些则设置的钢格室数量很少。根据钢格室和承接板之间的位置关系，可分为前后承压板、前承压板或后承压板等不同的结构形式。没有格室的钢-混结合部也包含两种结构形式，一种是仅凭承压板传力，另一种钢混结合段的顶底板混凝土主梁部分自然延伸，通过连接装置的建立传递部分内力。例如法国的诺曼底大桥当中的钢-混结合部就是采用了无格式的后承压板连接模式[2]。

3 钢-混凝土结合部关键技术

3.1 混合梁钢-混结合部的位置选取

混合梁中钢-混结合部的位置选择，将会直接影响到在刚度和自重方面存在较大差异的混凝土主梁和钢梁的长度比例，并且对整体桥梁结构，特别是整体主梁的受力情况也会造成极大的影响，因此在钢-混结合部位置的选择上，应从结构的受力性能合理性、施工工艺的复杂程度以及工程造价的经济性3个方面来权衡考量。即基于力学角度出发，钢-混结合部适合选择在剪力和弯矩较小，且应力不会出现正负交替的位置，同时要尽量避免使用较为复杂的工艺构造；而从施工角度而言，钢-混结合部的选择可延用墩柱施工架设或边跨混凝土梁的方案；出于从经济角度的考虑，应对上下部结构的综合费费用进行计算，也可适当增加混凝土梁的长度。

3.2 钢-混结合部的构造尺寸参数

为了保证传力顺畅，需要对混凝土梁过渡段、钢混结合部以及钢梁过渡段的尺寸参数进行合理设定。目前针对混合梁钢-混结合部的设计与施工，国内外均为形成系统化研究，钢混结合部的构造形式、长度以及连接件的设置都还需要深入研究。有学者在相对接触和滑移的有限原模型基础上，讨论研究钢-混结合部的长度、连接件刚度、承压板厚度以及间距等关键的设计参数对混合梁整体受力情况的影响，并提出了钢-混结合部的长度可设置为钢格室高度的2倍为宜的设计建议。

3.3 钢-混结合部的破坏机理

混合料钢-混结合部大体包括3种破坏形式，分别为混凝土梁过渡段的开裂、钢混结合段钢材与混凝土相互出现滑移或剥离以及钢梁过渡段出现屈曲破坏。其中混凝土梁过渡段和钢梁过渡段的承载性能比较容易计算，而裂缝和屈曲等破坏现象比较容易被发现，并且后期对这些破坏现象的补救也较为方便。钢-混结合部作为混合梁的传力核心部件，由于属于异种材料的结合，因此钢混结合部的破坏机理也更为复杂，比如钢格室当中出现破坏后，很难被及时发现，同时破坏后的后期维护和补救也较为困难。因此对于混合料钢-混结合部破坏机理的研究实验就显得尤为必要，只有对其破坏模式和破坏阶段的延续性进行深入考察，才能更好地保证钢混结合部的安全可靠性。

3.4 钢-混结合部当中混凝土结构的配制和浇筑

钢-混结合部当中有着密集的连接件、钢板、钢筋和预应力筋，由于混凝土浇筑的空间较小，因此混凝土结构的养护和压实就变得较为困难。特别是设置有钢格室的钢混结构，钢格室当中混凝土的实际填充情况不能及时查看，若出气孔的设置不够合理，振捣时的气泡将会很难排出，极有可能混凝土与局部钢板会出现脱空的情况，从而对钢混结合部的受力性能造成直接影响。因此在实际的工程建设过程中，对于混合梁钢-混结合部的施工均会成立专项课题，并对高流动混凝土材料的配比以及混凝土浇筑的顺序和位置进行充分考虑。另外，钢-混结合部当中的混凝土若出现水化热分布不均的情况，也极易会导致温度裂纹的出现。例如，日本的大洲高架桥混合梁钢-混结合部的纵向断面最大达到高2.83m，宽7.5m，因此在设计过程中就进行了三维温度和温度应力有限元的相关分析。研究结果表明，钢混结合部如果采用一次性浇筑，浇筑后模型中心在57h后温度会达到87℃，龄期30d时，应力就会超过抗拉强度，龄期60d后，应力为3.01MPa。如果钢混结合部分两个阶段来施工，浇筑33h后，模型中心的温度对达到83℃，应力也不会超出抗拉强度[3]。

4 结束语

综上所述，随着国内钢产量生产过剩以及钢材价格的逐渐降低，钢结构在大型桥梁工程项目中的应用也越来越多，相比目前普遍应用的钢桥和混凝土桥梁不连续的设计方案，混合梁的结构设计、施工工艺以及后续维修都更加趋于科学合理，并且钢-混结合部是作为混合梁的重要构造，钢混结合结构可以将混凝土和钢材各自的技术优势得以充分的发挥。本文对混合梁钢-混结合部的具体构造形式和在桥梁工程中的结构应用进行了系统介绍，并对当前钢混结合部的技术特点以及关键技术要点进行了重点探析，从而为我国混合梁钢混结构在桥梁工程项目中的有效应用提供了一定的技术参考。