鋼混結合段在橋梁中的應用及關鍵點分析

劉堅

（上海市政工程設計研究總院（集團）第六設計院有限公司，合肥230031）

1 引言

隨著交通基礎設施建設的發展，橋梁的跨徑逐漸增大，橋梁的造型向美觀發展，橋梁的結構逐漸輕質化；在這些趨勢下，傳統的混凝土結構在很多時候已經不能滿足設計的要求[1]。本文以鋼混組合結構在各類型橋梁工程中的應用為切入點，介紹鋼混組合橋梁的發展及應用，對鋼混組合橋梁的關鍵點——鋼混結合段進行理論分析，研究組合結構的傳力機理，并對鋼混結合段的設計提出建議。

2 鋼混組合結構的應用及關鍵技術

2.1 鋼混組合結構在各類橋梁中的應用

2.1.1 在斜拉橋中的應用

主梁采用組合結構的斜拉橋，稱之為混合斜拉橋，主跨采用輕質的鋼箱梁、邊跨采用鋼筋混凝土結構，并且進行配重以增大邊跨的剛度。建于1972 年的Kurt Schumacher Bridge 是世界上第一座采用組合結構的斜拉橋，該橋為公鐵兩用橋梁，鋼混的結合段設置在橋塔位置，通過剪力連接構件和預應力鋼筋將鋼箱梁和鋼筋混凝土段連接。其后，西德對其進行改進，主跨采用2 根縱向鋼梁，并使用正交異性鋼橋面板；法國建設的Normandy Bride 將鋼混組合橋梁的跨徑推到近千米級；日本在這方面起步較早，其代表作為多多羅大橋[2]。

我國相對起步較晚，首座鋼混斜拉橋——徐浦大橋建成于1996 年，主跨為590m；2001 年通車的桃天門大橋，主跨為580m；2010 年建成的鄂東長江大橋，主跨為926m。

2.1.2 在連續剛構橋中的應用

連續混凝土橋梁由于自重較大，其跨徑的增長較斜拉橋和懸索橋相對緩慢，如虎門大橋的主跨為270m，其后所建連續混凝土橋梁跨徑基本維持在這一水平，停滯不前。在虎門大橋，由自重產生的內力占總內力的92%，因而在混凝土結構橋梁設計中，如何降低自重成為提高跨徑的關鍵點。重慶的石板坡長江大橋，創造性地使用混合梁，將跨徑提高到330m，鋼混結合部采用有格室-后承壓板進行鋼混連接。其后的甌江大橋的鋼混結合部在此基礎上，利用PBL 剪力板、預應力鋼筋連接[3]。

2.1.3 在自錨式懸索橋中的應用

自錨式懸索橋與地錨式懸索橋的區別是主纜錨固的位置，自錨式是錨固在加勁梁的兩端，由加勁梁承擔錨固點的荷載，并且形成自平衡受力體系，增大跨徑，加勁梁的尺寸也隨之增加。平勝大橋為世界上首座鋼混組合結構的懸索橋，加勁梁為鋼混組合結構，主跨為鋼箱梁，邊跨為鋼筋混凝土結構，鋼混2 部分通過滲入混凝土內部的開孔底板和腹板連接。該種形式的橋梁可降低主跨的自重，減少主纜的受力，增大跨徑。

2.1.4 在橋塔中的應用

斜拉橋和懸索橋的橋塔多為鋼結構或者混凝土結構。鋼結構自重小、抗震性能強、施工速度快、錨固構造簡單、鋼材可以重復利用，但其施工精度較高、抗腐蝕性差、造價相對較高；而混凝土結構的橋塔剛度大、技術成熟、耐腐蝕高，但抗震性能差。

2.2 鋼混組合結構的關鍵技術

鋼混組合結構設計的關鍵點在于如何實現剛度的平順過渡，力可以均勻傳遞，避免在結合段出現剛度突變和應力集中，確保結構的穩定和安全。鋼混結合段構造不同、尺寸不同都會影響鋼材與混凝土之間的內力分擔比重，因而研究其在結合段的傳力機理、構造設計對設計工作具有重要意義。另一方面，鋼材與混凝土的剛度相差較大，采取何種措施實現鋼材與混凝土剛度的平順對接，避免剛度突變，也是設計的關鍵和難點。

3 鋼混結合段傳力機理分析

鋼混結合段內力的傳遞與擴散主要是利用承壓板、剪力鍵以及鋼混之間的錨固黏結。鋼材與混凝土能協調工作，主要是利用二者之間的錨固黏結來實現，根據形式，可以分為機械咬合作用和套箍作用。剪力鍵是確保2 種材料可以共同受力的關鍵構造，其不僅要抵抗鋼混界面上的剪力，防止相對位移的出現，還需要抵抗混凝土鋼結構間的掀起作用。

鋼混組合結構結合段主要有3 種力的作用，即軸向壓力、軸向拉力以及剪力。鋼混組合結構軸向壓力的傳力原理是利用鋼結構的加勁肋、加勁筋等，通過過渡構件將力進行分散，通過承壓板、PBL 剪力鍵或者鋼材與混凝土之間的錨固黏結作用傳遞到內部的混凝土結構中。其中承壓板由于和混凝土緊貼，對于軸力的傳遞最為直接，如圖1 所示。當外荷載接近混凝土承載力極限的時候，混凝土與鋼材發生相對滑移，錨固黏結傳力的貢獻比將降低，所以，在一般情況下不考慮鋼混之間的錨固黏結作用。

圖1 軸力傳遞機理

結合段的軸向拉力傳遞主要是利用預應力鋼筋、剪力鍵以及鋼混界面的錨固黏結。在設計過程中，只考慮預應力鋼筋的預應力和剪力鍵的機械錨固作用，鋼混界面的錨固黏結僅作為安全儲備。為使結合部處于全截面受壓的狀態，鋼混結合部位置應設置在軸壓較大而軸拉較小的位置，可以以預應力平衡拉應力。結合段的剪力則是通過剪力釘進行傳遞，如圖2所示。通過以上分析，可以總結出結合部傳力的機制是：鋼梁的作用力通過鋼箱梁的剛度過渡段傳遞到鋼混結合段，依靠混凝土的剛度過渡段傳遞到混凝土標準段中。

圖2 剪力釘傳力示意圖

4 鋼混結合段設計關鍵點分析

4.1 結合段位置選擇

根據上文的分析，結合段是剛度轉換和受力傳遞的關鍵部位，因而在確定結合部的位置時，應綜合考慮結構的受力特征、施工的工藝及造價。從結構受力的角度看，結合部應設在彎矩和剪力較小的部位，避免設在應力正負轉換的部位，如反彎點等部位；從工藝的角度，結合部宜設置在可以利用邊跨施工架設或者墩柱施工架設的區段；從造價的角度看，延長混凝土段，減少鋼加固段以降低造價。

4.2 剪力連接件的設計

以鋼混組合連續剛構橋梁為例，介紹剪力連接件的設計。在鋼混結合段，需要確保鋼材與混凝土之間的連接，不能發生剝離，因此，需要采取在箱梁格室的鋼板以及承壓板上開孔、設置剪力釘等措施。剪力釘的受力不具有方向性，因此在設計中無需考慮其方向，但其承載力較低，易產生疲勞破壞，而且還會影響鋼筋的布置，因此，在設置剪力釘時需要進行合理規劃。開孔板的受力具有方向性，因此，布置開孔板時需要沿著受力方向布置，其抗疲勞性、承載力均高于剪力釘。

在鋼混結合部設計時，必須確保鋼材與混凝土的連接可靠，使得內力和變形可以傳遞協調。結合段兩側的結構重心位置應保持一致，避免產生附加彎矩，同時結合段應設置預應力鋼筋抵消軸向拉力。在設計時應對以往的工程進行分析，選擇合理的構造設計，使得剛度的轉換和受力的傳遞都可以平順過渡到混凝土主梁中。

5 結語

本文通過鋼混組合橋梁鋼混結合段的研究得出以下結論：（1）鋼混組合結構可以降低橋梁的自重，提高跨徑，提升橋梁的美感，并具有結構上的優越性，而鋼混組合結構設計的關鍵是通過結合部實現受力和剛度的平順過渡；（2）鋼混結合段的位置應綜合考慮結構的受力、施工的工藝以及造價等來進行確定，同時，在結合部必須確保連接件的可靠，使得內力和變形可以傳遞。