鐵路混合梁斜拉橋鋼混結合段研究綜述

施 洲，顧家昌，周勇聰

（西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031）

混合梁斜拉橋是指中跨大部分或全部采用鋼梁，兩側部分或全部采用混凝土梁的斜拉橋，合理利用了2 種材料各自的優勢。自20世紀70年代起，混合梁斜拉橋以良好的跨越能力、平衡中邊跨受力及較好的經濟性能而成為極具競爭力大跨度橋型之一。目前，混合梁斜拉橋已廣泛應用于公路大跨度橋梁中，而在荷載更重、剛度要求更高的鐵路橋梁中應用相對較晚，且正在不斷發展。

鋼混結合段作為主梁中鋼梁段與混凝土梁段的連接部位，其結構構造、力學特性及耐久性備受關注。公路混合梁斜拉橋應用較早，相關鋼混結合段受力、傳力及變形特性的研究資料豐富。陳開利等［1］通過模型試驗驗證了桃夭門大橋公路鋼混結合段的構造合理性，并分析了結合段應力分布與傳力規律；張景峰等［2］基于非線性數值分析，詳細模擬了結合段受力及栓釘滑移行為，為結合段合理設計提供參考；黃彩萍等［3］基于推出試驗研究了結合段內剪力連接件的受力特性與承載能力，并提出“橡膠-剪力釘”組合連接件及其承載能力公式推導。相關研究成果為鐵路橋梁鋼混結合段的構造提供了參考。針對鐵路大跨度斜拉橋主梁鋼混結合段結構構造及受力性能，周陽、Shi 等［4-5］以甬江特大橋為工程背景，通過模型試驗結合有限元仿真分析，詳細探討了鐵路斜拉橋鋼混結合段合理構造及疲勞損傷問題；Yang 等［6］探究了深茂鐵路潭江特大橋鋼混結合段受力及變形規律，驗證了結合段具有足夠的剛度及承載能力，滿足高速列車行駛要求；施洲等［7］詳細分析了鐵路斜拉橋鋼混結合段長度參數對結構受力的影響，為結合段構造優化提供參考。

針對混合梁鋼混結合段合理構造、受力及傳力性能、剪力連接件受力等相關問題，各國學者已取得較為豐碩的研究成果。但隨鐵路混合梁斜拉橋跨徑的不斷增大以及在高速鐵路橋梁中的應用，鋼混結合段在其構造設計及優化、受力與傳力特性、疲勞受力以及參數影響規律等方面仍需進一步研究。

本文針對鐵路大跨度混合梁斜拉橋的鋼混結合段，從其發展歷程、結構構造形式、結構受力特性、剪力連接件受力情況、傳力機理、疲勞受力特性以及結構參數影響規律等方面，闡述其發展及研究現狀、理論研究成果以及存在的問題，為后續大跨度混合梁斜拉橋鋼混結合段的構造設計與理論研究提出相關建議和展望。

1 鐵路混合梁斜拉橋發展歷程

1963年，德國首次提出混合梁斜拉橋的構思方案，對傳統斜拉橋結構體系來說是一種大膽的創新。1972年，世界第1座公路混合梁斜拉橋（庫爾特—舒馬赫橋）建成，此后，短短不到半個世紀，公路混合梁斜拉橋跨徑便從287 m 發展到了千米級（主跨達1 104 m 的俄羅斯島大橋）。但長期以來，因為鐵路活載重、剛度要求高等原因，混合梁斜拉橋較少應用于國內外的鐵路橋梁。在國外，相關橋例的報道極少。在國內，寧波鐵路樞紐甬江特大橋是混合梁斜拉橋在大跨度鐵路橋梁中的首次應用，改變了大跨度鐵路斜拉橋單一采用鋼桁架梁的格局。其后，深茂鐵路潭江特大橋首次將混合梁斜拉橋應用于時速200 km 的高速鐵路中。安九鐵路鳊魚洲長江大橋為主跨672 m 的4 線高速鐵路混合梁斜拉橋，成功地將混合梁斜拉橋應用到4 線重載、高速鐵路跨長江大橋。在建的南玉鐵路百合郁江特大橋則是350 km·h-1高速鐵路無砟軌道混合梁斜拉橋的應用。通過調研文獻，對國內外鐵路混合梁斜拉橋進行系統分析統計，部分代表性鐵路混合梁斜拉橋列于表1。縱觀鐵路混合梁斜拉橋發展歷程，其首先在普通鐵路橋梁中應用，再發展至高速鐵路，并由有砟軌道向無砟軌道發展，主梁跨徑亦不斷增加。

表1 部分代表性鐵路混合梁斜拉橋

2 鋼混結合段位置及結構構造

國內部分鐵路混合梁斜拉橋鋼混結合段結構形式、位置及過渡段信息見表2。

2.1 鋼混結合段位置

混合梁斜拉橋邊跨采用混凝土材料主要考慮其對中跨的錨固和壓重作用，且鋼混結合段的位置與混合梁斜拉橋的邊中跨比相互影響。徐利平教授［8］曾根據混合梁斜拉橋處于理想恒載狀態下的假設，分析了蘇通大橋的合理跨徑，指出鋼混梁重之比和邊跨內鋼混梁長之比決定了混合梁斜拉橋的合理邊中跨比，并認為確保邊跨不出現負反力的最小合理邊中跨比應為0.24，可用于初步確定鋼混結合段位置。如表2所示的鐵路混合梁斜拉橋邊中跨比主要集中在0.24～0.35，邊跨相對較短而更具經濟性；鋼混結合段的位置布置主要有塔梁錨固區、中跨靠近主墩處和邊跨輔助墩附近共3種。

表2 國內部分鐵路混合梁斜拉橋鋼混結合段結構形式、位置及過渡段信息

當結合段設置在中跨時，混凝土壓重作用明顯，橋梁整體剛度顯著提升，有利于增強橋梁抗風性能，提高列車行駛的平穩性；當結合段布置于邊跨輔助墩附近時，結合段內力及變形相對較小，結合段構造可適當簡化。隨著鋼混結合段受力性能的改進，其位置布置更為靈活，但在實際工程中，仍須兼顧橋址環境、施工及造價等多方面因素，一般應滿足：

（1）大橋整體受力較為均衡；

（2）結合段內力及變形均較小；

（3）方便主梁鋼、混凝土施工現場操作等原則。

2.2 鋼混結合段構造

混合梁的鋼混結合段的主要作用是將主跨鋼梁巨大的內力平穩勻順地傳遞給混凝土梁，一般由承壓板、剪力連接件、預應力筋等主要構件組成，通常還設置加勁肋、鋼格室等補強構件以加強鋼混界面連接。對公路混合梁斜拉橋鋼混結合段調研表明：其構造形式不斷發展；由最初承壓板和混凝土直接接觸傳力逐漸演變為承壓板、鋼頂底板結合剪力連接件共同傳力，增加傳力路徑的同時降低了承壓板的傳力比例；插入混凝土側的鋼頂底板配置隔板形成格室進一步增加結合段剛度，同時降低長期運營中鋼混界面脫離的風險，越來越多的鋼混結合段采用有格室構造［9-13］。此外，形成格室的隔板通常開孔穿鋼筋形成PBL 剪力鍵進一步加強鋼混結合作用。

相比公路鋼混結合段，由于鐵路列車荷載集度高（與同等跨度的公路橋梁相比，鐵路雙線列車荷載集度相當于6 車道公路汽車荷載集度的4 倍以上），對鋼混結合段受力、傳力、變形及構件疲勞性能要求高，且鐵路運營與維護對鋼混結合段的耐久性提出更嚴格的要求，因此鐵路鋼混結合段普遍較長，目的在于更可靠、均勻地傳遞更大的主梁內力，并保證鐵路行車對線路平順性的要求。表2中統計結果還表明，除早期少數橋例外，鐵路橋梁鋼混結合段均采用鋼梁插入混凝土的結構構造來加強鋼混傳力。

根據鋼混結合段傳力機理的不同，可將其分為承壓式和承壓傳剪式。

承壓式結合段通過承壓板和混凝土直接接觸傳遞軸力與彎矩，豎向剪力僅依靠承壓板上剪力釘及鋼混界面黏結力傳遞。根據承壓板與混凝土間的接觸狀況分為全截面和部分截面連接承壓，如圖1所示。該類型結合段構造簡單，滿足實際工程基本的強度及剛度過渡要求，較多應用于早期公路鋼混結合段。因其鋼混界面連接作用不強，容易在運營中產生鋼混界面開裂、脫離，進而引起耐久性問題，目前，工程中極少采用單一的承壓式鋼混結合段。

圖1 承壓式鋼混結合段構造

承壓傳剪式鋼混結合段又稱剪壓式鋼混結合段，復合使用承壓板、鋼梁頂底板及剪力連接件傳遞主梁內力，鋼頂底板插入混凝土段顯著強化結合段的整體性及豎向傳剪能力。剪壓式結合段通常還設置格室對其中的混凝土形成多向約束，進一步強化鋼和混凝土間連接并改善鋼和混凝土間傳力。寧波鐵路樞紐甬江特大橋鋼混結合段采用了典型的有格室剪壓式構造，結合段長7.35 m，兩側設置較長的剛度過渡段，預應力筋分散錨固在前后承壓板上。安九鐵路鳊魚洲長江大橋鋼混結合段采用無格室剪壓式構造，結合段長2 m，兩側設置長為6 m的剛度過渡段，鋼梁頂、底板混凝土側均設剪力釘及錐形PBL 剪力鍵插入混凝土加強連接，并采用較多的預應力筋強化結合面連接。剪壓式鋼混結合段構造如圖2所示。

圖2 剪壓式鋼混結合段構造（單位：cm）

從受力及傳力角度分析，剪壓式結合段比傳統的承壓式結合段強化了鋼混連接并增加了傳力路徑［14］，更適合大跨度及鐵路橋梁傳力的需要。混合梁斜拉橋在荷載更重的鐵路特別是高速鐵路橋梁中應用，其鋼混結合段在滿足結構安全、耐久的前提下，仍需考慮施工便捷性及經濟性等多方面因素，可在既有剪壓式結合段的基礎上進行進一步優化，具體如下［15-17］：

（1）根據梁高、梁寬尺寸，優化鋼混結合段長度及鋼混連接構造形式，實現均衡傳遞主梁截面軸力、剪力與彎矩；

（2）優化預應力鋼束配置及錨固位置，保持在最不利荷載下結合段鋼混仍有效連接并使得混凝土處于受壓狀態；

（3）優化結合段整體剛度，既要為主梁內力傳遞及傳力不均勻性預留一定安全系數，又要避免局部剛度過大的復雜結構而導致施工不便；

（4）優化設置鋼梁過渡段及混凝土梁過渡段，使得結合段傳力流暢、避免局部應力集中并實現剛度平穩過渡。

2.3 鋼混結合段主要參數

2.3.1 結合段長度

鋼混結合段的長度對主梁內力的平穩傳遞具有重要意義，一般來說，結合段長度越長，剛度過渡越均勻、傳力越順暢、安全儲備也越高；長度越短，其傳力路徑就越短，傳力更集中，但對結合段中鋼構件、預應力筋等其他構造質量及混凝土澆筑施工要求較高［7］。由表2中既有鐵路混合梁斜拉橋鋼混結合段的長度可見：鐵路混合梁斜拉橋鋼混結合段長度在4.0 m 左右，含兩側過渡段的總體長度普遍在12.0 m 以上，長于公路橋梁鋼混結合段的長度（2.0 m 左右）以及含過渡段的總長度（約8.0 m 以下）。隨著混合梁技術的逐漸成熟，鐵路鋼混結合段長度有著下降趨勢，鳊魚洲長江大橋首次采用了2.0 m 的短結合段。針對結合段長度對其受力性能的影響，李昱華［18］對1.25～2.25 m 之間的結合段展開了有限元仿真分析，指出1.5 m 為結合段長度的臨界值，低于1.5 m 時，結合段中承壓板及剪力連接件的局部應力值較大，不利于結構受力。文獻［19］研究表明，在最不利正、負彎矩荷載作用下，結合段長度的改變僅影響結合段區域及1.0 m 以內剛度過渡段的受力，且縱、橫向應力分布規律與結合段長度并無較大關聯。

由此可見，結合段鋼混連接長度在3.0 m 以上時，再增加其長度對主梁受力并無顯著影響，過長的鋼混結合段容易導致施工不便，考慮實際橋梁結構并不屬于單一的受力狀態，應根據不同橋梁結構的實際受力特點，對結合段長度在1.5～3.0 m 之間進行優化設計。

2.3.2 承壓板厚度

承壓板作為鋼混結合段內力傳遞的主要構件，承擔并傳遞約30%～50%的主梁內力，其厚度決定了其剛度，直接影響主梁的內力分配，繼而影響結構的整體受力與傳力平順。唐亮等［20］研究發現承壓板主要承受主梁縱向剪切力，且在與頂底板焊縫附近存在混凝土支撐作用。賀紹華［21］基于剛性承壓板的假定，給出了承壓板最小厚度tbmin計算公式為

式中：Lh為承壓板邊緣連接焊縫的長度；［τs］為設計容許剪應力；Fh為結合段混凝土所分擔的軸力。

Fh可參考《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》進行計算。而對于鐵路橋梁，承壓板的厚度取值尚待研究。

為研究承壓板厚度變化對結合段受力的影響，Kim［22］分析了承壓板厚度在50～70 mm 變化時鋼混結合段的應力變化，結果表明，結合段極限承載力與承壓板厚度成正比，但當承壓板厚度超過75 mm 時，結合段的極限承載力不再增加；胡峰強等［23］研究指出承壓板厚度在40～80 mm 之間時所分擔的內力隨厚度變化較明顯；賀紹華［21］對高性能混凝土鋼混結合段的承壓板厚度進行了參數討論，所得規律與普通鋼混結合段相似，但高性能混凝土的應用大大降低了承壓板厚度，新材料的出現正不斷為傳統構造優化設計提供思路。

綜上可知，在一定范圍內，增加承壓板厚度可有效提升其剛度，承擔并傳遞更多的內力，但過度增加板厚則會產生明顯的應力集中和較大的剛度差異，影響結合段傳力的平順性。在保證鋼混結合段良好的傳力性能前提下，承壓板厚度宜介于40～70 mm，不宜過厚，可選擇在其兩側增加與鋼頂底板相連加勁肋來提升剛度并增加傳力，混凝土側增設的加勁肋（同時作為PBL 開孔板）來加強鋼和混凝土的連接。

2.3.3 剪力連接件參數

剪力連接件是確保鋼和混凝土協同工作的關鍵構件，也是主梁內力傳遞的主要構件之一，其構造形式對結合段力學性能有顯著的影響。為研究剪力釘構造參數對結合段力學性能的影響，胡峰強［23］、藺釗飛［24］、蒲黔輝［25］等從剪力釘直徑和間距以及剪力釘失效方面進行了探討，結果表明，相對直徑22 mm 的剪力釘，直徑增加8 mm，其抗剪強度和剛度分別可提升約42%和35%；剪力釘間距在150 mm 時，結合段內力在各傳力構件間的分配較為合理；進一步增大剪力釘間距，其布置數量及傳力比例逐漸降低，靠近加載端剪力釘一旦屈服失效，易呈現出“多米諾骨牌效應”破壞。

不同于剪力釘的單純抗剪傳力，PBL 剪力鍵通過鋼板、橫向鋼筋和孔內混凝土榫相互作用實現鋼混連接與傳力。PBL 板的開孔直徑和間距、孔洞個數以及橫向鋼筋的配置不僅會影響PBL 剪力鍵自身的承載能力［26］，還影響著結合段整體的力學性能。針對PBL 剪力鍵構造參數對結合段應力的影響，張鵬［16］從開孔板構造、孔洞直徑、開孔位置、焊接形狀等展開了討論，分析表明，孔徑越大、開孔板越厚越長，PBL 剪力鍵承載與傳力能力越強，但應力集中較明顯，且開孔位置距端部越大，應力值就越大。既有橋例調研表明，較合理的PBL 剪力鍵構造：開孔板厚應介于12～30 mm，開孔直徑與板厚之比不應大于0.4，開孔間距不小于2倍的開孔直徑，PBL鋼筋直徑介于12～25 mm，各參數取值應相互協調。此外，為降低結合段內應力集中，提高其承載力與工作性能，“強化兩端，簡化中間，細化邊角”的優化布置方案、剪力釘與PBL 剪力鍵結合使用以及梯形及U 形等新型開孔板PBL剪力鍵值得進一步研究。

3 鋼混結合段力學性能

3.1 鋼混結合段受力性能

為探究結合段中鋼、混構件的受力特性，驗證既有鋼混結合段構造形式的合理性，眾多學者基于模型試驗結合有限元分析的方法模擬結合段在施工及運營中的各種受力狀況，進一步探明其在各種最不利組合荷載工況、超載工況及破壞工況下的應力分布規律與承載能力。

公路橋梁鋼混結合段的研究結果表明［1，27-28］：在最不利荷載組合超載工況下，結合段能夠實現整體受壓，處于彈性受力階段，鋼板無屈服趨勢，鋼混界面無開裂、脫空，黏結完好，滿足結合段設計的基本要求；結合段內鋼、混構件橫向受力均存在明顯的剪力滯效應，因此，應合理增設橫隔板、橫梁及頂板橫向加勁肋等構造措施應對剪力滯效應的不利影響。張景峰［2］、劉凱［15］等采用有限元軟件精細模擬了鋼混結合段的受力特性，認為純鋼格室可有效降低承壓板處應力集中；并認為混凝土梁剛度宜為標準鋼梁的2.0～3.0 倍，以防止運營階段混凝土開裂。相關研究為鐵路橋梁鋼混結合段提供了參考。

2014年，寧波鐵路樞紐甬江特大橋的建成，是混合梁斜拉橋及鋼混結合段在鐵路中的首次應用，依托該橋開展了鐵路大跨度混合梁鋼混結合段力學特性、關鍵構造參數、疲勞受力性能、關鍵連接構造等理論與試驗研究，并取得一系列研究成果［25，29］：結合段全截面模型在1.6～2.0 倍最不利荷載作用下，各測點荷載-應變曲線基本呈線性關系，鋼混界面滑移并不明顯，結構處于彈性工作階段；模型破壞試驗時，過渡段混凝土先于結合段發生受拉破壞；由于寧波鐵路樞紐甬江特大橋結合段各支撐板、加勁肋較多，模型橫向各測點應力分布較均勻，剪力滯效應并不顯著。此后，Yang 等［6］通過縮尺模型試驗驗證了深茂鐵路潭江特大橋鋼混結合段的構造合理性，并指出剪力連接件的受力不均勻性。安九鐵路鳊魚洲長江大橋采用2.0 m 的短結合段，模型試驗結果顯示：在1.6倍最不利荷載作用下結合段仍彈性受力，僅混凝土過渡段出現微裂縫，傳力平穩且高效。不同鋼混結合段研究資料表明結合段受力傳力差異顯著，其構造優化及受力理論研究仍有待進一步發展。

既有研究成果多基于模型試驗和有限元仿真分析探究結合段內各構件的應力分布與傳力特性，從而驗證既有鋼混結合段的承載能力，尚缺乏結合段整體承載能力的計算及理論研究。由于結合段構造復雜，將其整體簡化成單個計算模型較困難，既有研究多為探究結合段內部主要構件的簡化計算及參數討論。文獻［30］規定了結合段內最小承壓板厚度、剪力釘及PBL剪力鍵的最大剪力估算方法，為結合段細部構造設計提供參考。賀邵華［21］基于剛性承壓板及考慮承壓板變形2 種假定探究了結合段內承壓板傳力的簡化計算公式，可用于公路橋梁鋼混結合段初步設計，而是否適用于更復雜的鐵路橋梁鋼混結合段則有待進一步研究。

對于鋼混結合段整體承載能力計算，可參考桁架組合梁抗彎極限承載力計算［31］和鋼筋混凝土梁截面承載力計算方法［32］，假定其整體承載能力可由鋼結構、受壓區混凝土、預應力作用共同承擔，另外考慮到鋼混2 種材料的剛度差異以及兩者因傳力導致的受力不均勻性，還應將各部分計算結果分別乘以傳力不均勻系數偏安全估算。此外，基于鋼混結合段的受力規律，考慮鋼、混構件間傳力分配特性，探討各部分不均勻系數取值規律并研究更為科學的承載能力計算理論方法尤為迫切。

3.2 鋼混結合段剪力連接件受力性能

剪力連接件的主要作用是加強鋼混連接，傳遞主梁剪力。最常用的剪力連接件是剪力釘和PBL剪力鍵，剪力釘應用較早，因其技術成熟、可靠性高而應用廣泛；PBL 剪力鍵同樣廣泛應用于工程實踐，具有抗剪剛度大、承載能力高、破壞前變形大、抗疲勞性好等諸多優點。

3.2.1 剪力釘受力性能

剪力釘力學性能不具方向性，施工方便，有很好的抗分離能力，其極限抗剪能力與其抗拉強度和截面尺寸有關，一般通過推出試驗探究其受力性能和單釘承載能力，相應研究成果已應用于各國規范。但基于推出試驗擬合出的承載能力計算式過于保守，據此設計的剪力釘數目偏多，影響施工的便捷性［33］，為此，張清華等［34］區別推出試驗，采用小試件模擬結構真實受力狀況，基于剪力連接件破壞機理，提出了具有一定物理意義的抗剪極限承載能力Fu統一計算式為

式中：α1和α2分別為混凝土和橫向鋼筋影響系數；β1和β2為回歸系數；μ1和μ2分別為混凝土榫和貫穿鋼筋的破壞類型系數；Fcu和Fsu分別為混凝土和鋼構件所提供的承載力。

對于剪力釘承載能力計算，其破壞形態一般為單剪切面的脆性破壞，此時，Fcu=0，Fsu=(πds24)fy（ds為剪力釘直徑，fy為剪力釘鋼材的屈服強度）。

然而實際鋼混結合段中，剪力釘是群釘設置，受力具有明顯的不均勻性［35］，即剪力釘群在靠近加載端的應力水平較大，遠離加載端應力水平逐漸降低并趨于穩定。為改善群釘受力，不少學者提出組合連接件的構思。黃彩萍等［3］基于推出試驗，探明了“橡膠-剪力釘”組合剪力鍵破壞時較普通剪力釘彎曲長度長、延性大的特點，驗證了組合連接件可以提高承載力、改善受力不均勻的假想，并結合單個普通剪力釘極限承載能力計算式，綜合考慮剪力釘和混凝土的材料特性及組合連接件的構造特點，推導了該組合剪力鍵中單釘極限承載力Fu，r計算式，即

式中：As為剪力釘截面面積；Ec和Es分別混凝土和剪力釘的彈性模量；fc和fu分別為混凝土立方體抗壓強度和剪力釘極限抗拉強度；φ(μ)為相關函數，非線性回歸分析得φ(μ)=3.14-2.5μ2+2.3μ，μ為橡膠和剪力釘的長度比。

此外，在剪力釘抗剪承載力的非線性計算分析中，作為主要參數的抗剪剛度主要基于試驗數據擬合得到，一般取0.2 mm 滑移對應的割線模量［36］，缺乏明確的物理意義，剪力釘群的受力不均勻性量值及其在縱、橫向的分布規律仍有待進一步深入研究。同時，實際鋼混結合段內剪力釘多為彎剪受力，其抗剪承載力與推出試驗的直剪得到的承載力同樣存在一定差異，相應差異同樣有待進一步研究。

3.2.2 PBL剪力鍵受力性能

PBL 剪力鍵開孔板的開孔數目、開孔間距、混凝土強度、橫向鋼筋分布是影響PBL 剪力鍵承載力的關鍵因素［26］。目前，PBL 剪力鍵的承載力計算主要考慮鋼板下部混凝土承壓作用、橫向鋼筋抗滑移作用及孔中混凝土榫的抗剪作用3部分。基于此，Oguejiofor 等［37］推導了PBL 剪力鍵承載能力計算式；Medberry 等［38］在此基礎上考慮鋼混界面的黏結作用線性回歸出新的承載能力計算式；Al-Darzi［39］，Veríssimo［40］等進一步作出了改進；然而實際制作及加載過程中每個試件都存在較大的差異，僅通過推出試驗得到的擬合式仍缺乏普遍推廣意義，楊勇等［41］研究了不同工況下開孔板、PBL鋼筋、混凝土榫等部分對PBL剪力鍵承載力的貢獻，由此推出物理意義明確、精度較高的計算式，不同PBL剪力鍵承載力計算式的匯總見表3。

表3 PBL剪力鍵承載力計算式

既有PBL 剪力鍵的承載能力計算式均考慮了混凝土強度對其承載能力的影響，且強度越大，承載能力越高。因此可采用高強混凝土提升PBL 剪力鍵的承載能力。此外，既有PBL 剪力鍵的承載能力計算式研究多基于線性回歸預測單排PBL 剪力鍵的承載能力，難以反映實際工程中連接件群的實際承載能力及受力不均勻性（外荷載較小時，PBL 剪力鍵不均勻系數達5.0 以上，隨荷載的增大，該系數迅速減小并趨于1.4［42］），相關問題仍值得進一步探究。目前，PBL 剪力鍵與剪力釘同時布置的情況越來越普遍，而兩者的聯合受力特性，尚未有系統的研究資料；相關PBL 剪力鍵與剪力釘聯合抗剪的模型試驗、理論研究及仿真分析計算等均有待進一步深入研究。

3.3 鋼混結合段傳力機理

鋼混結合段的主要作用是確保鋼梁內力平穩、均順地傳遞給混凝土梁，避免產生局部應力集中以確保橋梁整體結構的耐久性。通過對國內外混合梁斜拉橋鋼混結合段傳力機理相關研究［42-44］的調研，總結出結合段主梁內力主要通過承壓板承壓、剪力連接件傳剪、鋼混界面黏結力傳剪等方式傳遞給混凝土梁，其主要傳力路徑可總結為4條，如圖3所示。其中，承壓板直接承壓是最主要的傳力途徑，一般傳遞約30%～50%的內力；延伸至混凝土梁內的鋼頂底板內側布設的剪力釘及PBL 剪力鍵以傳剪的形式傳遞部分內力給混凝土梁；通過鋼混界面黏結傳遞的內力相對較少，通常僅作安全儲備考慮，但鋼和混凝土之間的連接密實性是影響結合段力學性能的關鍵［7］，因此，需要保證結合段混凝土施工澆筑質量，必要時可采用收縮補償或微膨脹混凝土加強鋼混黏結。

圖3 鋼混結合段傳力路徑

為進一步探討鋼混結合段不同構件傳力的特性，在各橫截面對各構件縱橋向應力進行積分得到不同構件承擔的軸力，進而求得同一截面不同構件的傳力比例。圖4為安九鐵路鳊魚洲長江大橋鋼混結合段各鋼構件傳力分析結果［7］。由圖4可見：在鋼梁過渡段起始截面，頂底板、加勁肋、腹板及腹板肋分別傳遞約49.1%，20.7%，17.0%和6.5%的內力；在承壓板截面處，各鋼構件的傳力比例因承壓板傳遞至混凝土而顯著降低，并在鋼混結合段內進一步降低；不同鋼構件在縱橋向的傳力變化也各不相同，表現出明顯的傳力不均勻性。

圖4 安九鐵路鳊魚洲大橋結合段鋼構件傳力情況

由鋼混結合段的傳力特性分析可知，承壓板與剪力連接件是結合段內力傳遞的主要構件，探究結合段內力傳遞過程中不同構件分擔的內力比可為結合段優化設計提供科學依據，有學者基于剛性承壓板假設及考慮承壓板變形分別推出了結合段內鋼、混凝土所分擔的彎矩和軸力［21］。但結合段實際傳力是其在外荷載作用下鋼構件、混凝土及剪力連接件三者剛度與變形的協調過程，共同決定著結合段整體的傳力特性，據此，可通過精細化的仿真分析及模型試驗進一步探索結合段實際傳力情況，為結合段構造優化提供依據。

3.4 鋼混結合段疲勞性能

鐵路大跨度鋼混結合段在外荷載反復作用下，其疲勞問題同樣值得關注，包括鋼混結合段內鋼構件、剪力連接件、混凝土構件以及鋼混連接界面的疲勞。鋼混結合段內鋼結構焊縫眾多，焊接殘余應力和初始缺陷廣泛存在，與此同時，鋼構件通常布設剪力釘或開孔為PBL板，局部應力集中情況顯著，容易萌生疲勞裂縫。鋼混界面的疲勞脫離嚴重降低鋼混結合段的整體受力性能，混凝土構件的疲勞問題雖不顯著，但容易出現開裂，影響耐久性。鐵路橋梁列車荷載所占比重大、集度高，疲勞問題較公路橋梁更為突出，且鐵路行車的車橋耦合振動效應明顯［45］，會對鋼混結合段處加勁肋及預應力錨固位置的疲勞破壞產生影響。此外，橋梁跨度的增大使得主梁活載彎矩不斷增大（主跨256 m 的深茂鐵路潭江特大橋、468 m 的寧波鐵路樞紐甬江特大橋和672 m 的安九鐵路鳊魚洲長江大橋的列車活載彎矩分別為58 572，79 101和144 128 kN·m［6，19，46］，而3 座橋的梁高接近），加劇了大跨度鐵路鋼混結合段的疲勞受力。

目前，鋼混結合段內鋼結構的疲勞可借鑒常規鋼結構的疲勞分析［47］：①基于S-N曲線進行評估；②基于金屬斷裂力學的疲勞開裂評估；③基于模型試驗及仿真分析的疲勞評估。工程中常基于S-N曲線結合Miner 線性累積損傷準則分析結構的疲勞損傷度，并進一步評估其疲勞壽命。周陽［4］、Shi［5］等基于寧波鐵路樞紐甬江特大橋鋼混結合段足尺模型疲勞試驗研究表明，在等效的200 萬次疲勞加載后，模型整體應力水平較低且隨疲勞變化不大，反映其疲勞受力性能良好，并根據Miner 準則推算其最小疲勞壽命約167.5 a；在進行追加100 萬次疲勞加載后，發現鋼頂板及承壓板處剪力釘根部應力水平較高，焊縫處疲勞裂縫開始發展，表明結合段鋼頂板及承壓板附近是疲勞敏感區。

由于國內鋼混結合段在鐵路橋梁的應用年限僅10 余年，工程實際疲勞問題尚未經過驗證，但隨著橋梁跨度不斷增大，鐵路橋梁活載彎矩大、動力效應明顯等特點加劇了鋼混結合段疲勞問題的發展。目前，對鐵路鋼混結合段疲勞性能的研究甚少，鋼混結合段內鋼結構的疲勞性能及其受周圍混凝土的影響規律尚未探明，鋼混界面的疲勞脫離失效及剪力連接件的疲勞尚未深入研究，混凝土構件疲勞開裂、擴展及破損規律同樣有待于進一步研究。

4 結 語

混合梁鋼混結合段隨著鐵路大跨度斜拉橋的發展而發展，其結構構造、受力特性、傳力機理及疲勞特性的研究同樣不斷發展。

隨著橋梁跨徑的不斷增大，鋼混結合段較多采用剪壓式構造。鐵路橋梁鋼混結合段因傳力大而相對較長且構造復雜，但其發展的趨勢是長度縮短、構造簡化、整體構造進一步優化，其位置布置更為靈活。從結合段構造參數看，結合段長度在1.5～3.0 m 之間對主梁受力及傳力規律影響并不顯著，均滿足結合段傳力勻順要求。承壓板厚度宜介于40～70 mm，在承壓板的混凝土側增設加勁肋（同為PBL 板）提高剛度進而提升傳力性能是其發展趨勢。剪力釘間距宜在150 mm 左右，剪力釘與PBL 剪力鍵結合使用以及選用梯形等新型PBL 剪力鍵是發展趨勢。

基于模型試驗及仿真分析是目前鋼混結合段受力研究與評估的主要方法。基于結合段受力規律、鋼混構件間傳力分配特性，研究考慮傳力不均勻性的鋼混結合段整體承載能力計算理論與簡化計算式是結構研究的重要發展方向之一，其成果可為結合段的設計、驗算提供有效參考。剪力釘群受力的不均勻性及其在縱橫向分布規律、剪力釘與PBL 剪力鍵結合使用下的抗剪理論及計算分析方法、結合段中鋼混各構件的傳力比等鋼混結合段抗剪傳力理論，以及鐵路大跨度橋梁鋼混結合段中鋼結構、鋼混界面、剪力連接件及混凝土的疲勞破壞機理、疲勞細節特征、鋼混結合段結構參數對疲勞性能的影響規律等是今后研究的重點。