大跨长联空腹式钢-混混合梁连续梁桥技术探讨

张晓光，宋尧2

（1.中交二航局第二工程有限公司，重庆 401121；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056）

1 多跨长联变截面连续梁概述

多跨长联变截面连续梁各跨主梁造型上采用相似的曲线，呈现出跳跃的跨越感。而在结构上，多跨连续梁桥具有刚度大、变形小、行车舒适、养护简单、伸缩缝少、经济性好的特点。但多跨连续梁桥由于跨数多，活动支座、伸缩缝构造复杂，主梁在受到混凝土收缩徐变以及温度变化等的影响时会产生较大的纵向位移，这些问题制约了多跨长联连续梁桥的应用。而随着近年大位移支座和大变形量伸缩装置的研发应用，且梁桥计算水平的提高，多跨长联连续梁桥开始得到广泛应用，使多跨长联连续梁成为竞争力较强的一种桥型。而由于某些原因限制，如通航孔径、限高及景观需求等，多跨连续梁桥主跨跨径需超过其常规跨径。文章以在建的福州市马尾大桥为背景，从总体设计、空腹汇合段设计、钢混结合段设计及大型抗震支座设计等方面对大跨长联空腹式钢-混混合梁连续梁桥进行了一些探讨研究。

2 工程概况

马尾大桥及其接线工程位于福建省福州市，是连接马尾新城与仓山、城门片区重要的跨江通道。马尾大桥跨江段桥梁工程桥型为空腹式变截面连续梁桥，全长1684m，全桥共分2联，左右分幅，单幅桥宽20.25m。主桥跨径布置为（71+83+123.5+240+123.5+83+71）=795m，主跨240m，为国内最大跨度连续梁桥。其中，主桥主跨跨中96m采用钢箱梁，其余部位均为混凝土结构。

3 若干技术问题的研究

3.1 总体设计

马尾大桥主跨由于通航及景观需求，采用240m变截面连续梁结构。主跨主梁结构形式总体上考虑了如下两种措施。

①主墩支点处采用空腹式V型变高度梁。

综合考量结构受力及桥梁景观等因素，马尾大桥主墩处梁截面高度定为20m。主墩支点处采用空腹式V型变高度梁，既提高了支点处梁高度，同时也减轻了上部结构重量，提高了跨越能力。设计中通过设置斜腿的方法理论上减少了主桥的计算跨径，但受到施工等多方面的影响，实际规模相当于200m左右的预应力混凝土连续梁桥。

②在主跨跨中一定范围或主跨全部采用钢结构。

主桥主体采用预应力混凝土变截面连续梁，但在主跨跨中一定范围内采用钢结构的钢混组合结构时，能降低梁高、减少恒重、增大跨度和减短工期。

部分或全部采用钢结构时各有优缺点。在主跨跨中一定范围内采用钢结构的钢混组合结构能充分发挥各自材料的优缺点，能一定程度上降低梁高、减少恒重、增大跨度和减短工期，造价相对经济，但钢混结合段构造复杂，结合点刚度变化大，有变形不协调性；而采用全钢结构能进一步降低梁高、减少恒重、增大跨度和减短工期，但费用高，根部腹板高度大，腹板局部稳定性问题较突出，马尾大桥根部高度要求高达20m，即使采取V型空腹式结构后，梁、腿结合处高度也达11.5m，同时钢斜腿的受力和钢板稳定性问题也比较突出。经综合比选后，主跨采用了240m钢混组合变截面连续箱梁。

采用钢混组合变截面连续箱梁时，跨中钢箱梁越长，主墩支点处负弯矩越小，结构受力更为有利。但钢箱梁的造价远高于混凝土梁，如果仅考虑钢箱梁的造价，理论上可估算出钢箱梁节段的最合理长度。而另一方面，确定钢箱梁长度另一个必须考虑的因素是施工条件。钢箱梁在工厂制造完成后，将通过水运被牵引至桥位处，整体提升至桥面。这些因素也制约了钢箱梁节段长度。综合考量，马尾大桥主桥主跨跨中96m采用钢箱梁结构，其中包括90m的钢箱梁及两端各3m钢混结合段。

3.2 空腹汇合段设计

空腹段上、下弦汇合段是空腹式连续梁桥设计的一个重点，若下弦斜腿与上弦主梁梁体汇合处设计不合理，则会导致其受力路径不明确，易出现复杂的高应力区，使构造不能满足安全要求。宗昕等[1]比较了2种不同隔板设置形式，分别为格构式（见图1）和V叉挑板式（见图2），经过计算分析最后选定了V叉挑板式。马尾大桥汇合段设计延续了北盘江空腹式刚构桥汇合段设计。马尾大桥设计过程，在V叉挑板式构造上又提出了一种比选方案，即在交汇点区域增设横梁，但局部计算结果表明，该构造应力水平及经济性均较差，这也进一步验证了V叉挑板式构造的合理性。

图1 格构式

图2 V叉挑板式

3.3 钢混结合部设计

根据相关研究成果，马尾大桥采用一种设置复合连接件的改进性有格室钢-混凝土混合梁结合部构造形式（见图3），其在钢箱梁端部设置填充混凝土的钢格室结构，在钢格室与混凝土相贴的顶板、底板和承压板设置焊钉连接件，在钢格室隔板上采用设置开孔板连接件，并与混凝土梁浇筑成一体。该构造形式由于格室隔板设置了刚度和承载力均较焊钉连接件强得多的PBL连接件，使格室隔板传力比例明显提高；同时在格室内设置的焊钉连接件，减小钢与混凝土之间可能由于混凝土浇注不密实引起的脱空而带来的不利影响，增加了结构的安全储备。

图3 钢混结合段构造图

3.4 大型抗震支座设计

主桥主跨为240m钢-混混合梁连续梁桥，采用墩顶设支座的连续梁体系，通过计算，半幅主墩墩顶反力合计24000t，横桥向采用双支点，单支座支承反力需要13000t，属于大吨位支座。马尾大桥桥址位于7度抗震设防区，在主体结构形式已基本确定的情况，结构最有效的抗震设计措施就是设置有效的减隔震支座。结合目前已有的桥梁减隔震设计研究成果，本桥采用合理设置摩擦摆球形减隔震支座的形式。摩擦摆球形减隔震支座利用单摆原理，不仅能有效延长结构周期，降低地震响应，还可通过自身的摩擦耗散地震能量，进一步降低结构地震响应。

为适应温度变形及混凝土收缩徐变的影响，各联桥设制动墩一个，如采用抗震体系（不设减隔震措施），在地震荷载作用下，制动墩将独自承担地震荷载，制动墩墩身内力突出。而采用隔震体系（如设减隔震支座）时，通过减弱制动墩对主梁的约束有效低降低制动墩墩顶分担的有效主梁质量，从而显著降低制动墩的地震反应，结构体系也由制动墩单独抗震体系转变为多墩协同抗震，降低了制动墩的地震内力。

考虑到支座规模及更换难度，主墩支座采用与主体结构同寿命设计基准期。现行规范采用两阶段设防的抗震设计理念，针对两阶段设防不同的地震作用，马尾大桥除了设置了摩擦摆支座外，还在靠近制动墩的临近墩上设置速度锁定装置。即E1地震通过靠近制动墩的临近墩上的速度锁定器实现桥梁结构内力重分配，靠结构自身承受地震效应，E2地震则通过摩擦摆支座耗能、隔震达到减隔震目标。与采取单一的某种抗震措施相比，其在不同等级地震作用下均有对应的抗震装置投入工作，适应性更强，不仅符合两阶段设防的抗震设计理念，也更有利于实现大吨位支座实现与主体结构同寿命设计基准期设计[2]。

马尾大桥通过合理设置摩擦摆支座和速度锁定器既能保证正常使用状态的结构变形，又能在地震作用下，有效减隔震和多墩共同承担地震荷载力，降低地震内力，实现大吨位支座与主体结构同寿命设计基准期，确保结构安全。经过上述一系列参数优化，设计约束体系使主墩内力减少50%，主梁位移减少61%，整个结构受力机制更加合理。

4 结语

综上所述，马尾大桥主跨240m的大跨空腹式钢-混混合梁连续梁桥在国内尚属首次实施，文章结合马尾大桥的设计过程，从总体设计、空腹汇合段设计、钢混结合段设计及大型抗震支座设计等方面对大跨空腹式钢-混混合梁连续梁桥设计关键点进行了探讨，为同类型结构的设计提供了参考。