赤峰银河大桥主塔钢混结合段设计

刘高俊

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

0 引言

21世纪以来，桥梁的景观越来越受到人们的重视，各类造型优美的特色桥梁逐渐成为各个城市的新地标，高耸的桥塔和凸起的拱肋成为桥梁新的设计语言。钢混结合体系的桥塔因其能充分发挥钢和混凝土两种材料的性能，在中小跨径斜拉桥中得到了广泛的应用。钢混结合桥塔具有诸多优势[1]，但其构造复杂，两种材料接触面的力学传递方式多样，选择安全、可靠、经济、美观的钢混结合方式是这类桥梁设计的重点和难点。

本文详述了赤峰银河大桥主塔钢混结合段设计过程，为同类中小跨径斜拉桥塔柱钢混结合段设计提供参考。

1 项目概况

银河大桥位于赤峰市桥北大街跨阴河位置处，是连接松山区和红山区的重要节点。桥梁全长295.02 m，跨径布置为[2×40+（37+17+37）+3×40]m，横向左、右分幅设置，单幅桥全宽21.5 m，中间设置3 m宽分隔带，全宽46 m。为降低梁高，主桥采用预应力混凝土现浇箱梁配合桥塔受力的结构形式，桥塔为敞开式异形不对称环形塔，呈月亮造型，桥面以上塔高60 m。塔脚部分采用混凝土结构，塔身采用钢结构，如图1、图2所示。

图1 银河大桥效果图

图2 主塔立面示意图（单位：m）

2 钢混结合段构造形式选择

2.1 常见钢混连接形式

钢塔与混凝土塔脚结合段一般参照混合梁结合部的方式进行处理，混合梁结合部分为有格室结合和无格室结合两类。其中有格室结合又分为前后承压板形式和后承压板形式两种，无格室结合一般分为后承压板和底板与后承压板组合两种形式，如图3所示。

对这几种方式进行比较[2]，可以发现：

（1）有格室前后承压板的连接方式通过格室顶底板的连接件及前后承压板来传递轴力及弯矩，通过承压板上的连接件传递剪力及扭矩。这种方式混凝土箱梁内部的配筋和浇筑易于施工，混凝土质量能够得到保证，轴力由前后板及格室中的连接件承担，承压板附近的应力集中小，钢梁容易制作。但这种方式格室中需要填充砂浆，后承压板附近刚度变化较大。

（2）有格室后承压板的连接方式通过格室顶底板的连接件及后承压板来传递轴力及弯矩，通过格室腹板及腹板上的连接件传递剪力及扭矩。由于设置了纵向加劲肋，这种方式刚度变化较小，从纵向加劲肋向钢梁U肋传力顺畅，在混凝土横梁处应力得到缓和，格室中的应力均匀，承压板附近的应力集中较小。这种方式的缺点是钢梁焊接性能差，混凝土需竖立浇筑，结合部的配筋和混凝土浇筑施工困难。

（3）无格室后承压板的连接方式的轴力和弯矩是通过后承压板传递，剪力及扭矩通过承压板与混凝土的摩擦以及底部的U形钢筋承担。这种方式通过调整加劲肋的布置可减小承压板附近的应力集中，混凝土箱梁部分的配筋、浇筑施工容易，结合部混凝土浇筑质量易保证，钢梁制作较为容易。由于该种方式的传递主要集中在承压板处，承压板附近刚度变化较大，应力集中现象较为明显。

（4）无格室底板与后承压板组合方式通过后承压板以及伸入箱梁钢底板上的连接件传递轴力和弯矩，通过承压板上的连接件传递剪力及扭矩。这种方式通过调整加劲肋的布置可以有效减小刚度变化的幅度，混凝土箱室内部的配筋和浇筑施工容易，混凝土浇筑质量易保证，相比无格室后承压板的连接方式，钢梁易制作，承压板附近的应力集中也小。但这种方式仍然存在一定的应力集中现象，且承压板附近的刚度变化较大。

图3 混合梁结合部处理方式（单位：cm）

2.2 塔脚钢混连接段受力特点

该桥的桥塔受力与常规斜拉桥不同，一般斜拉桥由于横桥向拉索布置对称，顺桥向弯矩远远小于横桥向弯矩，塔脚受力以横桥向弯矩为主。该桥的竖向荷载主要由主梁承受，主塔和拉索只提供较小的辅助力，桥塔横桥向弯矩数值小于常规斜拉桥，且因为景观要求，拉索的下吊点均设置在桥梁中间分隔带处，在风等侧向荷载作用下，桥塔的顺桥向弯矩比较突出。在选择钢混结合段构造形式时，需要综合考虑这两个方向的弯矩以及剪力和扭矩。桥塔结合部受力见表1。

2.3 结合段构造形式选择

斜拉桥塔脚的钢混结合部需要连接的是混凝土的塔脚和钢结构的主塔，两种结构的刚度对结合部的受力有很大的影响[3]。两种结构刚度差异明显，有格室前后承压板、无格室后承压板和无格室底板与后承压板组合这三种方式，因为在承压板处刚度变化大，不适合在塔脚这种刚度变化明显的结构形式中采用，因此选择有格室后承压板作为桥塔的钢混连接方式。塔柱受横桥向和顺桥向两个方向的弯矩，因此在塔的四边均设置格室，格室之间设置结合部钢横隔板，并将其与结合部混凝土横梁采用焊钉连接件结合，使过渡段混凝土及横梁混凝土处于多向约束状态，改善了混凝土梁加强过渡段的受力性能，在后承压板上对拉预应力钢束，使得结合部混凝土处于受压状态。构造方式如图4所示。

表1 桥塔钢混结合部受力表

图4 钢塔结合段构造图（单位：mm）

3 钢混结合段传力机理分析

钢混结合段受轴力、横桥向弯矩、顺桥向弯矩、扭矩、剪力的综合作用，桥塔结构的计算需要综合考虑这些力值的传递。钢梁截面的轴力和弯矩通过钢格室后承压板及抗剪连接件传至混凝土梁，剪力和扭矩通过承压板及格室上的焊钉连接件传至混凝土梁。

设计时偏保守考虑，格室上的焊钉承受轴力、弯矩和扭矩。由于剪力很小，假定均由横隔板上的焊钉承担。

4 钢混结合段连接键受力计算

桥塔结合段的连接键为圆柱头焊钉和预应力钢束，对其进行受力分析。

4.1 单个圆柱头焊钉的承载力计算

由于目前《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)（以下简称《钢结构规范》）和《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）（以下简称《组合规范》）中均有关于圆柱头焊钉（即剪力钉）的计算方式，且两者略有不同。该桥设计采用两种方式共同计算。

根据结合部截面的尺寸，焊钉规格选用19 mm×150 mm，根据《钢结构规范》第11.4.4条计算出的单个焊钉承载力为79.39 kN，根据《组合规范》第7.2.1条计算出的单个焊钉承载力为75.77 kN，设计时偏保守考虑，取两个规范的较小数值75.77 kN作为单个焊钉承载力。该数值已经考虑了焊钉的群钉效应影响，可以直接用于承载力验算[4]。

4.2 格室焊钉计算

格室的焊钉受到轴力、弯矩和扭矩的共同作用，根据格室截面的尺寸对力值进行分解，可以将力值转化为各个格室中焊钉所受的剪力。各个格室分解后焊钉受力见表2。

表2 格室内焊钉受力汇总表

4.3 结合部横隔板焊钉计算

由于结合部所受的两个方向的剪力数值均不大，偏保守考虑均由横隔板焊钉来承受，结合部焊钉布置间距为150 mm×150 mm，共布置有80个焊钉，每个焊钉受力为62 kN，安全系数为1.2。

4.4 预应力钢束布置及验算

由力值分解可知，各个格室所受的最大和最小轴力见表3。

由表可知，顶部格室处于受拉状态，配置与其最大拉力一致的预应力，使其处于受压状态下工作。底部格室一直处于受压状态，不需要配置预应力。两侧格室处于拉压交替阶段，施加与最大拉力一致的预应力，使其处于受压状态下工作。

表3 各格室轴力分解表 kN

4.5 格室混凝土截面抗压验算

各格室内的混凝土受外部荷载和预应力钢束的作用，需要验算其抗压承载力。验算结果见表4。

表4 各格室混凝土抗压验算表

5 结语

（1）有格室后承压板形式能够利用格室之间设置的钢横隔板，将其与结合部混凝土横梁采用焊钉连接件结合，使过渡段混凝土及横梁混凝土处于多向约束状态，改善了混凝土梁加强过渡段的受力性能，与几种常用的钢混结合形式比较，在刚度变化较大的结构中适用性更好。

（2）连接段各个格室受轴力、横桥向弯矩、顺桥向弯矩、扭矩、剪力的综合作用，在设计时可以将各个力值分解到各个格室，通过验算焊钉的剪力来保证结构的安全。

（3）《钢结构规范》和《组合规范》中单个圆柱头焊钉的承载能力计算公式略有不同，设计时可以取两者的较小值控制。