钢混结合段在桥梁中的应用及关键点分析

刘坚

（上海市政工程设计研究总院（集团）第六设计院有限公司，合肥230031）

1 引言

随着交通基础设施建设的发展，桥梁的跨径逐渐增大，桥梁的造型向美观发展，桥梁的结构逐渐轻质化；在这些趋势下，传统的混凝土结构在很多时候已经不能满足设计的要求[1]。本文以钢混组合结构在各类型桥梁工程中的应用为切入点，介绍钢混组合桥梁的发展及应用，对钢混组合桥梁的关键点——钢混结合段进行理论分析，研究组合结构的传力机理，并对钢混结合段的设计提出建议。

2 钢混组合结构的应用及关键技术

2.1 钢混组合结构在各类桥梁中的应用

2.1.1 在斜拉桥中的应用

主梁采用组合结构的斜拉桥，称之为混合斜拉桥，主跨采用轻质的钢箱梁、边跨采用钢筋混凝土结构，并且进行配重以增大边跨的刚度。建于1972 年的Kurt Schumacher Bridge 是世界上第一座采用组合结构的斜拉桥，该桥为公铁两用桥梁，钢混的结合段设置在桥塔位置，通过剪力连接构件和预应力钢筋将钢箱梁和钢筋混凝土段连接。其后，西德对其进行改进，主跨采用2 根纵向钢梁，并使用正交异性钢桥面板；法国建设的Normandy Bride 将钢混组合桥梁的跨径推到近千米级；日本在这方面起步较早，其代表作为多多罗大桥[2]。

我国相对起步较晚，首座钢混斜拉桥——徐浦大桥建成于1996 年，主跨为590m；2001 年通车的桃天门大桥，主跨为580m；2010 年建成的鄂东长江大桥，主跨为926m。

2.1.2 在连续刚构桥中的应用

连续混凝土桥梁由于自重较大，其跨径的增长较斜拉桥和悬索桥相对缓慢，如虎门大桥的主跨为270m，其后所建连续混凝土桥梁跨径基本维持在这一水平，停滞不前。在虎门大桥，由自重产生的内力占总内力的92%，因而在混凝土结构桥梁设计中，如何降低自重成为提高跨径的关键点。重庆的石板坡长江大桥，创造性地使用混合梁，将跨径提高到330m，钢混结合部采用有格室-后承压板进行钢混连接。其后的瓯江大桥的钢混结合部在此基础上，利用PBL 剪力板、预应力钢筋连接[3]。

2.1.3 在自锚式悬索桥中的应用

自锚式悬索桥与地锚式悬索桥的区别是主缆锚固的位置，自锚式是锚固在加劲梁的两端，由加劲梁承担锚固点的荷载，并且形成自平衡受力体系，增大跨径，加劲梁的尺寸也随之增加。平胜大桥为世界上首座钢混组合结构的悬索桥，加劲梁为钢混组合结构，主跨为钢箱梁，边跨为钢筋混凝土结构，钢混2 部分通过渗入混凝土内部的开孔底板和腹板连接。该种形式的桥梁可降低主跨的自重，减少主缆的受力，增大跨径。

2.1.4 在桥塔中的应用

斜拉桥和悬索桥的桥塔多为钢结构或者混凝土结构。钢结构自重小、抗震性能强、施工速度快、锚固构造简单、钢材可以重复利用，但其施工精度较高、抗腐蚀性差、造价相对较高；而混凝土结构的桥塔刚度大、技术成熟、耐腐蚀高，但抗震性能差。

2.2 钢混组合结构的关键技术

钢混组合结构设计的关键点在于如何实现刚度的平顺过渡，力可以均匀传递，避免在结合段出现刚度突变和应力集中，确保结构的稳定和安全。钢混结合段构造不同、尺寸不同都会影响钢材与混凝土之间的内力分担比重，因而研究其在结合段的传力机理、构造设计对设计工作具有重要意义。另一方面，钢材与混凝土的刚度相差较大，采取何种措施实现钢材与混凝土刚度的平顺对接，避免刚度突变，也是设计的关键和难点。

3 钢混结合段传力机理分析

钢混结合段内力的传递与扩散主要是利用承压板、剪力键以及钢混之间的锚固黏结。钢材与混凝土能协调工作，主要是利用二者之间的锚固黏结来实现，根据形式，可以分为机械咬合作用和套箍作用。剪力键是确保2 种材料可以共同受力的关键构造，其不仅要抵抗钢混界面上的剪力，防止相对位移的出现，还需要抵抗混凝土钢结构间的掀起作用。

钢混组合结构结合段主要有3 种力的作用，即轴向压力、轴向拉力以及剪力。钢混组合结构轴向压力的传力原理是利用钢结构的加劲肋、加劲筋等，通过过渡构件将力进行分散，通过承压板、PBL 剪力键或者钢材与混凝土之间的锚固黏结作用传递到内部的混凝土结构中。其中承压板由于和混凝土紧贴，对于轴力的传递最为直接，如图1 所示。当外荷载接近混凝土承载力极限的时候，混凝土与钢材发生相对滑移，锚固黏结传力的贡献比将降低，所以，在一般情况下不考虑钢混之间的锚固黏结作用。

图1 轴力传递机理

结合段的轴向拉力传递主要是利用预应力钢筋、剪力键以及钢混界面的锚固黏结。在设计过程中，只考虑预应力钢筋的预应力和剪力键的机械锚固作用，钢混界面的锚固黏结仅作为安全储备。为使结合部处于全截面受压的状态，钢混结合部位置应设置在轴压较大而轴拉较小的位置，可以以预应力平衡拉应力。结合段的剪力则是通过剪力钉进行传递，如图2所示。通过以上分析，可以总结出结合部传力的机制是：钢梁的作用力通过钢箱梁的刚度过渡段传递到钢混结合段，依靠混凝土的刚度过渡段传递到混凝土标准段中。

图2 剪力钉传力示意图

4 钢混结合段设计关键点分析

4.1 结合段位置选择

根据上文的分析，结合段是刚度转换和受力传递的关键部位，因而在确定结合部的位置时，应综合考虑结构的受力特征、施工的工艺及造价。从结构受力的角度看，结合部应设在弯矩和剪力较小的部位，避免设在应力正负转换的部位，如反弯点等部位；从工艺的角度，结合部宜设置在可以利用边跨施工架设或者墩柱施工架设的区段；从造价的角度看，延长混凝土段，减少钢加固段以降低造价。

4.2 剪力连接件的设计

以钢混组合连续刚构桥梁为例，介绍剪力连接件的设计。在钢混结合段，需要确保钢材与混凝土之间的连接，不能发生剥离，因此，需要采取在箱梁格室的钢板以及承压板上开孔、设置剪力钉等措施。剪力钉的受力不具有方向性，因此在设计中无需考虑其方向，但其承载力较低，易产生疲劳破坏，而且还会影响钢筋的布置，因此，在设置剪力钉时需要进行合理规划。开孔板的受力具有方向性，因此，布置开孔板时需要沿着受力方向布置，其抗疲劳性、承载力均高于剪力钉。

在钢混结合部设计时，必须确保钢材与混凝土的连接可靠，使得内力和变形可以传递协调。结合段两侧的结构重心位置应保持一致，避免产生附加弯矩，同时结合段应设置预应力钢筋抵消轴向拉力。在设计时应对以往的工程进行分析，选择合理的构造设计，使得刚度的转换和受力的传递都可以平顺过渡到混凝土主梁中。

5 结语

本文通过钢混组合桥梁钢混结合段的研究得出以下结论：（1）钢混组合结构可以降低桥梁的自重，提高跨径，提升桥梁的美感，并具有结构上的优越性，而钢混组合结构设计的关键是通过结合部实现受力和刚度的平顺过渡；（2）钢混结合段的位置应综合考虑结构的受力、施工的工艺以及造价等来进行确定，同时，在结合部必须确保连接件的可靠，使得内力和变形可以传递。