大跨混合梁连续刚构桥设计要点研究

甄玉杰，王鹏洲

(中建三局集团有限公司西北公司，西安 710065)

预应力混凝土梁式桥随着跨径的增大，梁高需相应增加，且箱梁底板、腹板也变得更厚[1-2]，这不仅增加了箱梁自重，还增加了施工工期。钢-混凝土混合梁连续刚构桥很好地解决了这一问题，跨中采用钢箱梁不仅降低了支点梁高，还减轻了结构自重，降低了主梁下挠风险[3]，且会大大缩短施工周期。目前国内已建成的混合梁连续刚构桥有重庆石板坡长江大桥复线桥(主跨330 m，中跨钢箱梁长108 m)、中山小榄水道特大桥(主跨220 m，中跨钢箱梁长87 m)、温州瓯越大桥(主跨200 m，中跨钢箱梁长84 m)等[4-5]。

某主跨300 m混合梁连续刚构桥，跨径布置为(135+300+135)m，中跨钢箱梁长108 m，桥梁总体布置如图1所示。本桥跨径及规模均远超中山小榄水道特大桥和温州瓯越大桥，技术更为复杂，与重庆石板坡长江大桥复线桥相比，本桥加强了体外预应力设计，进一步降低了主梁下挠风险。

1 混凝土主梁设计

本桥主梁采用标准箱型断面[6-7]，单箱单室直腹板截面，箱梁顶板宽16.25 m，底板宽7.65 m，悬臂长4.2 m。根部梁高15 m，跨中梁高4.5 m，梁高按2次抛物线规律变化。箱内顶板最小厚度0.3 m，腹板Tw厚度为0.5 m～0.9 m。底板Tb厚度为0.5 m～1.376 m，按1.5次抛物线规律变化。混凝土主梁断面如图2所示。主梁采用纵、横、竖三向预应力混凝土结构。纵向预应力包含顶板束、腹板下弯束、边跨底板及顶板合龙束。与一般连续刚构桥相比，混合梁刚构桥未设置中跨底板及顶板合龙束。为保证钢-混凝土结合段与混凝土梁段的良好结合，钢-混结合段内需单独设置顶板、腹板和底板钢束。

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2 钢箱梁设计

钢箱梁单幅宽16.25 m，底板宽度7.65 m，跨中103 m 范围梁高在铅垂方向按2次抛物线变化，钢箱梁梁高范围4.535 m～5.869 m。钢箱梁断面如图3所示。

顶板厚度在顺桥向除在钢-混凝土结合段附近刚度过渡段采用26 mm外，其余梁段均采用16 mm等厚度钢板[8]。顶板采用U肋加劲，间距600 mm，厚度为8 mm。在刚度过渡段，顶板设置变高度T形加劲和等高度扁钢加劲，以使其刚度从混凝土段进行过渡。

底板在顺桥向不同区段采用了24 mm、20 mm板厚。底板加劲肋统一采用规格为200 mm×20 mm的板肋，横向间距600 mm。腹板在顺桥向不同区段采用了24 mm、20 mm、16 mm板厚，腹板内侧保持平齐。腹板加劲肋规格为160 mm×16 mm，竖向间距600 mm。

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3 钢-混结合段设计

3.1 钢-混结合段总体设计

钢-混结合段起到顺畅可靠传递各种荷载产生的轴力、弯矩、扭矩和剪力的作用。在轴力、弯矩和剪力的作用下，钢-混凝土接头处将产生轴向压应力、拉应力和剪应力。压应力由承压板及 PBL剪力键共同传递，拉应力、剪应力主要由PBL剪力键传递[9]。

钢-混结合段设计应考虑刚度和传力的过渡，在荷载作用下有一定的承载能力安全储备，刚度过渡良好，耐久性好，抗疲劳性能好。综合考虑各项因素，本桥结合段采用有格室的后承压板形式，实际长度5 m，如图4所示。

结合段将钢箱梁端部的顶、底板和腹板做成双壁板，在双壁板内部设 PBL 剪力板和 L 剪力钉，形成钢格室。在钢格室内填充混凝土，通过两端分别锚固于钢箱梁刚度过渡区和混凝土梁横隔梁上的预应力短束使钢箱梁与混凝土箱梁紧密结合。

3.2 钢混结合段钢格室设计

钢格室顺桥向长度1.5 m，钢-混结合段顶板钢格室上板厚 26 mm，下板厚 25 mm；底板钢格室上板厚25 mm，下板厚24 mm；钢格室腹板开有直径 80 mm 圆孔，并穿过横向预应力钢束，开有直径 70 mm 圆孔并穿过Φ20 mm HRB400 钢筋与进入该圆孔的混凝土包裹在一起形成 PBL 剪力键。腹板钢格室外侧板厚 28 mm，内侧板厚 25 mm，在腹板内侧焊接竖向宽度为 225 mm 的 PBL 剪力板，板上开有直径 70 mm 圆孔并穿过Φ20 mm HRB400 钢筋与进入该圆孔的混凝土包裹在一起形成 PBL 剪力键，如图5所示。

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3.3 钢-混结合段施工工艺

1) 在先行端钢-混结合段接口校对调整对接位置，在满足要求后，在顶、底、腹板上的加劲肋和纵隔板上采用高强螺栓进行连接；2) 在后行端钢-混结合段接口，则作为合龙时的调节口，顶、底、腹板各预留500 mm作为嵌补段(钢-混接头250 mm、钢箱梁250 mm)；3) 顶、底板上的肋板及纵隔板上在接缝处预留 40 mm左右缝隙，采用高强度螺栓连接；4)待钢箱梁准确定位后，在合龙位置将高强螺栓拧紧，再进行两端接口的顶、底、腹板及嵌补段焊接。

考虑到施工和制造中会出现几何尺寸的精度误差，以及混凝土梁收缩徐变和钢箱梁随温度的伸缩给合龙带来的困难，设计对两端接口按照不同的连接方式选择一端为先行端，另一端为后行端。先行端和后行端的选择应考虑钢箱梁的运输路线及转体起吊方便，需根据施工工艺专题研究确定。

4 体外预应力设计

主梁长期下挠一直困扰着大跨度混凝土连续刚构桥。混合梁刚构桥主跨跨中采用钢梁替代混凝土梁之后，主跨自重显著降低，长期下挠风险降低。另外，为改善主桥整体受力及结构刚度，为运营期间主梁线形调整储备技术手段，在中跨主梁箱内设置体外预应力束[10-12]，并可重复张拉且可更换，这为混合梁刚构桥运营多年后桥梁线形调整提供了便利条件，是一种对混合梁刚构桥长期变形进行主动控制的方法。

为尽量减小大跨度连续刚构普遍存在的跨中下挠问题，减少温度、混凝土的收缩徐变对主梁线形的影响，保证结构的耐久性和安全度[13]，本桥在中跨设置8对体外预应力体系，如图6所示。考虑该桥在设计中已有较高的应力储备，因此所有体外预应力装置(包括体外预应力钢绞线、锚固块、转向块、限位装置等)都作为桥梁跨中下挠的储备措施，在施工完成后先张拉30%的体外预应力，当运营期间发现中跨出现跨中下挠或主跨开裂等病害后，可根据病害具体情况适当张拉体外束。

(a) 1/2主跨体外预应力钢束纵向立面布置

(b) 1/2主跨体外预应力钢束纵向平面布置

5 静动力计算

5.1 计算模型

该桥为预应力混凝土-钢箱梁混合梁连续刚构桥，整体采用Midas Civil建立空间杆系有限元模型，对结构进行静力、动力分析，如图7所示。边界条件采用如下方法模拟：主墩基础采用土弹簧刚度模拟，主梁与主墩采用刚性连接模拟，边墩采用一般支承，释放纵桥向约束。

为了解钢-混结合段的局部受力性能，采用FEA进行局部板壳混合有限元分析，如图8所示。为充分考虑圣维南原理的影响，在结合段两侧均延伸2个梁段进行建模分析。边界条件施加如下：在计算模型中，将混凝土梁左端约束x、y、z方向的位移，钢箱梁右端加载节点与钢箱截面的节点刚性连接[14]。

图7 结构有限元模型

5.2 有限元分析结果

正常使用极限状态下，混凝土主梁未出现拉应力；主梁斜截面主压应力为14.7 MPa，斜截面最大主拉应力为1.0 MPa；钢箱梁最大组合应力为186.3 MPa。

在汽车活载作用下，结构产生的最大挠度为0.136 m<300/600=0.5 m；最大双悬臂施工阶段，结构一阶稳定系数为58.5；E1和E2地震作用下，桥墩验算结果表明结构均在弹性范围。

综上所述，在施工和运营各种荷载组合作用下，结构的强度、刚度、稳定性及抗震性能均满足规范要求[15]。

钢-混结合段有限元分析结果表明，钢箱梁结合段的应力在176 MPa以内，受力满足规范要求。混凝土梁结合段的横桥向应力和顺桥向应力除预应力锚固点处应力较大外，其他大部分位置应力均位于-17 MPa～2 MPa之间，如图9所示。

图9 钢箱梁结合段的应力云图

6 结论

1) 钢-混凝土混合梁连续刚构桥，相比常规连续刚构桥，降低了支点梁高，减轻了结构自重，延长了结构跨度。

2) 静动力数值计算结果表明，结构的强度、刚度、稳定性及抗震性能均满足规范要求，该桥结构尺寸设计合理。

3) 钢-混结合段有限元分析结果表明，钢-混结合段采用有格室的后承压板形式，刚度过渡良好，在荷载作用下有足够的承载能力安全储备。