魏奇芬，丁望星，葉文海

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢430051；2.湖北交通職業(yè)技術(shù)學院 湖北 武漢430079）

1 工程概況

石首長江公路大橋位于長江兩湖平原地理中軸線，連接潛江、江陵、石首、華容等地，是潛江至石首高速公路跨越長江的一座控制性橋梁工程[1]，也是素有“九曲回腸”之稱的長江下荊江河段的首條過江通道。橋址位于湖北省荊州市石首市長江碾子灣附近，項目建設(shè)總里程為39.723km，其中長江大橋長10.454km，由主橋、灘橋和引橋組成。

長江大橋采用設(shè)計速度100km/h的六車道高速公路標準，橋面寬33.5m（不含布索區(qū)）；汽車荷載等級公路-Ⅰ級；主橋采用主跨816m雙塔不對稱混合梁斜拉橋方案，橋跨布置為（75+75+75）m+820m+（300+100）m；主梁鋼混結(jié)合面設(shè)于北塔附近，并伸入主跨距北塔中心線26.5m；北邊跨采用混凝土主梁，長251.5m；中跨和南邊跨采用鋼主梁，全長1193.5m，見圖1。

2 主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計

2.1 主梁鋼混結(jié)合段受力特點

混合梁斜拉橋通常是指斜拉橋主跨采用重量輕的鋼梁、邊跨采用剛度好的混凝土梁。主跨采用重量輕、抗彎能力強的鋼梁以加大跨越能力，邊跨采用重量重、剛度大的混凝土梁可以起到很好的錨固作用，且造價較低。該橋型充分利用了鋼與混凝土兩種材料各自的優(yōu)良特性，形成了較好的結(jié)構(gòu)受力體系，得到較為廣泛的工程應(yīng)用[2,3]；但鋼混結(jié)合段是主梁兩種不同材料的連接點，主梁剛度和強度在此發(fā)生突變，在結(jié)構(gòu)力學上為不連續(xù)點，容易導(dǎo)致該處應(yīng)力集中，從而形成了構(gòu)造上的弱點。

石首大橋主橋總體計算結(jié)果表明，成橋狀態(tài)主梁鋼混結(jié)合面最大軸向壓力為264136.8kN，運營狀態(tài)主梁鋼混結(jié)合面最大軸向壓力為288165.3kN，最大正彎距為45778.6kN·m，最大負彎距為-70767.2kN·m，以上內(nèi)力均計入了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。考慮到石首大橋主梁鋼混結(jié)合段需要承受近30萬kN的軸力，因此合理確定主梁鋼混結(jié)合段的位置和連接構(gòu)造型式，流暢地傳遞主梁內(nèi)力（包括軸力、剪力、彎矩和扭矩）及變形，減小附加內(nèi)力、避免應(yīng)力集中和變形折角，提高主梁鋼混結(jié)合段傳力能力、抗疲勞性和結(jié)構(gòu)耐久性，是本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計時優(yōu)先解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.2 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計原則

鋼混結(jié)合段是混合梁設(shè)計的關(guān)鍵部位之一[4]，其作用是保證鋼梁和混凝土梁之間的剛度過渡的勻順與力傳遞的通暢。根據(jù)主梁鋼混結(jié)合段受力特性，其構(gòu)造設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

（1）調(diào)整鋼箱梁、混凝土箱梁的斷面尺寸，使得兩側(cè)斷面形心位置一致，避免出現(xiàn)彎矩突變；同時要求兩側(cè)主梁頂、底板和腹板重心盡量重合，以防止主梁鋼板產(chǎn)生局部彎曲和失穩(wěn)。

（2）鋼混結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計應(yīng)保證剛度和強度均順過渡，外形與鋼梁和混凝土梁保持一致。

圖1 橋型布置示意圖（單位：cm）

（3）鋼混結(jié)合面應(yīng)配置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力，以抵抗荷載作用下主梁鋼混凝土結(jié)合面局部可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

（4）鋼混結(jié)合段位置和構(gòu)造合理，能較順暢地傳遞主梁各項內(nèi)力及變形，同時結(jié)合段及剪力鍵也應(yīng)具有良好的抗裂性、抗疲勞性和耐久性。

（5）鋼混結(jié)合段施工便利，施工質(zhì)量容易保證。

2.3 主梁鋼混結(jié)合段位置選擇

主梁鋼混接合面宜設(shè)置在內(nèi)力和撓度幅度變化較小的位置，同時充分考慮施工的可行性、便利性和經(jīng)濟性；接合面處主梁軸力大可以減少鋼混結(jié)合段預(yù)應(yīng)力配置，接合面處彎矩和豎向位移變化小，可以降低鋼混結(jié)合段疲勞應(yīng)力幅，提高結(jié)構(gòu)的耐久性[5]。

通過比較，最終將石首大橋主梁鋼混結(jié)合面設(shè)置于北塔附近的主跨側(cè)，第1對斜拉索附近；鋼混結(jié)合面距北塔中心線26.5m，該處主梁軸力大、彎矩和豎向位移幅度小。

2.4 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造

石首大橋是一座主跨820m的超大跨度混合梁斜拉橋，根據(jù)該橋跨度大、橋面寬、主梁軸力巨大的特點，鋼混結(jié)合段構(gòu)造采用了帶PBL剪力鍵的多鋼格室、部分連接填充混凝土的構(gòu)造方案；鋼混結(jié)合段全長5.2m（見圖2），其中鋼格室通過鋼箱梁加強段與鋼箱梁連接，其內(nèi)填充自密式混凝土，鋼箱梁加強段采用在U肋中間加設(shè)T形加勁的方式，長2.0m（見圖3）。為保證混凝土澆注時在鋼格室內(nèi)能夠自由流動，在鋼格室頂板上開設(shè)澆注孔，腹板上設(shè)置連通孔。為保證鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合，在結(jié)合段還設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼筋；

圖2 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

圖3 主梁鋼混結(jié)合段局部構(gòu)造三維圖（單位：mm）

考慮填充混凝土應(yīng)力擴散的需要、鋼格室內(nèi)焊接空間、預(yù)應(yīng)力筋作業(yè)空間、填充混凝土施工的便利性等因素，箱形鋼格室的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計為長2.0m、高 0.8m、標準寬 0.6m、0.79m；考慮混凝土骨料流動的需要，鋼格室腹板及抗剪鋼板上開有65mm圓孔，并穿過20mm鋼筋與進入該圓孔的混凝土包裹在一起形成鋼筋混凝土剪力鍵（PBL鍵），該剪力鍵具有剛度大、強度高，抗疲勞性能好等優(yōu)點（見圖4）。為增加后承壓鋼板與鋼格室內(nèi)填充混凝土連接有效性，在兩者接觸部位設(shè)置直徑22mm，高200mm的剪力釘群。

圖4 鋼混結(jié)合段鋼格室構(gòu)造三維模型圖

3 鋼混結(jié)合段整體計算分析

3.1 鋼混結(jié)合段整體計算模型

以石首大橋主梁鋼混結(jié)合段為主要研究對象，為盡可能消除邊界條件及加載對結(jié)合段的影響，建立計算模型時，取主梁鋼混結(jié)合面附近相連接的鋼箱梁、鋼箱梁加強段、鋼混結(jié)合段和混凝土梁段共四部分進行建模。計算模型全長26m，其中鋼箱梁部分取鋼箱梁加強段（長3.2m）以外7個橫隔板間距的鋼箱梁節(jié)段，長度16.8m，混凝土箱梁部分取結(jié)合段（長2.0m）以外長度為6.0m的混凝土箱梁。

模型材料均按線彈性考慮，混凝土采用C55，鋼箱梁主體采用Q345qD，材料參數(shù)按規(guī)范取值。在鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)分析中，采用如下假定：

（1）截面變形過程中遵循平截面假定；

（2）鋼板與混凝土板之間粘結(jié)可靠，即不考慮結(jié)合面相互滑移；

（3）整體計算模型中未考慮普通鋼筋、抗剪鋼板及PBL鍵的作用，在下節(jié)將單獨提取鋼格室建立局部模型進行計算分析；

（4）鋼板的局部屈曲和焊接殘余應(yīng)力忽略不計。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，鋼箱梁采用空間板殼單元SHELL63，混凝土梁段采用實體單元SOLID65。

由于鋼混結(jié)合段處主梁剪力和橫向彎矩很小，故計算僅考慮主梁豎向彎矩和軸力對結(jié)合段的影響，取結(jié)合段鋼箱梁側(cè)最不利工況組合內(nèi)力。軸力直接按等效節(jié)點荷載施加于鋼箱梁端部截面，彎矩先分解成力偶再按等效節(jié)點荷載施加于鋼箱梁邊界節(jié)點上[6]；預(yù)應(yīng)力考慮25%的預(yù)應(yīng)力損失，并按等效節(jié)點荷載直接施加于鋼格室承壓板上。受計算規(guī)模限制，并考慮到構(gòu)造和受力的對稱性，選取對稱結(jié)構(gòu)建立結(jié)合段模型，見圖5、圖6。

圖5 鋼箱結(jié)合段部分模型

圖6 模型荷載及邊界條件

3.2 鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果

鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 加強段鋼結(jié)構(gòu)VonMises應(yīng)力

圖8 結(jié)合段處鋼結(jié)構(gòu)VonMises應(yīng)力

鋼混結(jié)合段鋼格室與混凝土共同受力，鋼梁應(yīng)力通過承壓板、開孔板連接件逐漸傳遞至鋼格室內(nèi)的混凝土，鋼梁應(yīng)力較為均勻。承壓板在與U肋和T肋焊接處及錨墊板附近有應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力值為225.756MPa，但未超出鋼材屈服強度；排除應(yīng)力集中點，結(jié)合部位鋼構(gòu)件應(yīng)力較低，且過渡均勻，絕大部分區(qū)域均控制在100MPa內(nèi)。鋼混凝土結(jié)合部鋼構(gòu)件在最不利組合下，Von Mises應(yīng)力均小于容許值231MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 混凝土梁應(yīng)力分析結(jié)果

混凝土梁應(yīng)力分析結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 填充混凝土梁段主拉應(yīng)力

圖10 填充混凝土梁段主壓應(yīng)力

鋼混結(jié)合段鋼格室內(nèi)混凝土受力較為均勻。在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)、內(nèi)腹板和頂板相交區(qū)域存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，剔除應(yīng)力集中區(qū)后，鋼混結(jié)合段位最不利組合作用下絕大部分混凝土主壓應(yīng)力小于19.44MPa，主拉應(yīng)力小于2.65MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4 鋼格室單元局部分析模型

采用ANSYS有限元程序建立一個獨立、完整的鋼格室局部模型。頂板處鋼格室寬0.6m（橫橋向），高0.8m，長2.0m（順橋向）。底板處鋼格室寬0.8m（橫橋向），高 0.8m，長 2.0m（順橋向）。鋼格室內(nèi)PBL鍵及填充混凝土均采用實體單元（SOLID45和SOLID65），鋼格室外壁采用板殼單元（SHELL63）。模型中不考慮鋼板與混凝土的粘接摩阻力，假定鋼與混凝土之間的剪力傳遞全部由PBL鍵承擔；模型中也未考慮由φ25mmHRB335鋼筋與其環(huán)包混凝土之間的粘結(jié)－滑移效應(yīng)，假定為共同作用，且不考慮鋼格室內(nèi)填充混凝土中普通鋼筋及剪力釘?shù)淖饔谩?/p>

計算荷載取其鋼格室單位承受的最不利荷載，并考慮25%的預(yù)應(yīng)力損失，按等效節(jié)點荷載施加于錨墊板表面。彎矩換算為力偶后也轉(zhuǎn)化為軸力，故將軸力和彎矩按等效節(jié)點荷載施加于鋼格室后面承壓板上。鋼格室端面（混凝土側(cè)）邊界固結(jié)，鋼格室兩側(cè)腹板為正對稱約束。荷載、邊界條件見圖 11、圖12。

圖11 正對稱約束示意圖

圖12 荷載及邊界條件示意圖

鋼格室前、后兩端為截面變化處，鋼與混凝土兩種材料間的作用力傳遞顯著。鋼格室的鋼結(jié)構(gòu)部分和填充混凝土的受力基本滿足規(guī)范要求?？紤]到承壓板對鋼與混凝土相對滑移的限制，連接件受力較小，仍有較大的安全儲備。

4 結(jié)語

石首大橋主梁設(shè)計按照“承壓－傳剪”復(fù)合傳力模式的設(shè)計思路，采用了帶多格室結(jié)構(gòu)的后承壓板式鋼混結(jié)合段，具有如下顯著的結(jié)構(gòu)特點和先進性：

（1）設(shè)置長度2m的鋼格室結(jié)構(gòu)進行傳剪。既提高了鋼混結(jié)合段傳遞軸力的能力，又實現(xiàn)了主梁剛度和傳力的勻順過渡，克服了傳統(tǒng)鋼混結(jié)合段易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的缺點。

（2）采用了帶孔鋼板（PBL剪力鍵）進行傳力。PBL剪力鍵強度高，具有良好的剛度和延性，從而提升了鋼混結(jié)合段的疲勞性能。

（3）摒棄傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工藝，采用創(chuàng)新性的預(yù)制拼裝工藝。即邊跨混凝土主梁先節(jié)段預(yù)制，存梁后與鋼主梁拼裝、填充結(jié)合段鋼格室自密式混凝土，大幅降低了混凝土收縮徐變效應(yīng)的影響，提高了鋼混結(jié)合段的耐久性。

通過有限元分析可知道，石首大橋主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造合理、受力可靠、傳力平滑，PBL鍵剛度大、承載能力高、疲勞性能優(yōu)良，主梁鋼混結(jié)合段中鋼與混凝土的相對滑移量小，能滿足石首大橋構(gòu)造受力的需要。

參考文獻：

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