斜拉桥主梁钢-混结合段设计及分析

杨乐杰

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海市 200437）

0 引言

根据主梁材料不同，传统斜拉桥大致可分为混凝土斜拉桥和钢斜拉桥[1]。混凝土斜拉桥有较好的抗压性能，且造价合理，但其本身材料自重大、施工复杂等因素限制了其跨越能力；钢斜拉桥可有效提高桥梁的跨越能力，但同时也有造价昂贵、抗压性能较差、结构易失稳等缺点。因此，工程师们根据材料特性将钢和混凝土两种材料，沿纵桥向分段使用到斜拉桥主梁中去，其中主跨大部分梁体为钢结构，边跨或者伸入主跨的部分梁体为混凝土结构，即为钢-混结合梁斜拉桥。

未来桥梁发展的方向定位于新结构、新材料、新工艺。钢-混结合体系的桥梁在结构上较好的解决了主跨与边跨跨径比例不协调的问题，同时边跨混凝土梁对主跨钢箱梁起到很好的锚固作用，减小主跨的内力和变形，提升结构整体刚度，还具有较好的经济性和施工便捷性[2]，因此，钢-混结合梁在斜拉桥中得到了广泛的应用。

本文详述了奉贤区金庄公路跨金汇港大桥主梁钢-混结合段的设计分析过程，以便为同类型中小跨径斜拉桥主梁钢-混结合段的设计提供参考。

1 项目概况

奉贤区金庄公路（金海公路—现状金钱公路）新建工程位于上海市奉贤区北部，是衔接金汇镇和庄行镇之间的一条东西向二级公路，同时也是奉贤区跨越金汇港联系两岸地区的重要跨河通道。金汇港大桥全长598 m，跨径布置为：3×35 m+（70m+120m）+3×35m+（3×35m+33m）+3×20m；桥梁宽度为37.5m，双向四车道布置。主桥采用独塔双索面结构，主塔包括塔冠总高度104.028m（桥面以上为91.45m）；主梁采用钢-混凝土混合梁结构；全桥采用塔-梁-墩固结体系，见图1、图2。

图1 金汇港大桥效果图

图2 主桥立面示意图（单位：mm）

2 主梁钢-混结合段构造形式及特点

2.1 主梁构造形式及特点

主梁混凝土部分采用单箱三室整体式箱梁，总宽33.2 m（不包含人行道宽度），设计道路中心线处主梁一般高度为2.5m。主塔处主梁经过变高处理，以满足受力需要。主梁高度从2.5m渐变至4.0m，渐变段长度为6.4m，见图3。

图3 混凝土主梁一般断面（单位：mm）

主梁顶板厚260 mm，底板厚从跨中位置的250mm渐变至支点处的500mm。主梁常规腹板标准宽度为450mm，支点处腹板宽度为650mm。拉索区正对处腹板应锚固拉索需要，将腹板加厚，标准腹板宽度为600mm；支点处加宽至800mm。拉索横梁设置根据拉索位置确定，分为2.75m和4.0m两种间距。拉索横梁采用T形梁构造，横梁腹板宽度为300mm。

主梁钢箱梁部分与混凝土箱梁类似，采用单箱三室整体式结构。主要尺寸为：顶板宽度37.5m，底板宽度20.92m；道路中心线处梁高2.5m，顶板设2%横坡，底板水平；钢箱梁内设两道直纵腹板，形成单箱三室断面，见图4。

图4 钢结构主梁一般断面（单位：mm）

顶板为正交异性桥面板，根据各区段受力情况，顶、底板一般区段采用16mm厚度；横隔板标准间距2.5m，一般横隔板腹板厚度12mm，拉索处横隔板厚度16mm；两道直腹板和两道斜腹板，均为整体实腹板，一般腹板厚度20mm，拉索对应直腹板厚度为30mm。

2.2 主梁钢-混结合段构造特点

钢-混结合段位于主跨部分距离主塔中心线11m处，长度为2.0m。采用“钢格室+PBL键+焊钉+预应力”连接构造，属于有格室后承压板形式，承压板厚度为40mm。钢箱梁顶底板及其纵向加劲板深入混凝土梁段，通过剪力孔中钢筋与混凝土形成连接。为保证钢混接头处于有效连接状态，且结合面处于均匀的受压状态，除在混凝土箱梁内设置纵向预应力钢绞线外，同时还配置φ25精轧螺纹钢筋，分别锚固在混凝土梁和承压钢板上。

结合段的钢箱梁套在混凝土箱梁外侧，并与混凝土箱梁浇筑为一体，PBL传剪板深入混凝土主梁内2.0 m，PBL传剪板的剪力孔中贯穿设置φ20普通钢筋，加强钢主梁与混凝土的连接。钢箱梁一侧顶、底板及腹板均设置纵向加劲肋，使得钢箱梁与混凝土箱梁之间刚度突变能够平缓过渡，见图 5、图 6。

图6 结合段两侧箱梁断面构造图（单位：mm）

3 钢-混结合段有限元分析

3.1 实体模型建立

主梁钢-混结合段的局部应力分析采用A NS Y S有限元软件，利用空间混合有限元方法进行计算。主梁钢-混结合段长2.0m，为较为真实的模拟这一区段的受力情况[3]，依据圣维南原理，建立ANSYS实体模型时，除结合段2m和钢箱梁过渡段3m外，分别向混凝土梁部分和钢箱梁部分延伸6.4m和7.25m，建模段全长6.4m+2.0m+3.0 m+7.25m=19.45m。

3.2 单元选择及划分

实体模型中，过渡段钢箱梁采用sh ell63壳单元模拟，混凝土采用s ol id187体单元模拟，预应力束和精轧螺纹钢采用l ink8杆单元模拟，远离结合段附近的钢箱梁和混凝土箱梁采用beam4梁单元进行模拟，见图7。

3.3 边界条件

图7 结合段有限元模型

本文假定模型左右两断面为刚性，即符合平截面假定，在空间梁单元与钢箱梁壳单元以及混凝土体单元的结合位置建立相应的约束方程，得到钢-混结合段的有限元计算模型。在有限元计算时位移边界条件设定如下：混凝土梁单元靠近墩塔梁固结位置的节点固结，而钢箱梁单元靠近跨中的节点，采用力边界条件施加集中力和集中力矩。考虑钢-混结合段最不利受力状态，提取主桥总体M ID A S模型计算结果（见表1）。斜拉索索力施加在钢箱梁梁单元节点上，索力换算结果见表2。混凝土中的预应力钢绞线张拉控制应力为1 395MPa，精轧螺纹钢张拉控制应力为837MPa。

表1 边界约束条件

表2 斜拉索索力换算值

3.4 计算结果

3.4.1 结合段部位钢箱梁应力状态

计算表明，除了局部应力集中现象外，钢箱梁的应力值均比较低，结合段部位钢箱梁顶板和底板整体受压，在顺桥向，顶、底板压应力大部分在-10MPa以内；横桥向上，顶板、底板压应力大部分在-15MPa以内；箱梁顶、底板的M is e s应力大部分在25MPa以下，远小于其屈服应力。

钢箱梁顶、底板的U肋及纵隔板均顺桥向受压，压应力大部分在-20MPa以下；U肋的M is e s应力与其顺桥向应力分布规律相同，距离结合面3m范围内的顶板U肋的M is e s应力为25MPa，底板U肋压应力大部分在36MPa以下，满足规范要求。

钢-混结合面处承压板的受力主要是由纵向预应力束的预拉力引起的。在预拉力作用点处的钢板出现了局部的弯曲变形，使得局部钢板的一侧受拉一侧受压，局部的最大拉应力为45 MPa，压应力为-40MPa，在远离预应力束作用点的钢板应力较小，大部分在25MPa左右，满足规范要求，见图8～图 10。

图8 钢箱梁翼缘板部分Mises应力（单位：Pa）

图9 钢箱梁U肋及纵隔板应力（单位：Pa）

图10 钢-混交接面处承压板应力（单位：Pa）

3.4.2 结合段混凝土应力

通过计算得出，整个模型中混凝土绝大部分处于受压状态，应力值处于-11.5～1.92 MPa之间。实际上本次研究主要为靠近结合面部位的混凝土，计算发现，靠近结合面处的混凝土受到预应力钢束作用，局部拉应力较大，最大拉应力接近2MPa，而越远离钢-混结合面处混凝土上表面的主拉应力越小，混凝土中应力得到有效扩散，图11分别展示了0.1m处、0.3m处、0.5m处、1m处、2m处结合段混凝土主拉应力分布。其它部位混凝土的上表面拉应力最大不超过1 MPa；由于混凝土中的纵向预应力束的拉力使得混凝土横向受拉，混凝土箱梁的下表面与腹板相连部位的拉应力较大，约1.4 MPa；其它部位的混凝土的拉应力值较小。

图11 混凝土不同位置横截面上的主拉应力分布图（单位：Pa）

4 结语

通过以上分析得知，在正常使用状态基本组合荷载作用下：

（1）结合段部位的钢箱梁顶、底板在顺、横桥向整体受压，整体应力值较低；顶、底板的U肋均顺桥向受压，压应力大部分在-20 MPa以下，顶板U肋的M is e s应力为25MPa，底板U肋压应力大部分在36MPa以下。

（2）钢-混交界面处承压板的受力主要是由纵向预应力束的预拉力引起的，在预应力作用点处的钢板出现了局部的弯曲变形，使得局部钢板的一侧受拉一侧受压，但应力值可控。

（3）结合段混凝土大部分区域受到压力作用，最大压应力在12 MPa以下，在靠近结合面处的混凝土受到预应力钢束作用，局部的拉应力较大，最大拉应力接近2MPa，其它部位混凝土的上表面拉应力最大不超过1MPa。

综述，结合段部位及两侧梁体总体上处于受压状态，且应力水平较低，构件有良好的安全储备，但仍可对构造进行适当优化，以便取得更好的经济效果。