赤峰銀河大橋主塔鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)

劉高俊

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122）

0 引言

21世紀(jì)以來，橋梁的景觀越來越受到人們的重視，各類造型優(yōu)美的特色橋梁逐漸成為各個(gè)城市的新地標(biāo)，高聳的橋塔和凸起的拱肋成為橋梁新的設(shè)計(jì)語言。鋼混結(jié)合體系的橋塔因其能充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的性能，在中小跨徑斜拉橋中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼混結(jié)合橋塔具有諸多優(yōu)勢(shì)[1]，但其構(gòu)造復(fù)雜，兩種材料接觸面的力學(xué)傳遞方式多樣，選擇安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、美觀的鋼混結(jié)合方式是這類橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文詳述了赤峰銀河大橋主塔鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)過程，為同類中小跨徑斜拉橋塔柱鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

銀河大橋位于赤峰市橋北大街跨陰河位置處，是連接松山區(qū)和紅山區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)。橋梁全長295.02 m，跨徑布置為[2×40+（37+17+37）+3×40]m，橫向左、右分幅設(shè)置，單幅橋全寬21.5 m，中間設(shè)置3 m寬分隔帶，全寬46 m。為降低梁高，主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁配合橋塔受力的結(jié)構(gòu)形式，橋塔為敞開式異形不對(duì)稱環(huán)形塔，呈月亮造型，橋面以上塔高60 m。塔腳部分采用混凝土結(jié)構(gòu)，塔身采用鋼結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示。

圖1 銀河大橋效果圖

圖2 主塔立面示意圖（單位：m）

2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式選擇

2.1 常見鋼混連接形式

鋼塔與混凝土塔腳結(jié)合段一般參照混合梁結(jié)合部的方式進(jìn)行處理，混合梁結(jié)合部分為有格室結(jié)合和無格室結(jié)合兩類。其中有格室結(jié)合又分為前后承壓板形式和后承壓板形式兩種，無格室結(jié)合一般分為后承壓板和底板與后承壓板組合兩種形式，如圖3所示。

對(duì)這幾種方式進(jìn)行比較[2]，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）有格室前后承壓板的連接方式通過格室頂?shù)装宓倪B接件及前后承壓板來傳遞軸力及彎矩，通過承壓板上的連接件傳遞剪力及扭矩。這種方式混凝土箱梁內(nèi)部的配筋和澆筑易于施工，混凝土質(zhì)量能夠得到保證，軸力由前后板及格室中的連接件承擔(dān)，承壓板附近的應(yīng)力集中小，鋼梁容易制作。但這種方式格室中需要填充砂漿，后承壓板附近剛度變化較大。

（2）有格室后承壓板的連接方式通過格室頂?shù)装宓倪B接件及后承壓板來傳遞軸力及彎矩，通過格室腹板及腹板上的連接件傳遞剪力及扭矩。由于設(shè)置了縱向加勁肋，這種方式剛度變化較小，從縱向加勁肋向鋼梁U肋傳力順暢，在混凝土橫梁處應(yīng)力得到緩和，格室中的應(yīng)力均勻，承壓板附近的應(yīng)力集中較小。這種方式的缺點(diǎn)是鋼梁焊接性能差，混凝土需豎立澆筑，結(jié)合部的配筋和混凝土澆筑施工困難。

（3）無格室后承壓板的連接方式的軸力和彎矩是通過后承壓板傳遞，剪力及扭矩通過承壓板與混凝土的摩擦以及底部的U形鋼筋承擔(dān)。這種方式通過調(diào)整加勁肋的布置可減小承壓板附近的應(yīng)力集中，混凝土箱梁部分的配筋、澆筑施工容易，結(jié)合部混凝土澆筑質(zhì)量易保證，鋼梁制作較為容易。由于該種方式的傳遞主要集中在承壓板處，承壓板附近剛度變化較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

（4）無格室底板與后承壓板組合方式通過后承壓板以及伸入箱梁鋼底板上的連接件傳遞軸力和彎矩，通過承壓板上的連接件傳遞剪力及扭矩。這種方式通過調(diào)整加勁肋的布置可以有效減小剛度變化的幅度，混凝土箱室內(nèi)部的配筋和澆筑施工容易，混凝土澆筑質(zhì)量易保證，相比無格室后承壓板的連接方式，鋼梁易制作，承壓板附近的應(yīng)力集中也小。但這種方式仍然存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且承壓板附近的剛度變化較大。

圖3 混合梁結(jié)合部處理方式（單位：cm）

2.2 塔腳鋼混連接段受力特點(diǎn)

該橋的橋塔受力與常規(guī)斜拉橋不同，一般斜拉橋由于橫橋向拉索布置對(duì)稱，順橋向彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫橋向彎矩，塔腳受力以橫橋向彎矩為主。該橋的豎向荷載主要由主梁承受，主塔和拉索只提供較小的輔助力，橋塔橫橋向彎矩?cái)?shù)值小于常規(guī)斜拉橋，且因?yàn)榫坝^要求，拉索的下吊點(diǎn)均設(shè)置在橋梁中間分隔帶處，在風(fēng)等側(cè)向荷載作用下，橋塔的順橋向彎矩比較突出。在選擇鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式時(shí)，需要綜合考慮這兩個(gè)方向的彎矩以及剪力和扭矩。橋塔結(jié)合部受力見表1。

2.3 結(jié)合段構(gòu)造形式選擇

斜拉橋塔腳的鋼混結(jié)合部需要連接的是混凝土的塔腳和鋼結(jié)構(gòu)的主塔，兩種結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)結(jié)合部的受力有很大的影響[3]。兩種結(jié)構(gòu)剛度差異明顯，有格室前后承壓板、無格室后承壓板和無格室底板與后承壓板組合這三種方式，因?yàn)樵诔袎喊逄巹偠茸兓?，不適合在塔腳這種剛度變化明顯的結(jié)構(gòu)形式中采用，因此選擇有格室后承壓板作為橋塔的鋼混連接方式。塔柱受橫橋向和順橋向兩個(gè)方向的彎矩，因此在塔的四邊均設(shè)置格室，格室之間設(shè)置結(jié)合部鋼橫隔板，并將其與結(jié)合部混凝土橫梁采用焊釘連接件結(jié)合，使過渡段混凝土及橫梁混凝土處于多向約束狀態(tài)，改善了混凝土梁加強(qiáng)過渡段的受力性能，在后承壓板上對(duì)拉預(yù)應(yīng)力鋼束，使得結(jié)合部混凝土處于受壓狀態(tài)。構(gòu)造方式如圖4所示。

表1 橋塔鋼混結(jié)合部受力表

圖4 鋼塔結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

3 鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理分析

鋼混結(jié)合段受軸力、橫橋向彎矩、順橋向彎矩、扭矩、剪力的綜合作用，橋塔結(jié)構(gòu)的計(jì)算需要綜合考慮這些力值的傳遞。鋼梁截面的軸力和彎矩通過鋼格室后承壓板及抗剪連接件傳至混凝土梁，剪力和扭矩通過承壓板及格室上的焊釘連接件傳至混凝土梁。

設(shè)計(jì)時(shí)偏保守考慮，格室上的焊釘承受軸力、彎矩和扭矩。由于剪力很小，假定均由橫隔板上的焊釘承擔(dān)。

4 鋼混結(jié)合段連接鍵受力計(jì)算

橋塔結(jié)合段的連接鍵為圓柱頭焊釘和預(yù)應(yīng)力鋼束，對(duì)其進(jìn)行受力分析。

4.1 單個(gè)圓柱頭焊釘?shù)某休d力計(jì)算

由于目前《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)（以下簡稱《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》）和《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917—2013）（以下簡稱《組合規(guī)范》）中均有關(guān)于圓柱頭焊釘（即剪力釘）的計(jì)算方式，且兩者略有不同。該橋設(shè)計(jì)采用兩種方式共同計(jì)算。

根據(jù)結(jié)合部截面的尺寸，焊釘規(guī)格選用19 mm×150 mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》第11.4.4條計(jì)算出的單個(gè)焊釘承載力為79.39 kN，根據(jù)《組合規(guī)范》第7.2.1條計(jì)算出的單個(gè)焊釘承載力為75.77 kN，設(shè)計(jì)時(shí)偏保守考慮，取兩個(gè)規(guī)范的較小數(shù)值75.77 kN作為單個(gè)焊釘承載力。該數(shù)值已經(jīng)考慮了焊釘?shù)娜横斝?yīng)影響，可以直接用于承載力驗(yàn)算[4]。

4.2 格室焊釘計(jì)算

格室的焊釘受到軸力、彎矩和扭矩的共同作用，根據(jù)格室截面的尺寸對(duì)力值進(jìn)行分解，可以將力值轉(zhuǎn)化為各個(gè)格室中焊釘所受的剪力。各個(gè)格室分解后焊釘受力見表2。

表2 格室內(nèi)焊釘受力匯總表

4.3 結(jié)合部橫隔板焊釘計(jì)算

由于結(jié)合部所受的兩個(gè)方向的剪力數(shù)值均不大，偏保守考慮均由橫隔板焊釘來承受，結(jié)合部焊釘布置間距為150 mm×150 mm，共布置有80個(gè)焊釘，每個(gè)焊釘受力為62 kN，安全系數(shù)為1.2。

4.4 預(yù)應(yīng)力鋼束布置及驗(yàn)算

由力值分解可知，各個(gè)格室所受的最大和最小軸力見表3。

由表可知，頂部格室處于受拉狀態(tài)，配置與其最大拉力一致的預(yù)應(yīng)力，使其處于受壓狀態(tài)下工作。底部格室一直處于受壓狀態(tài)，不需要配置預(yù)應(yīng)力。兩側(cè)格室處于拉壓交替階段，施加與最大拉力一致的預(yù)應(yīng)力，使其處于受壓狀態(tài)下工作。

表3 各格室軸力分解表 kN

4.5 格室混凝土截面抗壓驗(yàn)算

各格室內(nèi)的混凝土受外部荷載和預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，需要驗(yàn)算其抗壓承載力。驗(yàn)算結(jié)果見表4。

表4 各格室混凝土抗壓驗(yàn)算表

5 結(jié)語

（1）有格室后承壓板形式能夠利用格室之間設(shè)置的鋼橫隔板，將其與結(jié)合部混凝土橫梁采用焊釘連接件結(jié)合，使過渡段混凝土及橫梁混凝土處于多向約束狀態(tài)，改善了混凝土梁加強(qiáng)過渡段的受力性能，與幾種常用的鋼混結(jié)合形式比較，在剛度變化較大的結(jié)構(gòu)中適用性更好。

（2）連接段各個(gè)格室受軸力、橫橋向彎矩、順橋向彎矩、扭矩、剪力的綜合作用，在設(shè)計(jì)時(shí)可以將各個(gè)力值分解到各個(gè)格室，通過驗(yàn)算焊釘?shù)募袅肀ＷC結(jié)構(gòu)的安全。

（3）《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》和《組合規(guī)范》中單個(gè)圓柱頭焊釘?shù)某休d能力計(jì)算公式略有不同，設(shè)計(jì)時(shí)可以取兩者的較小值控制。