混合梁橋鋼-混結(jié)合部的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

李坤

山東方大工程有限責(zé)任公司 山東 淄博 255100

1 我國(guó)橋梁建設(shè)中混合梁的應(yīng)用

混合梁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于利用鋼材強(qiáng)度高、自重輕的特點(diǎn)，將鋼梁應(yīng)用與跨越橋梁的主跨位置，利用混凝土材料自重大的特點(diǎn)，將混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用在橋邊跨位置，從而起到平衡主跨、恒活載的作用。混合梁首先被應(yīng)用在斜拉橋的主梁設(shè)計(jì)上，隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，逐漸被應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)的橋梁設(shè)計(jì)的當(dāng)中。

1.1 斜拉梁

斜拉橋即是指借助彈性支撐在橋體主梁上的拉索，斜拉橋能夠?qū)⒅髁旱暮爿d和二期活載傳遞到索塔，從而實(shí)現(xiàn)跨越。目前自錨式斜拉橋是國(guó)內(nèi)外建設(shè)最多的類型，主梁在主跨區(qū)域承受拉力，而接近索塔區(qū)域的橋梁則表現(xiàn)出明顯的大偏心受壓狀態(tài)，鋼-混結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠讓斜拉橋的受力得到極大的優(yōu)化。在橋的主梁構(gòu)造中，如果將鋼梁使用在橋梁的主跨范圍內(nèi)，而橋塔附近和邊跨位置使用混凝土主梁，則能夠防止索塔處的主梁由于較大的軸例導(dǎo)致鋼構(gòu)件出現(xiàn)局部失穩(wěn)等狀況，同時(shí)也可以防止邊跨部位背錨索區(qū)域的鋼主梁出現(xiàn)疲勞等情況；另外，也能夠在受力均衡的條件下，減少主梁結(jié)構(gòu)的邊中跨比例，并以此縮短引橋的長(zhǎng)度，從而降低整體結(jié)構(gòu)的造價(jià)成本。

1.2 自錨式懸索橋

自錨式懸索橋利用加緊梁來分擔(dān)主纜的水平力，由于橋梁的跨徑不大，因此可以使用混凝土的主梁結(jié)構(gòu)，但完全使用混凝土結(jié)構(gòu)，其跨徑有限，若是全部使用鋼結(jié)構(gòu)，而主纜和加緊梁相互連接處產(chǎn)生的受力較為復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)容易疲勞或出現(xiàn)屈曲；因此最好的結(jié)構(gòu)處理方式是在主梁和主纜的連接處采用混凝土主梁，以便于散索鞍的布置和分散主纜力，在中跨位置則采用鋼主梁，以此來減輕自重；若要建成不等跨形式，也可以在邊跨位置使用混凝土材料，中跨部分使用鋼材料。因?yàn)樽藻^式懸索橋的發(fā)展較晚，因此鋼-混結(jié)構(gòu)也還是在近些年才開始被廣泛應(yīng)用。

1.3 拱橋

拱橋主要通過拱肋來承受壓力，橋面、吊索和立柱等都屬于傳力構(gòu)件，目前中承式和下承式的組合拱橋是使用最多的拱橋形式。由于拱橋的主梁結(jié)構(gòu)并非是受力主體，而只是共橋面通行的平臺(tái)而已，因此中小跨徑的拱橋大多選用混凝土結(jié)構(gòu)的主梁形式，只有大跨徑拱橋才會(huì)選用鋼梁結(jié)構(gòu)的主梁形式，混合梁結(jié)構(gòu)幾乎不存在。由于混合梁自身在斜拉橋和自錨式懸索橋當(dāng)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不能在拱橋中得以充分發(fā)揮，因此混合梁在拱橋中少有應(yīng)用。

1.4 梁橋

梁橋主要是利用主梁的受彎來承受外部結(jié)構(gòu)所帶來的荷載，典型的受理特征極為主梁受彎。梁橋有著多種結(jié)構(gòu)形式，其中連續(xù)梁橋與連續(xù)鋼構(gòu)橋主要還會(huì)應(yīng)用鋼-混結(jié)構(gòu)。由于受各種因素的影響，采用混凝土結(jié)構(gòu)的已建大跨徑連續(xù)梁橋常會(huì)出現(xiàn)不同程度的開裂或下?lián)系葐栴}，因此在連續(xù)鋼構(gòu)橋或連續(xù)梁橋的中跨采用鋼結(jié)構(gòu)主梁，邊跨采用混凝土結(jié)構(gòu)主梁能夠讓中跨受力特性得到較好的改善，并有效降低中跨徑主梁的撓度，防止中跨混凝結(jié)構(gòu)主梁會(huì)由于下?lián)隙霈F(xiàn)開裂等問題；同時(shí)由于邊跨重量能夠平衡中跨的鋼結(jié)構(gòu)主梁自重，從而讓邊中跨比例得以降低，因此也讓橋梁的整體造價(jià)得到較好的控制。另外，將鋼-混結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用在高速公路的跨線橋當(dāng)中，能夠在不影響交通通暢性的前提下保證中跨位置的快速施工，從而大大縮短工期。

早期的梁式橋梁對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)形式大多應(yīng)用于跨線橋當(dāng)中，后來隨著鋼結(jié)構(gòu)在橋梁中的普及應(yīng)用，越來越多的鋼-混結(jié)構(gòu)形式被應(yīng)用在橋梁建設(shè)當(dāng)中，我國(guó)梁橋建設(shè)中對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大多在中跨，中間部分選用鋼結(jié)構(gòu)主梁來縮減總體結(jié)構(gòu)的重量，提高橋梁的跨越能力。例如重慶石坂坡大橋復(fù)線橋330m的主跨部分，就是在108m的中跨段使用了鋼結(jié)構(gòu)主梁[1]。

2 目前混合梁鋼-混結(jié)合部的構(gòu)造特點(diǎn)分析

2.1 共同點(diǎn)

從目前橋梁建設(shè)中鋼-混結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用情況來看，所有橋梁的鋼-混結(jié)合部都包括混合體梁過渡段、鋼混結(jié)合段和鋼梁過渡段三大部分，其中混凝土梁過渡段的縱向鋼筋需要深入到鋼混結(jié)合段內(nèi)部，且深入的長(zhǎng)度應(yīng)超過錨固標(biāo)準(zhǔn)，鋼混結(jié)合段當(dāng)中不設(shè)置橫向箍筋和鋼筋；同時(shí)鋼混結(jié)合段的鋼結(jié)構(gòu)向鋼梁過渡段進(jìn)行自然延伸，從而讓鋼混結(jié)合段的鋼殼體由此形成，鋼殼體當(dāng)中混合著混凝土，構(gòu)成了鋼混結(jié)合段；其端部通常都配有承壓板，鋼殼體的內(nèi)部配有傳剪裝置，如PBL剪力鍵或栓釘剪力鍵等。鋼混結(jié)合段通常采用多格室結(jié)構(gòu)，并且在格室當(dāng)中填充適量的混凝土，并通過鋼板和剪力鍵與混凝土的摩擦力來傳遞剪力、軸力和彎矩。端部的承壓板是為了將鋼結(jié)構(gòu)板件的集中應(yīng)力分散開，讓鋼板當(dāng)中的高應(yīng)力能夠分散到混凝土截面上，同時(shí)為了滿足抗剪需求，承壓板上還需配有大量剪力釘?？紤]到美觀性，鋼梁通常會(huì)采用與混凝土結(jié)構(gòu)主梁同樣的外形，但由于混凝土梁和鋼梁頂?shù)装宓暮穸却嬖诓町?，兩種截面的腹板頂?shù)装宓膸缀沃行牟粫?huì)重合，勢(shì)必會(huì)對(duì)板件受力產(chǎn)生不利的次應(yīng)力。因此需要在鋼梁加強(qiáng)段上面增設(shè)可變高度并帶有T形加勁的U形，以此來調(diào)整板件的幾何中心并讓其剛度能夠平穩(wěn)過渡?？辜翩I設(shè)置的目的就是為了確保傳力的可靠性，雖然混凝土和鋼材相互間存在黏結(jié)力，但在工程設(shè)計(jì)過程中通常出于安全考慮會(huì)忽略不計(jì)。在鋼混結(jié)合段設(shè)置預(yù)應(yīng)力主要是為了保證讓混凝土箱梁和鋼箱梁能夠緊密結(jié)合，確保結(jié)合部位不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，沒有裂縫出現(xiàn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性和抗裂性。橋梁設(shè)計(jì)者利用特定的鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)處理，實(shí)現(xiàn)了鋼梁結(jié)構(gòu)向混凝土結(jié)構(gòu)剛度的平穩(wěn)過渡與荷載傳遞，但具體到每一座橋來說，由于橋梁自身的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)理念上都存在一定的差異，應(yīng)從設(shè)計(jì)出來的鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造形式也各不相同。

2.2 不同點(diǎn)

不同形式的剪力鍵，其傳剪裝置的排數(shù)會(huì)存在較大的差異，多的有19排，少則只有2排；承壓板的厚度從20~80mm不等；鋼混結(jié)合段的長(zhǎng)度既可能達(dá)到數(shù)米長(zhǎng)，也可能只有1m；由于設(shè)計(jì)者對(duì)鋼-混結(jié)合部傳力合理性的不同理解，有些會(huì)設(shè)置很多的鋼格室，而有些則設(shè)置的鋼格室數(shù)量很少。根據(jù)鋼格室和承接板之間的位置關(guān)系，可分為前后承壓板、前承壓板或后承壓板等不同的結(jié)構(gòu)形式。沒有格室的鋼-混結(jié)合部也包含兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是僅憑承壓板傳力，另一種鋼混結(jié)合段的頂?shù)装寤炷林髁翰糠肿匀谎由?，通過連接裝置的建立傳遞部分內(nèi)力。例如法國(guó)的諾曼底大橋當(dāng)中的鋼-混結(jié)合部就是采用了無格式的后承壓板連接模式[2]。

3 鋼-混凝土結(jié)合部關(guān)鍵技術(shù)

3.1 混合梁鋼-混結(jié)合部的位置選取

混合梁中鋼-混結(jié)合部的位置選擇，將會(huì)直接影響到在剛度和自重方面存在較大差異的混凝土主梁和鋼梁的長(zhǎng)度比例，并且對(duì)整體橋梁結(jié)構(gòu)，特別是整體主梁的受力情況也會(huì)造成極大的影響，因此在鋼-混結(jié)合部位置的選擇上，應(yīng)從結(jié)構(gòu)的受力性能合理性、施工工藝的復(fù)雜程度以及工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面來權(quán)衡考量。即基于力學(xué)角度出發(fā)，鋼-混結(jié)合部適合選擇在剪力和彎矩較小，且應(yīng)力不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)交替的位置，同時(shí)要盡量避免使用較為復(fù)雜的工藝構(gòu)造；而從施工角度而言，鋼-混結(jié)合部的選擇可延用墩柱施工架設(shè)或邊跨混凝土梁的方案；出于從經(jīng)濟(jì)角度的考慮，應(yīng)對(duì)上下部結(jié)構(gòu)的綜合費(fèi)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，也可適當(dāng)增加混凝土梁的長(zhǎng)度。

3.2 鋼-混結(jié)合部的構(gòu)造尺寸參數(shù)

為了保證傳力順暢，需要對(duì)混凝土梁過渡段、鋼混結(jié)合部以及鋼梁過渡段的尺寸參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定。目前針對(duì)混合梁鋼-混結(jié)合部的設(shè)計(jì)與施工，國(guó)內(nèi)外均為形成系統(tǒng)化研究，鋼混結(jié)合部的構(gòu)造形式、長(zhǎng)度以及連接件的設(shè)置都還需要深入研究。有學(xué)者在相對(duì)接觸和滑移的有限原模型基礎(chǔ)上，討論研究鋼-混結(jié)合部的長(zhǎng)度、連接件剛度、承壓板厚度以及間距等關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混合梁整體受力情況的影響，并提出了鋼-混結(jié)合部的長(zhǎng)度可設(shè)置為鋼格室高度的2倍為宜的設(shè)計(jì)建議。

3.3 鋼-混結(jié)合部的破壞機(jī)理

混合料鋼-混結(jié)合部大體包括3種破壞形式，分別為混凝土梁過渡段的開裂、鋼混結(jié)合段鋼材與混凝土相互出現(xiàn)滑移或剝離以及鋼梁過渡段出現(xiàn)屈曲破壞。其中混凝土梁過渡段和鋼梁過渡段的承載性能比較容易計(jì)算，而裂縫和屈曲等破壞現(xiàn)象比較容易被發(fā)現(xiàn)，并且后期對(duì)這些破壞現(xiàn)象的補(bǔ)救也較為方便。鋼-混結(jié)合部作為混合梁的傳力核心部件，由于屬于異種材料的結(jié)合，因此鋼混結(jié)合部的破壞機(jī)理也更為復(fù)雜，比如鋼格室當(dāng)中出現(xiàn)破壞后，很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)破壞后的后期維護(hù)和補(bǔ)救也較為困難。因此對(duì)于混合料鋼-混結(jié)合部破壞機(jī)理的研究實(shí)驗(yàn)就顯得尤為必要，只有對(duì)其破壞模式和破壞階段的延續(xù)性進(jìn)行深入考察，才能更好地保證鋼混結(jié)合部的安全可靠性。

3.4 鋼-混結(jié)合部當(dāng)中混凝土結(jié)構(gòu)的配制和澆筑

鋼-混結(jié)合部當(dāng)中有著密集的連接件、鋼板、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋，由于混凝土澆筑的空間較小，因此混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和壓實(shí)就變得較為困難。特別是設(shè)置有鋼格室的鋼混結(jié)構(gòu)，鋼格室當(dāng)中混凝土的實(shí)際填充情況不能及時(shí)查看，若出氣孔的設(shè)置不夠合理，振搗時(shí)的氣泡將會(huì)很難排出，極有可能混凝土與局部鋼板會(huì)出現(xiàn)脫空的情況，從而對(duì)鋼混結(jié)合部的受力性能造成直接影響。因此在實(shí)際的工程建設(shè)過程中，對(duì)于混合梁鋼-混結(jié)合部的施工均會(huì)成立專項(xiàng)課題，并對(duì)高流動(dòng)混凝土材料的配比以及混凝土澆筑的順序和位置進(jìn)行充分考慮。另外，鋼-混結(jié)合部當(dāng)中的混凝土若出現(xiàn)水化熱分布不均的情況，也極易會(huì)導(dǎo)致溫度裂紋的出現(xiàn)。例如，日本的大洲高架橋混合梁鋼-混結(jié)合部的縱向斷面最大達(dá)到高2.83m，寬7.5m，因此在設(shè)計(jì)過程中就進(jìn)行了三維溫度和溫度應(yīng)力有限元的相關(guān)分析。研究結(jié)果表明，鋼混結(jié)合部如果采用一次性澆筑，澆筑后模型中心在57h后溫度會(huì)達(dá)到87℃，齡期30d時(shí)，應(yīng)力就會(huì)超過抗拉強(qiáng)度，齡期60d后，應(yīng)力為3.01MPa。如果鋼混結(jié)合部分兩個(gè)階段來施工，澆筑33h后，模型中心的溫度對(duì)達(dá)到83℃，應(yīng)力也不會(huì)超出抗拉強(qiáng)度[3]。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著國(guó)內(nèi)鋼產(chǎn)量生產(chǎn)過剩以及鋼材價(jià)格的逐漸降低，鋼結(jié)構(gòu)在大型橋梁工程項(xiàng)目中的應(yīng)用也越來越多，相比目前普遍應(yīng)用的鋼橋和混凝土橋梁不連續(xù)的設(shè)計(jì)方案，混合梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝以及后續(xù)維修都更加趨于科學(xué)合理，并且鋼-混結(jié)合部是作為混合梁的重要構(gòu)造，鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu)可以將混凝土和鋼材各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以充分的發(fā)揮。本文對(duì)混合梁鋼-混結(jié)合部的具體構(gòu)造形式和在橋梁工程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并對(duì)當(dāng)前鋼混結(jié)合部的技術(shù)特點(diǎn)以及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)探析，從而為我國(guó)混合梁鋼混結(jié)構(gòu)在橋梁工程項(xiàng)目中的有效應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。