九江长江公路大桥主桥钢混结合段设计及优化

Railway Engineering August，2013

文章编号:1003-1995(2013)08-0020-04

九江长江公路大桥主桥钢混结合段设计及优化

吴宝诗1，张奇志2

(1．江西省交通设计院，江西南昌330002;2．中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034)

摘要:九江长江公路大桥主桥为六跨不对称混合梁斜拉桥，主跨818m，为国内最大的整体式断面不对称低塔混合梁斜拉桥。主桥钢箱梁与混凝土箱梁结合段采用有格室后承压板式构造，本文详细介绍了钢混结合段的构造设计;在研究和吸取国内外斜拉桥钢混结合段设计经验的基础上，就结合段受力和性能进行了专题研究，包括结构仿真计算和模型试验，并据此对设计进行了优化。

关键词:斜拉桥钢混结合段设计试验优化

中图分类号:U442文献标识码:A DOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2013．08．06

1工程概况

九江长江公路大桥按双向六车道高速公路标准建设，主桥为六跨不对称混合梁斜拉桥，桥长1405m，跨径布置为(70+75+84+818+233.5+124.5)m，主跨818m，是国内最大的整体式断面不对称高低塔钢—混凝土混合梁斜拉桥。斜拉桥为密索半漂浮结构体系，扇形布置空间索。在索塔横隔梁与主梁间设置竖向承压的双向活动支座和纵向冲击荷载阻尼约束装置，索塔与主梁侧设置横向抗风支座，见图1。

混合梁斜拉桥可减少大跨径钢斜拉桥挠曲变形，提高斜拉桥主跨的跨越能力，同时能较好地解决主跨与边跨间比例不协调的矛盾。国内外已建成通车的主跨800m以上的斜拉桥，除苏通大桥为钢箱梁外，俄罗斯海参威大桥、昂船洲大桥、湖北鄂东大桥、日本多多罗大桥、法国诺曼底大桥和湖南荆岳大桥均为混合梁结构。

九江斜拉桥主梁采用整体式扁平宽幅箱形截面，全宽38.9m，中心线处梁高3.6m。九江侧边跨和主塔附近32.5m主跨为预应力混凝土箱梁，长260.9m。主跨绝大部分和湖北侧边跨为钢箱梁，长1134.45m。混凝土箱梁和钢箱梁之间设置8.15m长钢混结合段［1］。

钢混结合段设计是混合梁斜拉桥的关键技术，结合段前后主梁刚度、强度差异较大，结合段位置承受较大的轴向压力、结构自重和车辆荷载，受力复杂，计算困难。必须采取有效措施，保证不同结构材料主梁紧密连成整体，结构刚度平稳过渡，有效传递结构内力和变形，同时具有良好的抗疲劳性和耐久性。

2钢混结合段设计

九江斜拉桥钢混结合段采用部分填充混凝土的后承压板式，位于斜拉桥主跨九江侧第三对拉索和第四对拉索之间。起点距主塔32.5m，距第三对拉索1m;终点距主塔40.65m，距第四对拉索0.85m。由2

m

图1斜拉桥主桥布置(单位:m)

收稿日期:2012-11-13;修回日期:2013-04-25

基金项目:江西省交通厅科技项目(2010C00001)

作者简介:吴宝诗(1949—)，男，江西南昌人，高级工程师。

混凝土箱梁过渡，2m钢混凝土组合和4.15m钢箱梁

过渡三部分组成［2］。结合段混凝土部分采用C55钢

纤维混凝土浇筑，设置纵横向预应力;钢结构部分采用

和钢箱梁相同钢材，主要是Q345qD制作，见图2。

02

2013年第8期吴宝诗等:九江长江公路大桥主桥钢混结合段设计及优

化

图2主桥钢混结合段纵桥向布置(单位:mm )

结合段钢混凝土组合部分和钢箱梁过渡部分之间设置有厚度60mm 的强劲的后承压钢板，混凝土箱梁过渡部分和钢混凝土组合部分之间设置有厚度900mm 的混凝土横隔梁。混凝土横隔梁在钢箱梁一侧除顶底板和纵腹板位置设置钢格室外，其余位置设有厚25mm 的后挡板，在距承压钢板1.7m 的钢箱梁过渡部分上设置有钢横隔梁。

结合段中的2m 长混凝土箱梁过渡段，结构和主桥混凝土箱梁类似，为单箱三室带次梁箱形截面;标准梁段顶板厚30cm ，底板厚28cm 。从纵桥向依次为0.5m 长混凝土箱梁标准横断面段(见图3)，1.05m 的顶底板倒角段和0.45m 长的混凝土横隔梁段。混凝土箱梁过渡段设两片中腹板，标准厚度50cm ，中心间距15.2m ，位置与钢箱梁纵隔板位置对齐。为改善混凝土箱梁顶底板横向受力，控制宽幅混凝土箱梁施工裂缝，在箱梁顶底板各设4片小次梁。

钢混凝土组合部分钢箱梁为多格室结构，以提高对核心混凝土的约束。顶底板上钢格室高为800mm 。

顶板钢格室基本间距600mm ，底板处钢格室基本间距800mm ，斜底板处钢格室基本850mm 。顶板钢格室顶板厚22mm ，底板厚25mm ;底板钢格室顶板厚25mm ，底板厚20mm 。其上设置剪力钉(带圆柱头，直径19mm ，长度150mm )，剪力钉基本间距150mm 。顶底板钢格室侧板厚25mm ，上开有 65的圆孔，并以 20HRB335钢筋穿过与进入该圆孔内的混凝土包裹在一起形成钢筋混凝土剪力键(PBL )。

钢混凝土组合部分中纵腹板位置设置有950mm 宽的钢格室，格室侧板厚25mm ，内设剪力钉。混凝土横隔梁在钢箱梁一侧的后挡板上，向格室内设剪力钉，剪力钉基本间距150mm ˑ200mm ，见图2和图4。

钢格室顶、底钢板伸入混凝土箱梁过渡段内1m ，混凝土箱梁内普通钢筋伸入钢格室混凝土中。钢格室内填充混凝土与混凝土箱梁连接成为一个整体，混凝土箱梁的纵向预应力通长钢束和粗钢筋通过结合段中混凝土锚固于后承压板上，将主桥混凝土箱梁和钢箱梁紧密结合

。

图31/2混凝土箱梁部分标准横断面(单位:mm

)

图41/2钢混凝土组合部分横断面(单位:mm )

1

2

铁道建筑August ，2013

钢箱梁过渡部分结构与标准钢箱梁段类似，其中靠近后承压板的3.5m 顶、底板上带有T 形加劲。T 形加劲高度从825mm 过渡到380mm ，厚度为25mm 。

钢箱梁过渡部分

［3-5］

顶板厚22mm ，顶板U 肋厚

10mm ，除分隔带及靠外腹板处外，U 肋基本间距600mm 。水平底板厚20mm ，水平底板U 肋厚8mm ，基本间距800mm 。斜底板厚20mm ，斜底板U 肋厚8

mm ，基本间距850mm 。外腹板厚32mm ，为保证抗压屈能力，在外腹板外侧设置了3道300mm ˑ30mm 水平加劲肋和2道220mm ˑ20mm 水平加劲肋，见图5。

钢箱梁过渡部分梁内横隔梁为整体式，厚16mm ;梁内设置两道实腹式纵隔板，厚24mm 厚;为保证纵隔板抗压屈能力，设置了4道T 形加劲肋，并将纵隔板焊接于横隔梁上

。

图51/2顶、底板带有T 形加劲的钢箱梁部分横断面(单位:mm )

3钢混结合段试验研究

九江桥主桥钢混结合段的位置、主梁构造设计等

与已建大跨径混合梁斜拉桥有较大差异。为保证九江桥钢混结合段安全性、可靠性及其混凝土防裂及耐久性，对国内已建混合梁斜拉桥进行了考察，对结合段受力和性能进行了专题研究和结构仿真计算，

1ʒ2节段模型、钢格室模型、钢梁局部加劲段模型等试验。主要包括

［6］

:①有限元仿真计算分析;②钢混结合段传力机

理及性能试验研究;③钢箱梁与混凝土箱梁刚度过渡平稳性测试及建议;④钢混结合段承载能力、破坏机理试验研究;⑤钢混结合段构造形式优化建议;⑥钢混结合段安全性、可靠性及耐久性评价;⑦钢混结合段剪力键抗疲劳试验研究;⑧钢混结合段施工工艺研究等。

计算和试验结果表明九江长江公路大桥钢混结合段采取全断面、混凝土外包钢壳体的连接方式，钢结构和混凝土结构段的有效受力面积大于两侧的钢梁和混凝土梁。在设计最不利荷载、

1.8倍设计最不利荷载、设计最不利荷载加4倍活载的多种工况下，结构各部位具有足够的强度，静力承载能力满足设计要求。没有观察到混凝土结构开裂、钢结构屈曲、结构位移突然增大等结构破坏迹象，结合段具有较大安全储备。

在最不利荷载工况下结合段顺桥向应力能够有效传递，从标准钢梁段至混凝土梁段，结构应力水平逐渐降低;结合部与附近梁段相对变形较小，且变化平顺，结合段内力和刚度过渡平稳。

经200万次疲劳试验加载，结合段钢格室模型应力和整体刚度没有发生明显变化，没有观察到疲劳损

伤裂缝，结合段具有足够的抗疲劳性能。

在预应力作用下，钢混结合段的传力机理表现为摩擦粘结传力、剪力钉群传力和混凝土柱经承压板轴向传力。计算和试验表明，在轴力作用下，有50%轴力直接通过承压板传到混凝土核心柱;其余轴力由钢隔室内的剪力钉和PBL 剪力键传递。

4

设计思考和优化

4.1

结合段箱梁截面

由于主塔附近的主梁承受很大的轴向力，为保证结

合段内力传递顺畅，避免结合段端面重心突变而引起附加弯矩，九江桥钢箱梁和混凝土箱梁采用了完全一致的扁平整体式箱形截面，顶底板和主肋完全对应，钢箱梁和混凝土箱梁截面重心基本吻合，相差在5%以内。

有限元仿真计算分析表明，结合段钢箱梁在各工况下，从普通梁段、钢梁过渡段到结合部钢梁位置应力变化较为平顺，钢结构Von Mises 应力都在20 150MPa 以内，最大应力位于钢箱梁顶板和U 肋底部。

结合段混凝土箱梁应力水平在－13 －2MPa 之间，顶板纵向压应力的平均值为－12.5MPa ，底板纵向压应力的平均值为－7.1MPa 。由于结合段混凝土箱梁两端传递过来的轴力分别对截面顶、底板形心会形成偏心距，同时预应力布置位置与顶底板截面形心也会有偏心，使得顶板有向顶面弯曲、底板向底面弯曲的趋势。其结果是顶板底部应力要明显大于顶板顶部，局部顶板最薄弱截面最大主压应力为－17MPa 。

九江桥主梁为宽幅整体式箱梁截面，混凝土箱梁段和钢箱梁段都存在明显的剪力滞效应。混凝土梁顶

2

2

板应力分布比较复杂，靠近翼缘附近纵桥向应力较大，靠近纵隔板和纵肋附近应力稍大，其余位置应力则较小。应力云图上显示应力较大位置主要位于板的宽度和厚度的局部区域，占板厚和板宽的比例很小。

结合段采用C55钢纤维混凝土，混凝土主压应力和正截面压应力均在规范容许范围内。为了确保混凝土顶板的耐久性，施工时将结合段混凝土箱梁过渡段的顶板最薄弱处截面厚度由30cm加至40cm，计算的顶板局部最大压应力降至15MPa以内，并同时加强了混凝土箱梁最薄弱处截面顶底板的普通钢筋配置。4.2混凝土箱梁局部拉应力

结合段混凝土箱梁大多数部位的主拉应力都在1.0MPa以内，最大主拉应力为2.2MPa。从混凝土梁传递过来的轴力，在横隔梁与顶底板连接位置附近产生较大偏心矩，而横隔梁刚度非常大，变形很小，这就使得梁底板向下变形。底板与横隔梁连接区域附近受拉，需要在构造和配筋上局部加强。

结合段混凝土横隔梁总体应力水平不高，但计算表明混凝土横隔梁侧面主拉应力较大，在升温和收缩作用下主拉应力的进一步增大，有可能导致混凝土横隔梁裂缝。试验研究时对国内混合梁斜拉桥进行了调研，结合段普遍存在较严重的横隔梁裂缝。

九江桥为超宽整体式混凝土箱梁，支架现浇情况下，受高强度混凝土性能、浇筑工艺、收缩和温度影响，混凝土箱梁施工中就易产生裂缝。混凝土箱梁节段足尺模型试验时，箱梁横隔梁侧面也发现较多混凝土竖向裂缝，表明箱梁横隔梁承受较大的横桥向拉力，早期以混凝土的温差和收缩力为主。

针对以上结合段计算、试验和调查，并结合超宽混凝土箱梁浇筑经验，设计时增加了混凝土横隔梁侧表面普通钢筋配置;加强了混凝土横隔梁箍筋和横隔梁与顶、底板倒角处区域角筋配置，以增强其抗裂性能。同时，对预应力张拉顺序进行了调整。

4.3钢格室顶板剪力钉

为保证九江桥钢混结合段内力和刚度的平稳过渡，参照国内钢混结合段的设计经验，结合段钢结构部分顶、底板上增加了变高度的T形加劲肋;结合段钢格室的顶、底板前端伸入混凝土过渡段，经计算和试验，结合段内力和刚度过渡平稳。

研究和计算发现结合段的钢格室上顶板过长，离承压板较远的剪力钉相对滑移较大，导致顶板前端剪力钉受力加大;加之结合部混凝土的收缩和徐变影响，计算分析的最外两排剪力钉受力已超过相关剪力钉规范许可值。横桥向离桥轴线较远的靠近风嘴侧剪力钉受力更大。

剪力钉的刚度是非线性的，当顶板前排剪力钉应力过大时，虽然不致使剪力钉剪断，但过大的位移和剪力可能超过剪力钉和混凝土之间的握裹力，造成顶板脱空。为避免局部受力集中而引起剪力钉破坏，试验一度建议采用刚度滞后剪力钉，或剪力钉根部包裹柔性材料等方式进行处理。但分析表明上述做法会降低剪力钉和混凝土之间的握裹力，使钢格室顶钢板前端更容易上翘，进而对桥面铺装造成较大威胁。研究和试验也考虑了除去顶板最前面几排剪力钉的方法。

钢格室上钢板伸出格室的部分切除后，顶钢板离承压板最远端相对滑移减少，钢格室顶板剪力钉应力明显下降;同时钢格室内剪力钉应力重分布，钢格室内剪力键(PBL键)和上格室底板、下格室顶板剪力钉应力都有所加大。钢格室顶板前端剪力钉除去，不影响钢格室的整体受力。

根据试验结果，施工过程中进行了设计优化，将结合段钢格室上钢板伸出部分割去，沿桥宽切除940mm 长顶钢板前端和三排剪力钉，使顶钢板前端基本与钢格室齐平。

5结语

由于结合段构造上的特殊性和复杂性，设计及计算方面仍然有许多问题有待研究，设计理论和规范需不断完善。九江桥钢混结合段设计根据研究、计算和试验进行了多处优化;施工时根据研究试验结果改进了混凝土配合比和浇筑工艺，特别是就如何保证钢格室内混凝土的浇筑密实度采取了多种措施。设计、科研和施工相结合，较好地控制了混凝土箱梁的早期裂缝，提高了结合段混凝土浇筑质量和钢箱梁制作质量，为大跨径混合梁桥钢混结合段的设计和施工积累了经验。

参考文献

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［2］何伟斌．九江长江公路大桥混合梁结合段构造分析［J］．桥梁建设，2012(1):30-35．

［3］陈开利，余天庆，习刚．混合梁斜拉桥的发展与展望［J］．桥梁建设，2005(2):1-4．

［4］刘玉擎．混合梁接合部设计技术的发展［J］．世界桥梁，2005 (4):9-12．

［5］贾小鹏，刘德军，李小珍，等．钢—混凝土混合结构在梁桥中的应用［J］．铁道建筑，2009(4):8-11．

［6］中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司．九江长江公路大桥斜拉桥钢箱梁与混凝土箱梁结合段试验研究报告［R］．武汉:中铁大桥局集团，2012．

(责任审编赵其文)

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