混合梁斜拉桥结合段设计技术的新发展

混合梁斜拉桥结合段设计技术的新发展
陈开利;余天庆
【摘要】混合梁斜拉桥设计中的关键技术问题之一是结合段的构造措施与设计.根据所收集的资料,在简要介绍结合段常用连接方法的基础上,着重介绍开孔钢板连接件和钢筋混凝土剪力键两种新的连接方法,并提出笔者的观点.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2006(000)005
【总页数】2页(P43-44)
【关键词】混合梁斜拉桥;结合段;连接方法;开孔钢板连接;钢筋混凝土剪力键
【作者】陈开利;余天庆
【作者单位】东北大学,沈阳,110006;湖北工业大学,武汉,430068
【正文语种】中文
【中图分类】U448.21+6
1 概述
混合梁斜拉桥与其他类型斜拉桥的主要区别在于：其主跨与边跨采用两种不同的材料，即两边跨为混凝土主梁，而主跨则为钢主梁，两种不同材料主梁之间设置一个结合段。

结合段是主梁刚度突变点，容易形成结构体系的弱点，解决这个问题的措施是科学、合理地设计结合段的连接方式。

钢与混凝土混合梁之间的连接方法主要有：连接件(剪力键)连接、预应力连接或同时采用这两种方法。

2 连接方式设计技术的新发展
2.1 开孔钢板连接件
在已建成的混合梁斜拉桥中，其钢梁与混凝土梁结合段通常使用的剪力键为焊钉连接件。

但是焊钉在格室腹板、顶板及底板的焊接难度相对较大，且数量又多，使得制造与施工相当烦杂。

而开孔钢板连接件仅仅是板件的焊接，抗剪刚度、强度比较大，又不易受疲劳的影响。

日本新近建成的新川桥为5跨连续梁，跨径为(39.2+40.0+118.0+40.0+39.2)m。

其118 m的主跨采用钢箱梁，钢箱梁延伸到两侧的40.0 m跨中，与混凝土梁相连，成为钢梁与混凝土梁的混合结构。

该桥首次在结合段中采用了开孔钢板连接件。

该桥采用有格室的后承压板构造的结合方式。

但是它与斜拉桥中的主梁不同，是连续梁结构体系，结合部上作用的截面力主要是弯矩，即可以置换成作用在上下格室上的轴向力。

结合部位于负弯矩区，顶板与中性轴以上的侧格室上作用拉力，而底板与中性轴以下的侧格室外上作用压力。

轴向力传递由格室中的连接件以及后承压板承担，并在受拉的顶板与中性轴以上的侧格室中施加预应力来保证结合部不产生拉应力，如图1所示。

图1 用开孔板连接件的结合部格室构造示意
结合部设计时考虑以下几个主要问题。

(1)结合段的设计要能够使钢截面与混凝土截面单独承担截面力，保证足够的强度。

(2)采用比焊钉连接件具有更优的抗滑移性能、且施工性好的开孔板连接件。

(3)关于连接件与后承压板荷载分担比例，设压缩侧各自分担35%、65%；而拉伸侧各自分担60%、40%。

(4)连接件沿纵向剪力呈三角形分布，不考虑钢与混凝土的粘着及摩擦。

(5)开孔板连接件承载力计算式为Qa=1.4αd2σc/f，式中，d为开孔板的孔径，σc 为混凝土设计强度，承载力修正系数α=0.7，安全系数f=2.1。

(6)开孔板中贯通钢筋依据试验以及考虑施工的方便性，从极限状态安全性的角度加以设置。

2.2 钢筋混凝土剪力键(PBL)
2.2.1 钢筋混凝土剪力键在南京长江第三大桥中的应用
南京长江第三大桥主桥为钢塔钢箱梁双索面斜拉桥，其索塔设计为“人”字形，塔柱高215 m。

钢塔与混凝土下塔柱之间设钢-混凝土结合段，结合段沿塔柱轴线方向高8.755 m，采用钢筋混凝土剪力键(PBL)和底座作为传递荷载的主要构件，剪力钉作为辅助传力元件，承压板作为强度储备。

钢-混凝土结合段中的钢结构，分为锚固箱(即钢塔柱的0号节段)、底座及底座定位件3个部分。

锚固箱底板及底座通过M20高强螺栓连接，底座通过M20高强螺栓与底座定位件连接，而底座定位件则定位于下塔柱的劲性骨架上。

底座定位件、底座和锚固箱的一部分预埋在混凝土中，另一部分锚固箱(长度为1.77 m)则伸出混凝土外，与钢索塔1号节段连接，该伸出段内，再浇筑1 m高的混凝土。

锚固箱(钢塔柱0号节段)的壁板和腹板上开有φ60 mm倒角圆孔，穿过φ25 mm 二级钢筋与进入该孔的混凝土包裹在一起形成PBL。

沿塔柱轴线方向，锚固箱共布置不同高度的22排PBL：锚固箱上半段14排圆孔的排距为220 mm，下半段8排的排距则为440 mm。

圆孔的水平方向间距基本为170 mm。

在锚固箱壁板及腹板加劲肋的另一侧焊有与PBL相对应的剪力钉，剪力钉的规格为φ19 mm×130 mm。

这些剪力钉与PBL共同承担钢塔柱与混凝土塔柱间力的传递。

在南京长江第三大桥索塔的钢-混凝土结合段中，如前所述，采用了将钢塔柱埋入混凝土塔柱中，并通过PBL开孔剪力键传递应力。

图2为钢-混凝土结合段构造及受力情况示意图。

设计时对如下几个方面作了分析。

(1)承载力(安全性) 确认钢塔柱的截面内力确确实实传递到了混凝土下塔柱及下横梁之节点(包括结合段)上。

确认钢筋混凝土下塔柱与下横梁(刚架)的传力情况及应
力分布情况。

(2)结构构造、施工性混凝土必须有很好的填充性能。

对钢筋的制作、安装等作
业进行周密的考虑。

(3)耐久性考虑设置周密的混凝土的防裂措施，制定防雨水对策。

图2 钢-混凝土结合段构造及受力情况示意
2.2.2 将钢筋混凝土剪力键(PBL)用于混合梁斜拉桥的主梁结合段的思考
笔者认为，钢筋混凝土剪力键(PBL)虽然是用于南京长江第三大桥钢塔柱与混凝土
塔柱的连接，但从图2可以看出，它的受力状况与混合梁斜拉桥的主跨钢梁与边
跨混凝土梁结合段的受力状况基本相同，表明PBL也可以用于混合梁斜拉桥主梁
的结合段。

其实，本文2.1节所讲的“开孔钢板连接件”，与PBL很有相似之处。

随着建筑形式的多样化，钢与混凝土混合使用的建筑物将越来越多，钢与混凝土之间传力连接构件的选取将基于钢-混凝土新型剪力连接键的研究与设计。

近20年来，世界各国的科学家和工程师们一直致力于研究更为高强、方便、安全和廉价的新型剪力连接键。

在德国，赖翁哈特(Leonhardt)教授和Partners公司发展了一
种称为Perfobond Strip的剪力连接键。

这种剪力连接键最初在组合梁上采用。

它由带孔钢板组成，穿过这些钢板孔灌注混凝土，在成型后形成一系列混凝土榫来抵抗剪力。

该连接键用于组合梁时，通常采用30～35 mm的较小孔径，孔中心距通常采用2倍的孔径。

该连接键要求有钢筋穿过，但由于钢筋间距的限制，通常每隔2～3个孔穿1根筋，且钢筋直径较小(小于14 mm)。

赖翁哈特教授推荐采用式(1)计算抗剪承载力
(1)
式中SF——单孔极限承载力；
混凝土圆柱体强度；
D——孔径。

为保证按式(1)所计算的承载力，要求穿过Strip设置钢筋，使之围绕Strip对混凝土施加约束，使得孔中混凝土处于三向受压状态。

需要的钢筋数量可以通过式(2)
计算
Ast≥0.85×SF*/fsy
(2)
式中SF*=0.7SF，SF*为设计剪力值；
Ast——所需钢筋面积；
fsy——钢筋屈服强度。

与剪力钉相比，Strip连接键延性较好，在滑移量达到15 mm时仍承担80%的极限荷载；而栓钉在滑移量达到10 mm后，荷载就开始突降，某些钉被剪断。

在40%极限荷载下经过200万次疲劳试验后，Strip滑移量仅0.14 mm，而剪力钉
高达1.5 mm，因此，Strip不易疲劳。

3 结语
用开孔钢板连接件作为结合段的连接方式，首次在日本新川桥(5跨连续梁)上应用，取得了很好的效果；在国内，用PBL作为钢塔与混凝土下塔柱之间的结合段，成
功地应用在南京长江第三大桥上。

这两种新型连接方式的成功应用，为混合梁斜拉桥结合段连接形式的设计提供了一个新思路。

参考文献：
[1]李先瑞等编译．钢-混凝土组合结构设计手册[K]。

北京：地震出版社，1992。

[2]中须诚，伊藤正人，谷中慎，等。

木曾川桥。

揖斐川桥复合构造接合部の设计
と施工[J]。

プレストレストコンクリ-ト，2000，42(1)。