铁２０ 道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 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 ，张奇志 （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８１８ ｍ，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 ｌ 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１ ４０５ ｎｌ，跨 径布置为（７０＋７５＋８４＋８１８＋２３３．５＋１２４．５）ｍ，主跨 ８１８ ｍ，是国内最大的整体式断面不对称高低塔钢一混 凝土混合梁斜拉桥。斜拉桥为密索半漂浮结构体系， 九江斜拉桥主梁采用整体式扁平宽幅箱形截面，全 宽３８．９ ｍ，中心线处梁高３．６ ｍ。九江侧边跨和主塔附 近３２．５ ｍ主跨为预应力混凝土箱梁，长２６０．９ ｉｎ。主跨 绝大部分和湖北侧边跨为钢箱梁，长１ １３４．４５ Ｉｎ。混凝 土箱梁和钢箱梁之间设置８．１５ ｍ长钢混结合段 。 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 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８００ ｍ以上的斜拉桥，除苏通大桥为钢箱梁外，俄 斯海参威大桥、香港昂船洲大桥、湖北鄂东大桥、１３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。 ７０＋７５＋８４＝２２９ ８１ ８ 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３２．５ １ＴＩ，距第三对拉索１ ｍ； 终点距主塔４Ｏ．６５ ｍ，距第四对拉索０．８５ ｍ。由２ ｍ 九 图１ 斜拉桥主桥布置（单位：ｍ） 混凝土箱梁过渡，２ ｍ钢混凝土组合租４．１５ ｍ钢箱梁 收稿日期：２０１２－１１－１３；修回日期：２０１３－０４－２５ 过渡三部分组成 。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。 基金项目：江西省交通厅科技项目（２０１０Ｃ００００１） 作者简介：吴宝诗（１９４９一），男，江西南昌人，高级工程师。 ２２ 铁道建筑 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３．５ ＩＩ１顶、底板上带有Ｔ形加劲。Ｔ 形加劲高度从８２５ ｍｍ过渡到３８０ ｍｍ，厚度为２５ ｍｍ。 钢箱梁过渡部分 顶板厚２２ ｍｍ，顶板Ｕ肋厚 ｍｍ，基本间距８５０ ｍｍ。外腹板厚３２ ｍｍ，为保证抗压 屈能力，在外腹板外侧设置了３道３００ ｍｍ×３０ ｍｍ水 平加劲肋和２道２２０ ｍｍ×２０ ｍｍ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１６ ｍｍ； 梁内设置两道实腹式纵隔板，厚２４ ｍｍ厚；为保证纵 １０ ｍｍ，除中央分隔带及靠外腹板处外，ｕ肋基本间距 ６００ ｍｍ。水平底板厚２Ｏ ｍｍ，水平底板ｕ肋厚８ ｍｍ， 基本间距８００ ｍｍ。斜底板厚２０ ｍｍ，斜底板Ｕ肋厚８ ０ １ １００． 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。 ＝ Ｑ 图５ １／２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，１：２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 ］：①有限元仿真计算分析；②钢混结合段传力机 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 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 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２０～１５０ ＭＰａ以内，最大应力位于钢箱梁顶板和ｕ肋底部。 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。 结合段混凝土箱梁应力水平在一ｌ３～一２ ＭＰａ之 间，顶板纵向压应力的平均值为一１２．５ ＭＰａ，底板纵向 压应力的平均值为一７．１ ＭＰａ。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一１７ ＭＰａ。 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 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 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 ２３ 板应力分布比较复杂，靠近翼缘附近纵桥向应力较大， 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３０ ｅｍ加至４０ ｃｍ，计算的 顶板局部最大压应力降至１５ ＭＰａ以内，并同时加强了 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。 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 １．０ ＭＰａ以内，最大主拉应力为２．２ ＭＰａ。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。 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９４０ ｍｍ 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 ［１］江西省交通设计院，湖北省交通规划设计院．福银高速公路 九江长江公路大桥施工图设计［Ｚ］．南昌：江西省交通设计院， 湖北省交通规划设计院，２００９． ［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．钢一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）