混合梁结合部受力研究

李国峰，李 丹，张 京

（北京市市政工程设计研究总院，北京市 100082）

1 概述

混合梁通过对钢材和混凝土两种材料合理利用,使得混合梁的受力性能、跨越能力、经济性能等方面得到很大改善。钢梁与混凝土梁之间通过过渡段进行内力传递，所传递的内力主要有轴力、弯矩、剪力，扭矩等，其中扭矩的传递以结构外边缘线的剪力方式传递。由于钢梁与混凝土梁刚度相差大,结合部成为混合梁的薄弱环节,结合部成为混合梁设计的关键技术之一。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。

连接方法可分为以下几种类型：

（1）混合梁过渡段根据是否全截面结合可分为有格室和无格室过渡段。

（2）有格室和无格室过渡段又可根据承压板的位置可分为前承压板、后承压板和前后承压板，具体形式见图1、图2。

图1 有格室组合段

图2 无格室组合段

2 实桥计算分析

马西路南沿跨南五环混合梁桥设计，马家堡西路南延上跨五环路，由于下部被交路限制，工程采用混合梁结构形式，见图3。

主要结构布跨及平面布置形式见图4、图5。

2.1 结构整体计算

2.1.1 钢梁长度比的选择

由于本工程桥梁布置时受到南五环、燃气管线及规划道路的控制，边中跨分别38 m和49 m，边中跨比为0.775。对于钢梁伸入边跨的混合梁，钢梁长度比一般约为1.3，初步确定钢梁长度为65 m，梁高取为1.8 m。横断面布置见图6。

图3 工程位置示意图

图4 马西路跨南五环混合梁桥立面图

图5 马西路跨南五环混合梁桥平面图

图6 马西路跨南五环混合梁桥平断面图

2.1.2 桥梁整体计算

结构计算采用MIDAS CIVIL 2010梁单元计算。计算考虑荷载主要有：自重、汽车荷载，整体温升，整体温降、截面梯度温度（升、降），支座不均匀沉降。根据施工顺序（现浇混凝土梁，吊装为边段钢梁并连接，最后吊装中段钢梁）进行整桥的计算。结构布束及应力状态见图7～图9。

图7 预应束布置图

图8 预应混凝土短期效应下应力包络图

图9 弹性组合下主梁应力包络图

梁体处于全受压状态，短期效应组合下最大压应力为11 MPa。

在弹性组合下（1+1组合）钢梁的支点最大应力为103 MPa，跨中最大应力89 MPa。均在规范要求范围内，且两者相差不大，较好地利用了材料。

2.2 过渡段及剪力键计算分析

2.2.1 过渡段分析

由于结构由混凝土梁过度到钢结构断面时，结构的截面刚度变化剧烈，为了避免应力分布不均及引起的结构疲劳破坏。须设置刚度过渡段。通过加强板的形式进行刚度过渡以及将钢梁内力较为均匀地传递到承压板。模型及计算结构见图10、图11。

图10 组合段有限元模型

图11 钢板有效应力图

计算表明钢板受力较为均匀，刚度过渡段设置合理，最大应力约为130 MPa，符合规范要求。

2.2.2 剪力键受力分析、研究

钢与混凝土混合梁之间的连接键主要有两种：圆柱头焊钉和开孔钢板。本工程采用圆柱头焊钉的连接结构形式，见图12、图13。

图12 开孔钢板与焊柱组合

图13 组合段段平立面（单位：mm）

《公路钢结构桥梁设计规范》（征求意见稿）对组合梁的钢与混凝土面处的焊钉抗剪承载力给出了相应规定：

式中：Vu－圆柱头焊钉连接件在极限状态下的承载力设计值；Ec－混凝土的弹性模量；As－圆柱头焊钉杆径截面面积；fcd－混凝土抗压强度设计值；fsd－圆柱头焊钉抗拉强度设计值；γ－焊钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。

焊钉的布置可以根据剪力及以偏载下扭转应力进行布置，也可以均匀布置。在本工程中，为研究焊钉的分布状态，在过渡段的三维模型中以弹簧模拟焊钉，各焊钉的内力分布见图14。

图14 剪力作用下焊钉内力分配图

系列1～9分别为高度方向各排，横坐标为横桥向焊钉位置，竖坐标为剪力值。从图可以看出两外侧腹板处剪力分担最大，且各高度处分配均匀；其次是中间腹板，但最大值约为最外侧腹板的一半。在高度上，顶底两排剪力较大，越靠近顶缘或底缘越大，越靠近中性轴处，剪力越小；腹板间的剪力均很小。

剪力键除承担主梁剪切作用所分担的剪力外，还需要承担偏载作用下扭矩分配的剪力。在设计扭矩作用下焊钉的竖向剪力分配见图15。

图15 扭矩作用下焊钉竖向剪力分配图

在扭矩作用，外侧腹板承载较大的竖向剪力，顶底板承担较大的水平剪力其余焊钉分配剪力均很小。

3 结论

马西路南延高架桥跨越南五环，设计采用了混合梁，很好地解决跨越五环路的交通导行问题。通过结构的设计和分析过程总结出以下几点内容，可供今后工程进行参考：

（1）本工程采用混合梁较好地解决了跨现况道路的问题。

（2）在边中跨不太合理且无法改变的情况下，选择了合理的钢梁长度比，主梁内力分布合理，较好地利用了材料，安全度比较统一。

（3）根据桥梁的实际情况，选择了便于施工的组合段，须设置合理的过渡段，使结构应力得以均匀分布。

（4）通过计算发现，外侧腹板在剪切作用下，分担的剪力很大，而且在扭矩作用下分但的剪力也较大，需要进行叠加。中腹板处在剪切作用下，分担的剪力较大，越靠近顶底板越大，在顶底板处，扭矩的产生较大的水平剪力，设计时应进行双方向剪力组合。

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