钢箱梁与混凝土墩柱连接节点的研究与应用

张云夫

(荆州市政府投资工程建设管理中心 荆州 434000)

1 钢箱梁桥的发展

箱型梁桥诞生于19世纪中期，1850年建成通车的布列坦尼亚桥(Britannia Bridge)是世界上用熟铁板铆接而成的第一座铁路箱形梁桥。第二次世界大战后，德国正式采用钢桥面板(正交异形板)作为承受轮载的桥梁，同时作为主梁翼缘参与主梁共同工作，建成了许多连续钢板梁桥和连续钢箱梁桥，由于经济性较好，很快被世界各国采用。20世纪60年代，由于大型辊压钢板、自动化切割和焊接等技术的发展，钢箱梁技术得到了快速发展。20世纪70年代末期以后，伴随着薄壁结构计算理论、有限元理论和计算机技术的进步，钢箱梁发展迈上了一个新台阶。

钢箱梁在我国的发展起源于20世纪60年代，且多用于铁路桥梁，90年代我国才开始使用正交异性钢桥面板箱梁，但发展速度非常快，20年间取得了令世界瞩目的辉煌成就[1]。

2 钢箱梁与混凝土墩连接节点问题的提出

钢筋混凝土墩柱结构刚度大，可根据需要设计成板式墩、花瓶式墩及柱式墩等造型。墩身底部一般埋入土中，混凝土墩柱又具有较强的耐腐蚀性，所以在桥梁设计中应用广泛。

钢箱梁桥一般采用混凝土墩柱，钢箱梁与混凝土墩柱的连接方式至关重要，常用以下2种形式。

1) 钢箱梁和混凝土墩柱之间采用支座连接，其处理方式和常规钢筋混凝土桥梁墩连接一致，在此不作赘述。

2) 由于结构体系、造型等限制，钢箱梁和混凝土墩柱之间无法安装支座，将两者直接连接形成节点，对此节点的结构形式的研究和应用是本文的重点。

3 墩梁连接节点构造形式

钢箱梁与混凝土墩柱的连接有2种方式，即刚接与铰接。从桥墩的受力来分析，若采用铰接，则桥墩为一般受压柱，受力简单，可释放梁传给墩柱的弯矩，但是铰接连接构造较复杂，造价昂贵且耐久性不好,因此钢箱梁与混凝土墩柱连接常采用刚接节点。

针对刚接节点，提出以下方案并从施工难易程度、经济性、耐久性等方面比较，结果见表1。

表1 各连接形式比较表

4 工程实例

4.1 工程概况

海子湖大道太湖港桥位于湖北省荆州市海子湖大道跨太湖港桥处，根据方案设计，主桥采用36 m+60 m+36 m预应力混凝土变高现浇箱梁，分3幅布置，在每2幅之间采用系杆拱桥装饰，结构布置见图1。

图1 装饰系杆拱桥总体立面布置图(单位：m)

拱肋采用八边形钢箱梁，高1 m、宽1.5 m，中跨拱肋矢跨比1/4，边跨拱肋矢跨比1/3.6。系杆采用矩形钢箱梁，高1 m、宽1.5 m，均采用板肋对顶、底、腹板进行加劲，板肋间距250～300 mm，拱肋和系杆均设置框架式隔板改善畸变应力，间距约2 m。吊杆采用直径300 mm的钢管，桥墩与系梁等宽，主要断面布置见图2～3。

图2 拱肋横断面图(单位：mm)

图3 系杆横断面图(单位：mm)

由于装饰系杆拱桥与主桥分离，不承受汽车及人群活载，仅承受自重恒载、不均匀沉降、温度及横风荷载，从景观性考虑，为使结构显得轻巧灵动，系杆和拱肋采用钢箱截面。鉴于装饰系杆拱桥横桥向很窄(仅1.5 m)，考虑到横向稳定性，系杆钢箱梁与混凝土桥墩之间无法设置支座，仅可形成刚性节点，将荷载传递至基础。

4.2 系杆钢箱梁整体计算

计算考虑自重、不均匀沉降、温度及横风等荷载[2]，采用有限元程序midas Civil进行建模计算，模型见图4。

图4 模型离散图

主要计算结果如下。

1) 应力。

拱圈：截面上缘最大拉应力25.0 MPa，最大压应力45.0 MPa；截面下缘最大拉应力41.6 MPa，最大压应力41.4 MPa。

系梁：截面上缘最大拉应力30.7 MPa，最大压应力49.6 MPa；截面下缘最大拉应力46.3 MPa，最大压应力51.1 MPa。

各截面正应力均小于强度设计值fd=275 MPa，满足规范要求[3-4]。

2) 刚度。主梁静活载最大挠度24.6 mm，挠跨比δ/L=1/24 39<1/500，满足规范要求[5]。

3) 屈曲。由于结构横向尺寸很小，一阶屈曲模态为中跨拱肋面外变形，屈曲系数55>5，满足规范要求。

图5 拱肋一阶屈曲模态图

4.3 系杆钢箱梁与墩柱节点连接形式选择

本工程钢箱梁与混凝土墩柱节点类型的选择考虑以下因素。

1) 整个结构仅为装饰，节点受力不大，对连接部位密贴性要求不高。

2) 结构尺寸不大，在钢箱内张拉预应力钢筋或拧紧螺栓等施工空间有限。

3) 工期紧张，工序要求简单并考虑一定的经济性。

通过表1中的比选和系杆钢箱梁整体计算结果，结合本工程实际情况，综合考虑采用方案二钢筋锚固连接。

4.4 系杆钢箱梁与混凝土墩节点设计

根据上一章节的比选结果，选取了钢筋锚固的连接方式，将桥墩边缘钢筋伸入系杆钢箱，为使连接节点进一步结合紧密，在系梁底3 m范围内的桥墩截面增设核心钢筋，如图6 “B-B”断面所示，核心钢筋与桥墩边缘钢筋一同伸入至系杆钢箱顶部，然后在系杆钢箱与钢筋的连接区域填充与桥墩同标号混凝土，使钢筋与混凝土结合产生握裹力以抵抗节点所承受的各种荷载。

图6 节点立面及横断面图(单位：mm)

4.5 桥墩与钢箱梁结合处截面计算

以下计算以中墩为例，按偏心受压构件计算，且不计核心混凝土处的钢筋。

中墩身截面为1.8 m×1.5 m矩形截面，纵向墩身主筋单侧采用18根直径25 mm的HRB400钢筋，横向墩身主筋单侧采用15根直径25 mm的HRB400钢筋，主筋距混凝土表面距离as=6.5 cm。

1) 墩身强度检算

表2 墩身强度检算表

2) 墩身裂缝检算

表3 墩身裂缝检算表 mm

根据以上计算，拱肋、系梁及桥墩受力均满足规范要求，锚固钢筋伸入系梁填充混凝土内长度为95 cm，满足规范规定的锚固长度。采用钢筋锚固连接节点构造简单，施工方便，传力明确，可保证荷载通过节点有效传递至桥墩。

4.6 注意事项

1) 桥墩边缘钢筋和核心钢筋需要伸入系杆钢箱内，系杆钢箱底板预留钢筋伸入孔。在施工过程中为保证钢筋顺利通过，需将钢筋2～4根作为1组，在底板布置长圆孔，即使个别钢筋定位稍有误差，也可以通过长圆孔纠偏，如图7所示。

图7 节点钢箱底板钢筋预留孔布置图

2) 根据抗震设计规范[6]，塑性铰配置的箍筋应延伸至盖梁和承台内，因此桥墩箍筋应延伸布置于系梁填充混凝土内。

5 结语

1) 介绍了钢箱梁的发展和在我国的应用情况，提出了钢箱梁与混凝土墩柱连接节点问题。

2) 通过对钢箱梁与混凝土墩刚接与铰接2种连接方式进行分析，采用了刚接的连接方式，并对钢箱梁与混凝土墩常用的4种连接方式进行了比较。

3) 根据总体计算和工程实际情况及各连接形式的适用特点，选择了“钢筋锚固连接”的连接形式，并对此种连接形式进行了结构设计。

4) 对钢筋锚固连接节点的钢筋穿入和桥墩箍筋布置提出注意事项，为以后类似工程的设计提供了一定的经验。

[1] 贾高炯.钢箱梁桥设计[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2] 公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 公路钢结构桥梁设计规范：JTG D64-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] 侯东序，董伟，吴智敏，等.CFRP加固局部薄弱混凝土桥墩非线性分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2014，38(3)：520-524.

[5] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6] 城市桥梁抗震设计规范：CJJ 166-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.