CN101831866A - 梁的钢-混凝土结合段的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梁的钢-混凝土结合段的结构，包括钢梁、混凝土梁和承压板，钢梁外套于混凝土梁上，从而形成一混凝土梁至钢梁的过渡段，过渡段内的钢梁腹板插入到混凝土梁腹板内形成一钢-混凝土的组合截面；位于过渡段内设有上、下两个封闭的隔仓；承压板是-与钢梁的横断面完全吻合的钢板；过渡段内钢梁与混凝土梁接触部位均设有剪力栓钉；钢梁顶板和钢梁底板上分别设置有U形加劲肋，U形加劲肋上均分别焊接有π形加劲肋，π形加劲肋的高度是从钢梁侧向混凝土梁侧逐渐变高。本发明梁的钢-混凝土结合段可以广泛应用于各种混合梁桥，包括连续梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥，可以解决钢-混凝土结合段加工制造复杂、施工操作困难、抗疲劳性差的难题。

Description

梁的钢-混凝土结合段的结构

技术领域

本发明涉及一种钢-混凝土结合段的结构，尤其涉及一种梁的钢-混凝土结合段的结构。

背景技术

钢-混凝土结合段主要出现在混合梁桥中，混合梁桥起始于连续梁桥，当边跨与中跨跨长之比较小时，边跨采用自重和刚度较大的混凝土梁，中跨则采用较轻的钢梁，可以避免边跨端支点产生负反力和平衡中跨的恒载弯矩，并还可以提高梁悬臂施工时结构的刚度和抗风稳定性。由上所述钢梁与混凝土梁的接头处即为钢-混凝土结合段。由于经济合理性、技术可靠性，钢-混凝土结合段目前已广泛应用于连续梁桥、刚构桥、斜拉桥、悬索桥和拱桥等多种桥梁结构中。

长期以来，钢和混凝土是桥梁结构的主要材料，这两种材料在物理性能和力学性能上有很大差异。采用钢或混凝土单一材料的桥梁，其结构性能往往受到材料特性在某些方面不足的限制。钢材抗拉强度高，但压屈性能差，自重轻但价格贵，施工速度快但涂装维修工作量大，延性和韧性高但刚度稍低变形稍大；与此相反，混凝土材料抗压性能好但抗拉性能差，价格便宜但自重大，施工速度慢，地震惯性力大，抗震性能较差，而且，大量使用就地开采的砂石材料，也不利于环境保护。

对于混合梁桥独特的结构，钢梁与混凝土梁的结合段是材料特性的突变处，在选定结合段的构造时特别要注意钢梁与混凝土梁之间刚度过渡的匀顺和应力传递的顺畅，避免产生过大的应力集中和折角，确保梁经久耐用和车辆行驶平稳舒适；同时，也要考虑到钢梁与混凝土梁结合段施工的方便。

混合梁斜拉桥是应用钢-混凝土结合段结构的一种混合梁桥，钢-混凝土结合段是混合梁斜拉桥的关键部位，由于该结合部位两侧材料性质的不同，梁刚度、强度在此发生突变，结合段如何传递强大的轴力和剪力、实现结构刚柔的平顺过渡，是至关重要的关键技术。因此，钢-混凝土结合段的结构应能流畅的传递各种荷载产生的内力(轴力、剪力和弯矩)和变形，并具有良好的抗疲劳和耐久性，其钢梁和混凝土梁的外形过渡也应基本一致。因此，梁的钢-混凝土结合段部位结构复杂，有必要对其进行深入研究，以保证其整体性和可靠性。

混凝土梁与钢梁的连接构造是一个非常重要的部位，这是由钢-混凝土混合梁本身特性所决定的。混凝土梁既可以是钢筋混凝土梁也可以是预应力混凝土梁。为了确保连接可靠，避免使其成为全桥的薄弱点，必须考虑下列因素并采取相应的措施：

(1)由于混凝土梁承受着很大的轴向力，为避免连接部位断面重心突变而引起的附加弯矩，要求连接部位的钢梁重心和混凝土梁重心尽量吻合，并要求相对应的腹板和顶、底板的重心也基本重合，防止钢梁的腹板和顶、底板产生局部弯曲和失稳。

(2)为保证钢梁和混凝土梁的连接可靠，并有效平顺地传递强大的轴向力，在钢梁上(与混凝土梁重叠部分)必须焊上抗剪栓钉或抗剪器。

(3)由风荷载产生的横向弯矩及活载产生的纵向弯矩，在连接部位还会产生拉应力，因此还必须对连接部分施加一定的纵向预应力来提供补偿。

目前，钢-混凝土结合的主要型式有如图1(a)至图1(d)四种型式，图中10为承压板，20为填充混凝土，30为预应力钢束，40钢梁，50混凝土梁。

图1(a)示出了一种全截面连接承压技术方案。该方案是依靠承压钢板承受梁的纵向压力，在钢梁端部设置隔板成为格子结构的承压板，利用该全截面连接承压技术方案其连接处应力较小，但钢束锚固于钢梁端部由隔板形成的格子结构内，锚固形式复杂，施工操作不便。

图1(b)示出了一种全截面连接填充混凝土的技术方案。为了把钢梁上的力传递给整个横梁截面，在钢梁的整个断面范围内填充混凝土，利用该全截面连接填充混凝土技术方案其应力传递较均匀，但钢束锚固形式复杂，刚度变化剧烈。

图1(c)示出了一种部分连接承压板技术方案。为了把钢梁上的力传递到混凝土横梁上，在钢梁顶、底板及腹板端部设承压板，由承压板直接传力。利用这种技术方案传力直接，但断面刚度的变化比较急剧。

图1(d)示出了一种部分连接填充混凝土技术方案。为了把钢梁上的力传递到顶、底板及腹板附近的部分连接，在结合部制一个双壁式钢箱，并在其中灌注混凝土，从而将钢箱与横梁连成一个整体。该技术方案与上述其它几种技术方案比较其刚度过渡较均匀，但结构很复杂，而且双壁钢箱加工制造困难，混凝土的灌注要求也很高。

发明内容

本发明考虑到梁的钢-混凝土结合段的结构受力、构造要求、施工方便及工程造价等综合因素，提供了一种梁的钢-混凝土结合段的结构，解决了现有技术中钢-混凝土结合段抗疲劳性差、加工制造复杂、施工操作困难的技术问题，对今后混合梁的设计具有非常重要的现实意义。

为了解决上述技术问题，本发明梁的钢-混凝土结合段的结构予以实现的技术方案是：包括钢梁和混凝土梁，所述钢梁与所述混凝土梁的结合处设置有承压板，所述钢梁包括钢梁顶板、钢梁底板和钢梁腹板；所述混凝土梁包括混凝土腹板；所述钢梁外套于所述混凝土梁上，从而形成一混凝土梁至钢梁的过渡段，所述过渡段内的钢梁腹板插入到混凝土梁腹板内形成一钢-混凝土的组合截面；位于所述过渡段内的钢梁顶板和钢梁底板之间设有由横向隔板组成的上、下两个封闭的隔仓；所述承压板是一与钢梁的横断面完全吻合的钢板；所述过渡段内的钢梁顶板与混凝土梁之间、钢梁底板与混凝土梁之间、钢梁腹板与混凝土梁腹板之间、承压板与混凝土梁之间均设有剪力栓钉；所述混凝土梁内设置有预应力钢束和/或精轧螺纹钢筋，所述预应力钢束和/或精轧螺纹钢筋锚固在承压板上；所述钢梁顶板和钢梁底板上分别设置有U形加劲肋，所述U形加劲肋上均分别焊接有π形加劲肋，所述π形加劲肋的高度是从钢梁侧向混凝土梁侧逐渐变高。

本发明梁的钢-混凝土结合段结构，其中一最佳实施方案是，隔仓的横向隔板的斜率为1∶8～1∶15。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)结合段结构简单实用，从结构受力、构造要求、施工方便及工程造价等综合了分析研究，提出和优化了简单实用的钢-混凝土结合段构造，即钢-混凝土结合段的钢箱梁断面顶底板厚度增加，其顶板和底板纵向加劲肋均采用U型加劲肋，在钢箱梁顶底板U型加劲肋上设置π型加劲肋，钢箱梁腹板纵向加劲肋采用球扁钢。钢梁和混凝土梁连接采用钢板式，钢箱梁和混凝土箱梁结合面处设置承压钢板。隔仓内模板按斜率1∶8～1∶15设置，在顶底板、端承板、闭合隔仓内均焊接剪力钉，并配置有锚固在端承压钢板上的预应力钢绞线和/或精轧螺纹钢筋。本发明在钢箱梁顶底板U型加劲肋上设置高度渐变的π型加劲肋，使其截面特性得到了缓慢变化，吻合了结合部两侧不同材料性质、不同梁刚度的变化，使结合段更能顺畅地传递各种荷载产生的轴力、剪力、弯矩和变形，具有良好的抗疲劳性和耐久性。

(2)结合段受力明确合理，混凝土梁断面的外形轮廓及形心均与钢箱梁对齐，既美观又利于强大轴力的传递；混凝土加厚段及π形加劲肋增大扩散面积，从而避免了混凝土梁出现应力集中；π形加劲肋为箱型构造，自身稳定性好，抗扭及抗弯刚度较大，在刚度过渡中起到重要作用。并可通过其高度及厚度变化调整断面形心，以与混凝土断面形心对齐。本发明钢-混凝土结合段结构在各种工况下局部应力水平较低，结合段受力明确，结构形式合理。

(3)具有一定的社会效益和经济效益，本发明结合国内外已建同类型桥梁的工程经验，对其构造进行比选和特殊设计，有效的解决了结构刚柔过渡、轴力和剪力传递方式、混凝土防裂及耐久性等问题，增强了钢混结合段的安全、可靠性。本发明钢-混凝土结合段的成功设计，确保了桥梁的可靠连接，为今后类似结构的设计提供参考和指导，具有非常重要的现实意义。

综上，本发明钢-混凝土结合段可以广泛应用于各种混合梁桥，包括连续梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥，可以解决钢-混凝土结合段加工制造复杂、施工操作困难、抗疲劳性差的难题。为今后类似结构的设计构造提供足够的技术支持，具有非常重要的现实意义。

附图说明

图1(a)至图1(d)示出了现有技术中四种型式的钢-混凝土结合段示意图；

图2是本发明梁的钢-混凝土结合段的结构实施例一的示意图；

图3是本发明中钢梁腹板与混凝土腹板位置关系示意图；

图4是本发明中钢梁顶板处U形加劲肋及π形加劲肋示意图；

图5是本发明中钢梁底板处U形加劲肋及π形加劲肋示意图；

图6是本发明梁的钢-混凝土结合段的结构实施例二的示意图。

图中：

1——钢梁         11——钢梁顶板    12——钢梁底板    13——钢梁腹板

14——横向隔板    15——隔仓        2——混凝土梁     21——混凝土腹板

3——承压板       4——过渡段       5——剪力栓钉     6——预应力钢束

7——U形加劲肋    8——π形加劲肋

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

实施例一：

如图2所示，本发明梁的钢-混凝土结合段的结构是包括钢梁1和混凝土梁2，所述钢梁1与所述混凝土梁2的结合处设置有承压板3，所述钢梁1包括钢梁顶板11、钢梁底板12和钢梁腹板13；所述混凝土梁2包括混凝土腹板21；所述钢梁1的断面外形轮廓与所述混凝土梁2的断面外形轮廓相一致，所述钢梁1外套于所述混凝土梁2上，从而形成一混凝土梁至钢梁的过渡段4，所述过渡段4内的钢梁腹板13插入到混凝土梁腹板21内形成一钢-混凝土的组合截面，如图3所示；位于所述过渡段4内的钢梁顶板11和钢梁底板12之间设有由横向隔板14组成的上、下两个封闭的隔仓15，图2中示出了横向隔板14呈水平方向；所述承压板3是一与钢梁1的横断面完全吻合的钢板；如图2所示，所述过渡段4内的钢梁顶板11与混凝土梁2之间、钢梁底板12与混凝土梁2之间、钢梁腹板13与混凝土梁腹板21之间、承压板3与混凝土梁2之间均设有剪力栓钉5；如图2和图3所示，所述混凝土梁2内设置有预应力钢束6和/或精轧螺纹钢筋，所述预应力钢束6和/或精轧螺纹钢筋锚固在承压板3上，所述预应力钢束采用钢绞线。

如图4和图5所示，所述钢梁顶板11上设置有顶板的U形加劲肋7，所述钢梁底板12上设置有底板的U形加劲肋7，所述顶板的U形加劲肋和所述底板的U形加劲肋7均上焊接有π形加劲肋8，π形加劲肋起增大扩散面积；避免混凝土梁出现应力集中，所述π形加劲肋为箱型构造，自身稳定性好，抗扭及抗弯刚度较大，在刚度过渡中起到重要作用，并可通过其高度变化来调整钢梁的断面形心，尽量缩小钢梁断面形心与混凝土梁断面形心的差异，即：所述π形加劲肋8的高度是从钢梁侧向混凝土梁侧逐渐变高，以使从钢材质过渡到混凝土材质的过渡段中的刚度得到缓和渐变。

实施例二：

本实施例二是在上述实施例一的基础上，将隔仓的横向隔板的位置进行了改进，即，如图6所示，本实施例二中位于所述过渡段4内的钢梁顶板11和钢梁底板12之间隔仓15的横向隔板14的斜率为1∶8～1∶15。如图3、图4和图5所示，本实施例二中其他部分的结构与实施一相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明梁的钢-混凝土结合段的结构与现有技术相比，端承板3采用与钢梁的横断面完全吻合的60mm厚的整体钢板，其刚度大，变形小，可以有效保证轴向力传递均匀及预应力钢束和/或精轧螺纹钢筋的锚固要求；增设了封闭式的隔仓，其横向隔板为钢板，隔舱内钢板上设置剪力栓钉，从而增加了抗剪强度，实质上也就是增加了梁的轴向力传递性能；另外，封闭式的隔仓使钢-混凝土结合段的刚度变化更趋于平缓，通过应力研究表明，本发明中封闭式隔仓的横向隔板采用1∶8～1∶15的斜率，形成狭长闭合隔仓，使得轴力传递更为顺畅，因此，横向隔板采用1∶8～1∶15的斜率是本发明的一个最佳实施例；本发明中，在承压板、钢梁腹板及闭合隔仓内均设置有剪力栓钉，提高了结合段的抗剪强度；强大的预应力钢束与精轧螺纹钢筋配合使用，可以有效地抵抗活载产生的弯矩，增大剪力栓钉的数量，使剪力栓钉与混凝土结合面增大，混凝土防裂能力得到提高，结构的可靠性显著增强。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种梁的钢-混凝土结合段的结构，包括钢梁(1)和混凝土梁(2)，所述钢梁(1)与所述混凝土梁(2)的结合处设置有承压板(3)，所述钢梁(1)包括钢梁顶板(11)、钢梁底板(12)和钢梁腹板(13)；所述混凝土梁(2)包括混凝土腹板(21)；其特征在于：

所述钢梁(1)外套于所述混凝土梁(2)上，从而形成一混凝土梁至钢梁的过渡段(4)，所述过渡段(4)内的钢梁腹板(13)插入到混凝土梁腹板(21)内形成一钢-混凝土的组合截面；

位于所述过渡段(4)内的钢梁顶板(11)和钢梁底板(12)之间设有由横向隔板(14)组成的上、下两个封闭的隔仓(15)；

所述承压板(3)是一与钢梁(1)的横断面完全吻合的钢板；

所述过渡段(4)内的钢梁顶板(11)与混凝土梁(2)之间、钢梁底板(12)与混凝土梁(2)之间、钢梁腹板(13)与混凝土梁腹板(21)之间、承压板(3)与混凝土梁(2)之间均设有剪力栓钉(5)；

所述混凝土梁(2)内设置有预应力钢束(6)和/或精轧螺纹钢筋，所述预应力钢束(6)和/或精轧螺纹钢筋锚固在承压板(3)上；

所述钢梁顶板(11)和钢梁底板(12)上分别设置有U形加劲肋(7)，所述U形加劲肋(7)上均分别焊接有π形加劲肋(8)，所述π形加劲肋(8)的高度是从钢梁侧向混凝土梁侧逐渐变高。

2.根据权利要求1所述梁的钢-混凝土结合段的结构，其特征在于：所述混凝土梁断面的外形轮廓与所述钢梁断面的外形轮廓相一致。

3.根据权利要求1所述梁的钢-混凝土结合段的结构，其特征在于：隔仓(15)的横向隔板(14)的斜率为1∶8～1∶15。

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