某長江公路大橋節(jié)段模型塔柱—鋼橫梁結(jié)合面接觸分析

■魏 磊，李 茜，張閃閃 ■.青島理工大學(xué)，山東 青島 66033；.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 00088

斜拉橋索塔錨固區(qū)是斜拉橋中的關(guān)鍵部位，該區(qū)域受力狀態(tài)復(fù)雜，是斜拉橋設(shè)計、施工的重點和難點［1-2］。索塔錨固區(qū)的鋼混結(jié)合面是索力安全可靠傳遞至橋塔的基礎(chǔ)，是將鋼材的高應(yīng)力通過局部構(gòu)造過渡到混凝土的設(shè)計允許應(yīng)力范圍內(nèi)，以保證錨固區(qū)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土塔柱共同受力［3］；而鋼混結(jié)合面有效傳力的基礎(chǔ)取決于在加載過程中結(jié)合面二者是否緊密接觸。本文中的索塔錨固區(qū)采用的是一種較為新穎的錨固形式，斜拉索分組錨固于鋼橫梁橫隔板之間的錨固構(gòu)造內(nèi)，形成索塔體外錨固體系，我們稱之為分組集聚式索塔錨固。鑒于該錨固方式較為新穎，在巨大的斜拉索索力作用下，鋼橫梁與橋塔是否緊密接觸有待進(jìn)一步的分析探究。

1 工程概況

某長江公路大橋主橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，大橋通航孔橋橫向為雙六車道，橋面寬36.5m。鋼橫梁采用箱形結(jié)構(gòu)形式，高7.0m，順橋向?qū)?.5m，設(shè)置于凈距為7.0m的兩個塔柱之間。鋼橫梁通過高強(qiáng)度螺桿及剪力釘與混凝土塔柱牢固連接，選取第6道鋼橫梁，并截取距鋼橫梁上、下底邊緣10米的上、下端塔柱區(qū)域按1：6比例縮尺。

2 結(jié)合面接觸研究

2.1 研究方法

為保證結(jié)構(gòu)安全，探究鋼橫梁與混凝土塔柱結(jié)合面在1.7倍設(shè)計荷載作用下是否始終緊密接觸，在塔柱與鋼橫梁間建立接觸單元，模擬混凝土塔柱與鋼橫梁承壓板結(jié)合面間的接觸關(guān)系，通過對節(jié)段模型進(jìn)行有限元分析，主要分析有如下兩點：①正應(yīng)力考慮：考察塔柱-鋼橫梁結(jié)合面不同位置處所受正應(yīng)力，驗證在預(yù)應(yīng)力錨桿作用下塔柱-鋼橫梁未分離；②剪應(yīng)力考慮：考察塔柱-鋼橫梁結(jié)合面不同位置處剪應(yīng)力的分布，驗證摩擦力承擔(dān)外力的可靠性，證實塔柱與鋼橫梁始終保持緊密接觸。

節(jié)段模型在1.7倍設(shè)計荷載時的荷載名稱及大小具體為：索力972kN，邊界力 F1、F2分別為 323kN、1471kN，軸力 6533kN，預(yù)緊力6425kN。

2.2 有限元模型建立

為掌握鋼橫梁與混凝土塔柱結(jié)合面的接觸狀態(tài)，利用ABAQUS軟件進(jìn)行節(jié)段模型鋼混結(jié)合面的接觸分析。模型主要由上、下混凝土塔柱、反力墻、鋼橫梁四部分構(gòu)成，如圖1所示，在有限元模型中以混凝土塔柱面為主面，鋼橫梁承壓板為從面，主從面之間采用“硬”接觸，切向力采用庫倫摩擦模型［4］；水平方向為Y軸，豎直方向為Z軸，垂直于YZ平面為X軸。

上、下混凝土塔柱、反力墻均采用實體單元，鋼橫梁采用殼單元，連接鋼橫梁與塔柱間的高強(qiáng)度螺桿采用梁單元，十字墻和墊梁與地面完全固接；上塔柱與反力墻固結(jié)，下塔柱與反力墻可滑動，計算材料為線彈性材料，材料屬性具體為：混凝土C50，彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比 υ=0.2；鋼板 Q370，E=2.06×105MPa，泊松比 υ=0.3；鋼筋 Q370，E=2.06×105MPa，泊松比υ=0.3。

圖1 有限元模型

3 接觸結(jié)果分析

3.1 正應(yīng)力分析

選取上塔柱與鋼橫梁承壓板的結(jié)合面為研究對象，分析塔柱-鋼橫梁結(jié)合面在1.7倍設(shè)計荷載時S33方向上的應(yīng)力。

圖2 塔柱-鋼橫梁結(jié)合面應(yīng)力云圖

從圖2結(jié)合面應(yīng)力云圖可以看出，1.7倍設(shè)計荷載時結(jié)合面正應(yīng)力分布不均勻，呈現(xiàn)出一端大，一端小，這是由于塔柱兩端邊界力F1、F2大小不對等所造成的；同時結(jié)合面的混凝土最大壓應(yīng)力為9.985MPa，滿足C50混凝土局部抗壓的應(yīng)力要求。另外，塔柱-鋼橫梁結(jié)合面在整個Z方向的應(yīng)力值均為負(fù)值，即結(jié)合面處于受壓狀態(tài)，說明鋼橫梁承壓板與混凝土塔柱之間沒有縫隙，緊密接觸，反之結(jié)合面在Z方向上的應(yīng)力不可能全部為負(fù)值。因此說明塔柱和鋼橫梁在預(yù)應(yīng)力錨桿作用下始終不分離，保證了結(jié)合處的安全性。

3.2 剪應(yīng)力分析

為驗證鋼橫梁-混凝土塔柱始終緊密連接，分析塔柱-鋼橫梁結(jié)合面在1.7倍設(shè)計荷載時τyz分布。從圖3結(jié)合面的S23剪應(yīng)力云圖可以看出，塔柱與鋼橫梁結(jié)合面剪應(yīng)力沿高度方向呈下降趨勢，靠近鋼橫梁底板側(cè)的剪應(yīng)力大、頂板側(cè)剪應(yīng)力小。

當(dāng)非線性接觸產(chǎn)生的摩擦力平衡了結(jié)合面的剪力，在很大程度上削弱了結(jié)合面剪力的作用效果，降低甚至取消了結(jié)合面發(fā)生相對滑移的可能性，從而使得結(jié)合面始終保持緊密接觸，驗證了摩擦力承擔(dān)外力的可靠性。

圖3 塔柱-鋼橫梁結(jié)合面剪應(yīng)力云圖

從結(jié)合面剪應(yīng)力云圖可以看出，塔柱和鋼橫梁承壓板結(jié)合面的最大剪應(yīng)力大為2.15MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［5］鋼-混接觸面的摩擦因數(shù)μ取值為0.57，鋼橫梁承壓板與塔柱結(jié)合面的摩擦合力為4684.8kN，而結(jié)合面的總剪力（接觸面的平均剪應(yīng)力按最大剪應(yīng)力取值）在占該面摩擦力的63.4%，可見摩擦力完全承擔(dān)了接觸面剪力的傳遞，使得剪力對結(jié)合面的作用效果消失，驗證了摩擦力承擔(dān)外力的可靠性，進(jìn)一步說明1.7倍設(shè)計荷載作用下，塔柱-鋼橫梁結(jié)合面始終保持緊密接觸，不發(fā)生分離。

4 結(jié)論

（1）1.7倍設(shè)計荷載時結(jié)合面混凝土的最大壓應(yīng)力滿足C50混凝土局部抗壓的應(yīng)力要求；混凝土塔柱與鋼橫梁承壓板結(jié)合面始終處于受壓狀態(tài)，塔柱與鋼橫梁始終不分離。

（2）1.7倍設(shè)計荷載時結(jié)合面的總剪力占該面摩擦力的63.4%，說明摩擦力完全承擔(dān)了結(jié)合面剪力的傳遞，塔柱-鋼橫梁結(jié)合面始終保持緊密接觸，不發(fā)生分離。

［1］劉釗，孟少平，劉智.潤揚大橋北汊斜拉橋索塔節(jié)段足尺模型試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2004，7（6）：35-40.

［2］蘇慶田，曾明根，吳沖.上海長江大橋索塔鋼錨箱模型試驗研究［J］.工程力學(xué)，2008，25（10）：126-132.

［3］李斐然.自錨式纜索承重橋梁鋼混結(jié)合部接觸面應(yīng)力分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2012，36（5）：980-983.

［4］陳琦.鋼-混凝土混合梁接合面受力分析［J］.福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，41（4）：796-800.

［5］張煜，阮欣，石雪飛等.斜拉橋鋼-混錨板式索梁錨固區(qū)摩擦效應(yīng)分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報，2013，44（7）：2982-2988.