橋塔鋼-混結(jié)合段分析

張樹清，尹 超

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥230088)

橋塔鋼-混結(jié)合段分析

張樹清，尹 超

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥230088)

建立鋼混結(jié)合段三維有限元模型，通過多種最不利工況靜力計算，分析鋼塔柱、混凝土塔柱及鋼混結(jié)合處的應力和變形，確定各部件的應力狀況及分布，研究鋼混結(jié)合段接頭的傳力機理，對設計方案提供指導。

鋼混結(jié)合段;有限元;靜力分析;應力

0 引言

鋼混接頭構(gòu)造復雜，由混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)通過焊接、高強度螺栓、預應力鋼索、剪力槽、摩擦等連接而成，結(jié)構(gòu)存在著梁、實體、板、索等多種單元形式，涉及到預應力問題、接觸問題、彈塑性問題、收縮徐變問題等[1]。鑒于橋塔混合接頭存在的特點和技術(shù)難點，以及其安全、可靠對橋梁的重要性，單純依靠平面桿系有限元仿真計算技術(shù)，難以準確把握其實際受力狀況。為了解該關(guān)鍵部位的受力情況，也同時為結(jié)構(gòu)施工設計提供依據(jù)，需對鋼混結(jié)合段及其受力、傳力機制和受力狀態(tài)進行深入細致的分析，分析采用大型三維有限元程序。了解各主要不利工況下混凝土塔柱、鋼塔柱、應力及變形的分布情況。

1 工程概況

某主橋采用130 m+130 m預應力混凝土獨塔斜拉橋，主橋全長260 m，如圖1所示。主梁采用等截面預應力混凝土單箱五室斷面。主塔采用空間造型橋塔，主塔立面呈“人字形”，橫橋向呈“Y型”。

圖1 橋型總體布置圖(單位:m)

主塔采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。橋面以上為Y型結(jié)構(gòu)，鋼塔部分高度為82.0 m，混凝土部分高度為24.0 m，承臺以上橋塔總高度為106.0 m。塔頂高程為+107.722 m。塔底高程為+1.722 m。上塔柱設置一道4.4 m鋼橫梁。塔柱自塔底至塔頂依次為:17.2 m混凝土塔柱、6.8 m鋼-混結(jié)合段和82.0 m鋼塔柱。鋼塔柱采用Q345qD，混凝土塔柱材質(zhì)為C50。

圖2 橋塔-般構(gòu)造圖(單位:m)

2 計算模型

2.1 鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合處混凝土塔柱的壓應力主要通過塔柱底座板、剪力釘、剪力鍵傳遞到下塔柱混凝土中[2，3]，而拉應力則通過錨固螺桿傳遞到基礎中。鋼混結(jié)合段箱內(nèi)600 mm范圍內(nèi)設置縱橫交錯加強板傳遞壓力，使混凝土頂面壓力受壓均勻。設計時考慮在塔柱底部混凝土內(nèi)預埋錨固螺桿來傳遞彎矩，通過給螺栓施加了預拉力，使底座板在工作狀態(tài)下塔底截面無拉力，即底板不出現(xiàn)縫隙，一直與混凝土頂面保持密貼。在塔底截面共布置36根直徑為70 mm的40 CrNiMoA螺桿，并施加預拉力。單個螺桿預拉力大小為1 300 kN，施工時需考慮張拉力損失的影響。圖3為鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖。

圖3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖(單位:m)

2.2 有限元模型

鋼混結(jié)合處構(gòu)造極其復雜，且在各截面上有軸力、彎矩、扭矩、剪力的作用[4]，同時接頭部位還含巨大預應力的作用，結(jié)構(gòu)受力異常復雜。在如此小的范圍內(nèi)構(gòu)件相互交錯，其應力場將比較復雜，因此需用大型有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)各部位的應力場和變形進行細致分析。

采用ANSYS建模，建模中混凝土采用體單元模擬，鋼主塔采用殼單元模擬，預應力鋼絞線和預應力螺桿采用桿單元模擬。材料采用理想彈塑性的本構(gòu)模型[2]，鋼材彈性模量2.1e5 MPa，泊松比Vs=0.3;混凝土彈性模量3.45e4 MPa，泊松比Vs= 0.2。圖4為鋼混結(jié)合段有限元模型。

圖4 鋼混結(jié)合段有限元模型

2.3 邊界條件

有限元模型塔柱底部混凝土采用固結(jié)約束。鋼板和混凝土板相同位置(剪力釘位置)節(jié)點采用共節(jié)點處理，疊合段鋼塔柱底部鋼板與混凝土塔柱底面采用接觸單元，摩擦系數(shù)取0.4。鋼主塔T1上方按照整體模型計算結(jié)果施加均布軸力、彎矩、剪力和扭矩等內(nèi)力組合。各斷面上的內(nèi)力(軸力和剪力)都通過截面均布力施加到模型上，彎矩則通過延伸一段鋼臂施加力偶實現(xiàn)[5]。模型中順橋向為x向，高度方向為y向，z向為橫橋向由右手定則確定。

3 靜力分析

3.1 計算工況

結(jié)構(gòu)計算工況內(nèi)力按照以鋼混結(jié)合處的最不利工況進行分析[6]，分別確定了結(jié)合處三種工況:工況一，最大軸力;工況二，最大順橋向剪力;工況三，最大順橋向彎矩，如表1所示。研究分析三種工況下受力情況，得到相應的位移、應力結(jié)果，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)工況-荷載

3.2 計算結(jié)果

分析計算得到鋼混結(jié)合段處應力及整體位移結(jié)果，如表2所示。

表2 鋼混結(jié)合段最大位移-應力

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，工況一作用下鋼混結(jié)合段位移、應力最大，結(jié)構(gòu)響應較其它工況明顯，限于文章篇幅，僅列出工況一作用下鋼混結(jié)合段位移、應力云圖，見圖5～圖7。

圖5 工況-混凝土塔柱順橋向變形圖(單位:m)

圖6 工況-混凝土塔柱應力云圖(單位:MPa)

圖7 工況-鋼塔柱Mises應力云圖(單位:Pa)

在工況一內(nèi)力組合作用下:

(1)混凝土塔柱的受力和變形以軸向受壓為主，由于活載對稱布置，混凝土塔柱的應力分布及變形基本呈對稱關(guān)系。

(2)混凝土塔柱的變形如圖5所示。由圖可知，混凝土塔柱的變形基本呈對稱關(guān)系，順橋向最大變形為0.318 mm，位于混凝土塔柱頂部右側(cè)處，然后四周和往左減小。混凝土塔柱最大橫橋向變形為0.096 7 mm。塔柱變形以豎向受壓為主，中間變形較大，四周變形較小。

(3)混凝土的主壓應力和主拉應力分布如圖6所示。由圖可知，塔柱混凝土的主壓應力主要分布在接頭疊合面預應力布置范圍和鋼塔柱豎向主板交角處，最大主壓應力為-22.4 MPa，位于混凝土塔柱頂面，應力極值相對材料的許可值還有一定余量。塔柱混凝土最大主拉應力為1.88 MPa，位于混凝土頂面和鋼塔柱結(jié)合處，主要由順橋向剪切力造成，剪切力在剪力釘處使混凝土頂面節(jié)點和鋼塔柱底面節(jié)點產(chǎn)生滑移。

(4)鋼塔柱的Von Mises應力分布，如圖7所示，鋼塔柱最大 Von Mises應力為186 Pa，Von Mises應力極值主要分布在鋼混固結(jié)處。

4 結(jié)語

通過對鋼混結(jié)合段進行多工況靜力分析，應力云圖結(jié)果顯示該方案在結(jié)構(gòu)強度響應方面均表現(xiàn)良好，設計合理。

(1)結(jié)合段接頭混凝土在界面最大內(nèi)力組合各工況下，混凝土應力最大主拉應力為1.88 MPa，最大主壓應力為-22.4 MPa;鋼塔柱各主要板件以受壓為主，最大Von Mises應力點極值為186.0 MPa，在材料許可范圍內(nèi)，滿足設計要求。

(2)結(jié)合段接頭混凝土在界面最大內(nèi)力組合各工況下，界面上下未發(fā)生工程精度范圍內(nèi)的滑移，且兩者變形基本協(xié)調(diào)，界面摩擦抗剪有一定儲備。

(3)錨墊板局部受壓，結(jié)構(gòu)局部應力較大，在優(yōu)化分析模型考慮螺帽等的作用時，各部位受力基本滿足要求，如錨下填充混凝土后，也能較大程度地改善結(jié)構(gòu)受力狀況。

(4)對接頭預應力采用螺桿，結(jié)構(gòu)整體受力合理，且預應力螺桿后期養(yǎng)護方便。

(5)通過理論分析表明鋼混結(jié)合接頭位置板件的局部穩(wěn)定性能滿足要求，板件加勁肋的設置合理。

[1] 張西丁，石雪飛.拱塔斜拉橋橋塔鋼-混結(jié)合段空間受力分析[J].交通科學與工程，2013 ，29(2):36-40.

[2] 張霞，向中富.鋼-混組合梁中兩種新型連接件的有限元分析[J].重慶交通學院學報，2007，26(2):5-8.

[3] 白光亮，唐光武，周長曉.橋塔鋼-混結(jié)合段剪力連接件承載力試驗研究[J].橋梁建設，2010(1):17-20.

[4] 周宗堯，唐細彪.混合梁懸索橋鋼混結(jié)合段局部應力分析[J].世界橋梁，2013，41(3):57-61.

[5] 陳海兵，曾國良，陳明芳.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段的局部應力分析[J].公路工程，2009，34(6):99-103.

[6] 石雪飛，黃力，阮欣.吳江學院路大橋鋼混結(jié)合段應力分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2013，37(2):274-277.

U441

B

1009-7716(2015)11-0085-03

2015-04-15

張樹清(1983-)，男，安徽阜南人，工學碩士，工程師，主要從事橋梁設計研究工作。