空間異形混合橋塔鋼混凝土結(jié)合段有限元分析

張 輝，徐聲亮

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092；2.寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波315000）

空間異形混合橋塔鋼混凝土結(jié)合段有限元分析

張 輝1，徐聲亮2

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092；2.寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波315000）

鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)在斜拉橋的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。臨沂市西安路祊河大橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，橋塔采用三根塔柱組成空間異形混合橋塔，橋塔的三根塔柱均采用鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)型式。對(duì)大橋的空間異形混合橋塔塔柱的鋼混凝土結(jié)合段建立有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行分析。重點(diǎn)研究采用PBL連接件的全截面承壓傳剪式鋼混凝土結(jié)合段各構(gòu)件的受力情況及傳力效應(yīng)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)在此類(lèi)鋼混凝土結(jié)合段設(shè)計(jì)中應(yīng)注意PBL連接件的傳力不均勻性及混凝土受鋼結(jié)構(gòu)傳力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

斜拉橋；空間混合橋塔；鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)；PBL連接件

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于橋梁建設(shè)的要求越來(lái)越高，橋梁不再只是滿(mǎn)足于“天塹變通途”的跨越工具，人們還要求橋梁外形美觀，甚至成為當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性的建筑。其中，斜拉橋的橋塔成為橋梁建筑師們展現(xiàn)橋梁建筑魅力的地方。斜拉橋的橋塔對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全至關(guān)重要，因此為了實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)和美觀的現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)理念，鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)的橋塔以其能充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料各自特性的優(yōu)點(diǎn)在最近幾年斜拉橋的橋塔設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的結(jié)合段受力復(fù)雜，特別是兩種材料的結(jié)構(gòu)間傳力方式的效率和可靠性至關(guān)重要[1]。傳統(tǒng)的桿系簡(jiǎn)化計(jì)算方法很難清晰綜合反映出結(jié)合段的具體受力情況。本文以臨沂市西安路祊河大橋的斜拉橋空間異形混合橋塔為背景，對(duì)橋塔塔柱的鋼和混凝土結(jié)合段采用ANSYS有限元分析軟件建立空間實(shí)體模型，進(jìn)行有限元分析，詳細(xì)了解鋼混凝土結(jié)合段內(nèi)各個(gè)部位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況以及兩種材料結(jié)構(gòu)間內(nèi)力的傳遞及相應(yīng)構(gòu)件間的內(nèi)力分配情況。

1 工程背景

臨沂市西安路祊河大橋主橋采用獨(dú)塔混合梁斜拉橋，橋跨布置為110 m+110 m，橋?qū)?4.6 m。主塔為空間異型混合結(jié)構(gòu)，由中間及兩側(cè)3個(gè)箱型截面塔柱構(gòu)成，塔柱間設(shè)空間水平聯(lián)結(jié)系，整個(gè)橋面的拉索布置為混合索面。西側(cè)主跨拉索采用空間扇形雙索面布置，東側(cè)主跨拉索采用中央扇形雙索面布置（見(jiàn)圖1、圖2）?？臻g異型結(jié)構(gòu)的主塔全高105.0 m。橋面以上采用鋼結(jié)構(gòu)，塔高87.0 m；橋面以下采用C50高性能混凝土結(jié)構(gòu)，塔高18.0 m。鋼塔柱與混凝土塔柱之間設(shè)3.5 m長(zhǎng)鋼混凝土結(jié)合段（見(jiàn)圖3）。

圖1 全橋總體布置圖（單位：m）

圖2 主塔三維結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意

圖3 塔柱鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

主塔塔柱鋼混凝土結(jié)合段主要傳力構(gòu)件為PBL開(kāi)孔板連接件、前后承壓板和焊釘[2]。PBL開(kāi)孔板連接件主要由前后壁板、側(cè)壁板、中壁板及其上的豎向加勁肋開(kāi)孔形成，開(kāi)孔直徑為80 mm，孔內(nèi)貫穿25 mm鋼筋。壁板及其加勁肋沿豎向共設(shè)置15排開(kāi)孔，豎向間距220 mm，PBL連接件孔按水平向開(kāi)設(shè)。焊釘采用22×200 mm圓柱頭焊釘，布置于前、后壁板及側(cè)壁板外側(cè)，豎向共設(shè)置14排，豎向間距220 mm。剪力釘垂直于鋼板布置，結(jié)合段前后承壓板采用板厚40 mm的鋼板。為確保鋼混結(jié)合段在不利荷載下始終處于受壓狀態(tài)，根據(jù)受力需要，塔柱鋼混凝土結(jié)合段設(shè)置15.20-15的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼束張拉結(jié)束后設(shè)置1 m高封錨混凝土。

2 計(jì)算模型

2.1 有限元分析模型簡(jiǎn)化

對(duì)塔柱的鋼混凝土結(jié)合段部分進(jìn)行三維空間建模。結(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)圖4。模擬的范圍為塔柱的整個(gè)混凝土段、鋼混凝土結(jié)合段和鋼塔柱第一道橫隔板及以下鋼結(jié)構(gòu)部分。鋼混凝土結(jié)合段3.5 m范圍內(nèi)通過(guò)網(wǎng)格劃分大小調(diào)整，使鋼結(jié)構(gòu)段的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與混凝土段節(jié)點(diǎn)重合[3]，鋼結(jié)構(gòu)采用三維板殼單元進(jìn)行模擬，混凝土單元采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，在設(shè)有PBL連接件的節(jié)點(diǎn)處設(shè)置空間耦合彈簧，模擬PBL連接件處鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的相互受力關(guān)系?？臻g耦合彈簧剛度的取值一般采用試驗(yàn)方式來(lái)確定其數(shù)值，本有限元計(jì)算彈簧剛度按7×105kN/m取用。

圖4 中塔柱鋼混凝土結(jié)合段模型

2.2 邊界條件模擬

對(duì)有限元模型中塔柱的下混凝土段底部節(jié)點(diǎn)位移及轉(zhuǎn)角進(jìn)行全約束。在塔柱的鋼結(jié)構(gòu)截面頂端設(shè)置一道剛性連接來(lái)約束塔壁的變形，以利于模型加載時(shí)荷載的分配。

2.3 計(jì)算荷載

將總體計(jì)算中與有限元模型上部鋼結(jié)構(gòu)位置相同處的內(nèi)力全部加載于此截面上。由于此處鋼結(jié)構(gòu)頂面進(jìn)行了剛性約束，因此直接將內(nèi)力荷載直接加載于此處剛性連接的節(jié)點(diǎn)上可有利于內(nèi)力的均勻擴(kuò)散與模擬。

2.4 材料參數(shù)

鋼塔柱采用Q345qD鋼材，容重為78.5 kN/m3，彈性模量為2.1×108kN/m2，剪切模量為 8.1× 107kN/m2，線(xiàn)膨脹因數(shù)為1.2×10-5?；炷了颁摶炷两Y(jié)合段采用C50混凝土，考慮配筋的影響，混凝土容重采用26 kN/m3，彈性模量為3.45× 107kN/m2，剪切模量為1.38×107kN/m2，線(xiàn)膨脹因數(shù)為1×10-5。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

從圖5可見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入結(jié)合段的部分隨著鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)合段內(nèi)結(jié)合深度增加鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力逐漸減少，并且在第一排PBL連接件的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大mises應(yīng)力達(dá)到153 MPa。從圖6可知，第二排PBL連接件位置處的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力相比第一排PBL連接件位置處的應(yīng)力大幅度減少，最大mises應(yīng)力為89.6 MPa，相當(dāng)于第一排最大應(yīng)力的58%，說(shuō)明結(jié)合段各排PBL連接件的受力不是均勻的，第一排連接件承擔(dān)的內(nèi)力最大，隨著PBL連接件沿受力方向的遠(yuǎn)離，內(nèi)力逐漸減少。

圖5 鋼混凝土結(jié)合段內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖6 鋼混凝土結(jié)合段內(nèi)第二排PBL連接件及以下鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（單位：MPa）

從圖7結(jié)合段后承壓板的應(yīng)力云圖可見(jiàn)，在鋼塔柱壁板及加勁肋與承壓板的結(jié)合處應(yīng)力較大，鋼塔柱的4個(gè)角點(diǎn)位置應(yīng)力集中最大，最大應(yīng)力達(dá)到98.4 MPa。隨著承壓板遠(yuǎn)離鋼結(jié)構(gòu)壁板和加勁肋，承壓板的應(yīng)力迅速減小，且應(yīng)力僅為2～3 MPa。說(shuō)明在結(jié)合段箱格一定的情況下，承壓板的大小對(duì)承壓板所承擔(dān)的結(jié)合段傳遞的內(nèi)力作用有限，單純采用整體式的承壓板沒(méi)有必要。本設(shè)計(jì)所采用的空腹式承壓板樣式能滿(mǎn)足本橋塔塔柱結(jié)合段結(jié)構(gòu)的受力需求。如要增加后承壓板在傳力分配中的比重，增加結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)的箱格可增大承壓板的有效受力點(diǎn)，從而增加后承壓板的內(nèi)力分配值。

圖7 鋼混凝土結(jié)合段后承壓板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.2 結(jié)合段混凝土應(yīng)力

塔柱鋼結(jié)構(gòu)深入鋼混凝土結(jié)合段內(nèi)塔柱壁板及腹板，對(duì)混凝土具有劈裂趨勢(shì)的作用力。圖8為結(jié)合段頂面處混凝土在鋼塔柱傳遞的內(nèi)力作用下分別在橫橋向和順橋向兩個(gè)方向的正應(yīng)力平面圖。從應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)合段頂層處混凝土在鋼塔柱壁板內(nèi)外均出現(xiàn)不同程度的拉應(yīng)力，特別是塔柱中心核心混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力比較大，兩個(gè)方向的最大拉應(yīng)力分別達(dá)到1.74 MPa和1.97 MPa，此處混凝土在拉應(yīng)力作用下具有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)需通過(guò)在結(jié)合段內(nèi)混凝土設(shè)置抗拉鋼筋網(wǎng)來(lái)解決此處混凝土受拉的問(wèn)題。

圖8結(jié)合段混凝土正應(yīng)力平面云圖（單位：MPa）

圖9 為結(jié)合段混凝土在橫橋向和順橋向的正應(yīng)力沿結(jié)合段高度方向的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土在兩個(gè)方向的劈裂力產(chǎn)生的正應(yīng)力隨著離結(jié)合段頂層的距離增大而逐漸變小，且應(yīng)力狀態(tài)逐漸均勻。另外，在橫橋向第一排PBL連接件處所產(chǎn)生的應(yīng)力大于順橋向此處所產(chǎn)生的正應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到1.74 MPa。

圖9 結(jié)合段混凝土正應(yīng)力立面云圖（單位：MPa）

4 結(jié)論

通過(guò)采用有限元分析軟件對(duì)西安路祊河橋的異形塔柱的鋼混凝土結(jié)合段建立精細(xì)化模型并分析，得出以下結(jié)論：

（1）鋼混凝土結(jié)合段的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，一般的桿系模型計(jì)算難以準(zhǔn)確表現(xiàn)出其內(nèi)部真實(shí)復(fù)雜的受力情況。

（2）采用PBL形式傳力的異形塔柱的鋼混結(jié)合段，由于PBL連接件的剛度較大，各層PBL剪力鍵的受力大小很不均勻，受力最外側(cè)的連接件受力最大，是剪力連接構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)的控制點(diǎn)。

（3）鋼混結(jié)合段的承壓板對(duì)塔柱軸向內(nèi)力的傳遞有很大效應(yīng)，但是其承擔(dān)的內(nèi)力大小在鋼結(jié)構(gòu)箱格一定的情況下，單純?cè)黾映袎喊宓拿娣e不能起到增大其承載能力的目的，因此應(yīng)該根據(jù)結(jié)合段構(gòu)造形式選擇合適的承壓板形式。

（4）鋼塔柱對(duì)結(jié)合段混凝土具有劈裂的效應(yīng)，使結(jié)合段混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，且結(jié)合段頂層的混凝土拉應(yīng)力最大，在一定深度范圍內(nèi)應(yīng)力迅速減小。所以在進(jìn)行結(jié)合段設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)此范圍內(nèi)設(shè)置必要的抗拉鋼筋來(lái)防止混凝土開(kāi)裂。

[1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]JTG D64-01-2015,公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[3]金晶,吳新躍.有限元網(wǎng)格劃分相關(guān)問(wèn)題分析研究[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2005,14(2):75-78.

U441

A

1009-7716（2017）04-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.023

2016-11-14

張輝（1983-），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。