某雙套拱塔斜拉橋鋼-混組合段局部受力分析

馬磊

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

某雙套拱塔斜拉橋鋼-混組合段局部受力分析

馬磊

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

為了解雙套拱塔斜拉橋鋼-混結(jié)合段受力性能，并通過對受力性能分析得出結(jié)論，以此為該類橋梁提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。以某雙套拱塔斜拉橋工程為背景，合理選取鋼-混結(jié)合段，并通過大型的通用有限元分析軟件ANSYS對該結(jié)合段進(jìn)行施工過程的模擬，分析總結(jié)出該鋼-混結(jié)合段的應(yīng)力特點(diǎn)、變化規(guī)律以及內(nèi)部各構(gòu)件的傳力途徑。分析結(jié)果表明：該雙套拱塔斜拉橋鋼-混結(jié)合段的力學(xué)性能基本滿足相關(guān)規(guī)范的要求，其中鋼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力全部小于200 MPa；混凝土結(jié)構(gòu)部分僅在其頂部與錨頭結(jié)合的部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，需要在施工過程中采取必要的加固措施；鋼-混結(jié)合段剪力釘最大受力為73 kN，滿足相關(guān)規(guī)范基本要求。

斜拉橋；鋼-混結(jié)合段；有限元；局部應(yīng)力；剪力釘

0 引言

隨著橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼-混結(jié)構(gòu)梁橋也被大量的設(shè)計和建造，同時，鋼-混結(jié)合段的安全性也越來越受到廣泛的關(guān)注。橋梁中鋼-混結(jié)合段的作用是保證鋼梁和混凝土梁的受力和變形得到均勻的傳遞。如果結(jié)合段的設(shè)計存在缺陷則會致使結(jié)合段的剛度突變，應(yīng)力傳遞不均勻，輕者影響橋梁的美觀和行車的舒適度，重者會導(dǎo)致橋梁穩(wěn)定性變差，影響結(jié)構(gòu)的安全。特別是雙套拱塔斜拉橋，混合段的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。因此，鋼-混結(jié)合段都是設(shè)計和施工需要重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。

1 工程概況

某雙套拱塔斜拉橋位于湖南湘西土家族苗族自治州瀘溪縣武溪鎮(zhèn)峒河與沅水交匯處，城市次干路，設(shè)計速度40 km/h，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬27 m。線路全長333 m，包括一座全長248 m的跨河橋梁。

主橋采用索輔梁橋受力體系，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋塔采用雙肢V形鋼拱塔，斜拉索空間雙索面布置，主橋跨徑為L=2×94 m=188 m，兩側(cè)引橋跨徑30 m，橋梁總共長248 m。

主橋為塔梁分離，橋塔處設(shè)置豎向支座和橫向限位支座。橋塔橋面以上部分采用鋼箱塔，橋面以下部分采用混凝土塔座，結(jié)合段則采用鋼-混結(jié)構(gòu)；主梁采用單箱多室扁平混凝土箱梁，河中搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工；斜拉索包括水平拉索（連接塔柱）和斜向拉索（連接塔梁），其中水平拉索塔內(nèi)張拉，斜向拉索塔內(nèi)錨固、梁端張拉。橋梁總體布置圖如圖1所示。

2 鋼-混結(jié)合段設(shè)計

該橋為雙套拱塔斜拉橋，拱肋采用Q345qD鋼材，板厚20～40 mm；主塔鋼箱約每2 m設(shè)置一道橫隔板，頂?shù)装寮案拱寰O(shè)置縱向加勁肋。塔上設(shè)置鋼錨箱，拉索錨固于鋼錨箱內(nèi)。主塔固結(jié)于塔座上，與混凝土塔座的連接采用鋼-混結(jié)合段的方式，采用精軋螺紋鋼方式來保證鋼拱上內(nèi)力平順傳遞到混凝土基座上。為增加鋼-混結(jié)合段傳力的可靠性，將鋼結(jié)構(gòu)段伸入混凝土內(nèi)約0.8 m，采用PBL剪力鍵與混凝土相連接。兩種結(jié)構(gòu)在拱肋某部位對接形成鋼-混結(jié)合拱肋混合接頭，如圖2所示。

目前，塔柱鋼-混過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路主要有：

（1）承壓面連接。承壓面下方混凝土局部應(yīng)力較大，混凝土難以澆筑且澆筑密實度難以檢測，如果在施工過程中不注意施工混凝土的密實度，很容易致使結(jié)合段混凝土出現(xiàn)局部受壓過大的問題。

（2）PBL剪力鍵連接。在該方式的荷載傳遞由上而下的過程中，上層承壓面相鄰區(qū)域承擔(dān)了大多數(shù)的荷載，傳遞路徑較短，沒有有效的整個過渡段共同分擔(dān)荷載的傳遞。

本次設(shè)計采用的鋼-混過渡結(jié)構(gòu)包括格構(gòu)式鋼塔柱、端承壓板、剪力釘、豎向鋼筋和豎向預(yù)應(yīng)力束。該連接性能良好、荷載傳遞路徑可靠、現(xiàn)場施工便捷，能滿足鋼塔柱部分巨大的塔身荷載向下傳遞至混凝土結(jié)構(gòu)的需要，荷載在過渡段內(nèi)能夠根據(jù)設(shè)計的需要逐步擴(kuò)散，同時具備多重可靠的連接措施，且鋼-混分界面無臺階，節(jié)點(diǎn)區(qū)無明顯結(jié)構(gòu)分層，景觀效果良好。具體布置圖如圖3所示。

圖3 混合接頭構(gòu)造圖（單位：mm）

3 鋼-混結(jié)合段有限元計算方法

3.1 建模

模型采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析。模型中鋼板采用SHELL63四節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，混凝土采用SOLID65八節(jié)點(diǎn)實體單元模擬，連接件采用COMBIN14三向彈簧單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)用實體力筋法采用LINK8桿單元賦予初應(yīng)變的方法模擬。計算模型如圖4所示。

圖4 鋼-混結(jié)合段有限元計算模型

3.2 計算基本參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)模型建立長度15 m=底座10 m+結(jié)合部3.5 m+鋼結(jié)構(gòu)2.0 m。

（2）材料全部采用線彈性。鋼結(jié)構(gòu)彈性模量2.1×105MPa，混凝土彈性模量 3.45×104MPa（C50）。

（3）鋼 -混連接件焊釘 22 mm，抗剪剛度302 kN/mm。

（4）承壓板厚度50 mm。

（5）邊界條件。模型邊界條件以最不利工況的節(jié)段受力作為控制指標(biāo)。根據(jù)總計計算給出表1。

表1 荷載工況

由橫向和縱向總體計算中得到的模型端部截面橫向最大彎矩、縱向最大彎矩，以及最大軸力分別對應(yīng)的另外三項內(nèi)力進(jìn)行試算，將最終最不利荷載組合中的軸力按等效原則，并且結(jié)合結(jié)合段在實際結(jié)構(gòu)中的受力狀態(tài)施加于結(jié)合段的邊界上；彎矩則通過進(jìn)行分解得到力偶，同樣按照等效節(jié)點(diǎn)荷載施加在結(jié)合段的邊界節(jié)點(diǎn)上。

4 鋼-混結(jié)合段有限元分析結(jié)果

節(jié)點(diǎn)及其周邊各構(gòu)件基本上都處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，所以以Mises等效應(yīng)力σe來評判各區(qū)域應(yīng)力水平的高低。由彈性理論可知，X方向單向拉、壓狀態(tài)下，σe=σx；復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下σe=σy時材料屈服，σy為材料的屈服應(yīng)力。

總體上說，鋼-混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平不高，所有的區(qū)域σe小于200 MPa。混凝土結(jié)構(gòu)幾乎處于受壓的狀態(tài)，只有個別區(qū)域存在拉應(yīng)力且存在拉應(yīng)力的區(qū)域中大部分區(qū)域小于1.0 MPa，只有在鋼-混結(jié)合段頂部錨頭位置出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，且最大不超過3.0 MPa。由于超過1.0 MPa的拉應(yīng)力區(qū)域面積很小，對整體不會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，但是為了盡可能使結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，仍然需要在該區(qū)域的混凝土中摻加適量的抗拉纖維，以防止混凝土出現(xiàn)局部開裂的現(xiàn)象。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)受力

鋼-混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖5所示。鋼結(jié)構(gòu) Mises應(yīng)力在 0～140 MPa。

圖5 鋼-混結(jié)合段整體應(yīng)力分布（單位：MPa）

鋼-混結(jié)合段內(nèi)部板件Mises應(yīng)力如圖6所示。

圖6 鋼-混結(jié)合段各板件Mises應(yīng)力（單位：MPa）

4.2 混凝土結(jié)構(gòu)受力

4.2.1 鋼-混結(jié)合段混凝土主壓應(yīng)力

混凝土主壓應(yīng)力如圖7所示?；炷磷畲笾鲏簯?yīng)力為-13 MPa。

圖7 鋼-混結(jié)合段混凝土主壓應(yīng)力（單位：MPa）

鋼-混結(jié)合段混凝土不同高度截面主壓應(yīng)力如圖8所示。

圖8 不同高度主壓應(yīng)力圖（單位：MPa）

4.2.2 鋼-混結(jié)合段混凝土主拉應(yīng)力

鋼-混結(jié)合段混凝土主拉應(yīng)力如圖9和圖10所示。大部分范圍混凝土主拉應(yīng)力小于 1.0 MPa，鋼-混結(jié)合段頂部錨頭位置處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大約為3.0 MPa。

圖9 鋼-混結(jié)合段混凝土主拉應(yīng)力（單位：MPa）

鋼-混結(jié)合段混凝土不同高度混凝土主拉應(yīng)力如圖10所示。

圖10 不同高度主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

4.2.3 底座受力

如圖11和圖12所示，混凝土底座主壓應(yīng)力最大為-11 MPa，主拉應(yīng)力最大在1 MPa內(nèi)。

圖11 主壓應(yīng)力云圖及距離承壓面1 m處截面云圖（單位：MPa）

圖12 主拉應(yīng)力云圖及距離承壓面1 m 處截面云圖（單位：MPa）

4.3 連接件受力

焊釘剪力分布如圖13所示。剪力釘剪力最大為73 kN。

圖13 焊釘剪力（單位：MPa）

通過對結(jié)合段空間有限元模型在最不利荷載組合作用下的模擬以及對鋼結(jié)構(gòu)受力云圖、混凝土結(jié)構(gòu)受力云圖以及連接件受力云圖分析結(jié)果表明：

（1）結(jié)合段整體穩(wěn)定性良好，結(jié)合段內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)Mises等效應(yīng)力在0～140 MPa，滿足規(guī)范要求，并且各個部件應(yīng)力分布均勻，變形平緩。

（2）鋼箱內(nèi)混凝土最大主壓應(yīng)力為-13 MPa，并且大部分區(qū)域都是處于受壓狀態(tài)，只有個別區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力為3.0 MPa，并且在受拉區(qū)域內(nèi)大部分應(yīng)力都不會超過1.0 MPa。不同高度的混凝土應(yīng)力變化均勻，無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)合段鋼箱內(nèi)的混凝土構(gòu)件基本上滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（3）底座混凝土最大主壓應(yīng)力為-11 MPa，并且大部分區(qū)域都處于受壓狀態(tài)，只有個別區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力不超過1.0 MPa。不同高度的混凝土應(yīng)力變化均勻，無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。底座的混凝土構(gòu)件基本上滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（4）結(jié)合段的十字加勁鋼板連接件、開孔板及焊釘連接件布置合理,各連接件對剪力的傳遞安全可靠,并且各構(gòu)件的應(yīng)力水平均滿足要求；鋼-混結(jié)合段的受力性能較好,各構(gòu)件的應(yīng)力變形水平均較為合理,結(jié)構(gòu)滿足安全性及耐久性要求。

5 結(jié)語

本文通過某雙套拱塔斜拉橋拱腳鋼-混結(jié)合段進(jìn)行空間有限元力學(xué)分析，驗證其受力及變形是否滿足設(shè)計要求，現(xiàn)根據(jù)分析得出如下結(jié)論：

（1）雙套拱塔斜拉橋拱塔和支座結(jié)合段不僅構(gòu)造復(fù)雜，而且由于其受力復(fù)雜，對結(jié)合段的受力分析要求更加準(zhǔn)確，使用桿系單元進(jìn)行模擬很難得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而采用實體和板殼單元建立空間分析模型，不僅能夠充分反映結(jié)合段的受力情況，其分析的數(shù)據(jù)結(jié)果更加可靠。

（2）拱腳鋼-混結(jié)合段的鋼箱在應(yīng)力的傳遞上整體處于良好的狀態(tài)，只有在個別構(gòu)件的連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，在進(jìn)行施工過程中需要在應(yīng)力集中區(qū)域做倒角進(jìn)行處理；混凝土構(gòu)件整體上滿足相關(guān)規(guī)范要求，但是在鋼-混結(jié)合段的頂部錨頭位置存在應(yīng)力較大的情況，則需要在施工過程中對混凝土進(jìn)行特殊處理消除應(yīng)力集中或者增加抗裂鋼筋保證混凝土不會開裂。

（3）拱腳鋼-混結(jié)合段內(nèi)的不同位置的剪力釘全部滿足相關(guān)規(guī)范要求，為了保證剪力釘能夠發(fā)揮良好的作用，在施工過程中要對拱腳的混凝土加強(qiáng)振搗保證密實度。

（4）在結(jié)合段內(nèi)設(shè)置十字加勁鋼板、豎向加勁鋼及開孔板可以將軸力最大限度地傳遞給承壓板，這使得剪力釘受力更為有利。

（5）由于橋梁的鋼-混結(jié)合段的受力情況對于橋梁整體結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，因此在施工過程中需要在混凝土中加入適量的鋼纖維，使得鋼-混結(jié)合段更加安全可靠。

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U441+.5

A

1009-7716（2017）12-0047-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.014

2017-08-21

馬磊（1984-），男，河北滄州人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：mm）

圖2 鋼-混結(jié)合拱肋混合接頭位置（單位：mm）