橋塔鋼-混凝土結(jié)合段設(shè)計(jì)與受力分析

□文/李 焱

斜拉橋由索、塔、梁三大主要承力構(gòu)件組成，橋塔起著承上啟下的傳力作用[1]。由于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于斜拉橋橋塔，達(dá)到節(jié)省造價(jià)、提高結(jié)構(gòu)可靠度、方便施工的目的。

對(duì)于鋼塔斜拉橋，鋼-混凝土結(jié)合段如何傳遞和抵抗強(qiáng)大的軸力、剪力和彎矩，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛?cè)徇^渡并使構(gòu)造具有良好的耐久性和抗疲勞性能，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。

1 工程概況

康巴什大橋?yàn)殡p斜塔雙索面斜拉橋，主跨450 m，A 型橋塔，塔高128 m 并向主跨側(cè)有12°傾斜。橋塔以鋼材為主，將鋼-混凝土結(jié)合段設(shè)置在橋塔與承臺(tái)交界處，承臺(tái)頂部設(shè)置塔靴將鋼塔包裹，結(jié)合段總長10.0 m，由上到下分別為4 m鋼混凝土過渡段和6 m塔靴包裹段[3]。見圖1。

圖1 結(jié)合部立面布置

2 橋塔結(jié)合段特點(diǎn)

1）鋼塔與混凝土塔靴連接，混凝土結(jié)構(gòu)斷面遠(yuǎn)大于鋼塔斷面，可以利用斷面的變化解決結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力集中問題。

2）索塔中剪力釘處于側(cè)立狀態(tài)，剪力釘下的混凝土?xí)l(fā)生離析現(xiàn)象。

3）索塔內(nèi)的軸力自上而下呈累加趨勢[4]。

3 橋塔結(jié)合段設(shè)計(jì)

針對(duì)以上特點(diǎn)，對(duì)橋塔結(jié)合段進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，保證連接部的整體性和可靠性。

截面尺寸上，鋼塔單肢橫橋向?yàn)?.3 m，順橋向從6 m漸變到12 m。結(jié)合段上段4.0 m為外露鋼結(jié)構(gòu)，鋼塔內(nèi)壁設(shè)置剪力釘并灌注自密實(shí)混凝土；下段6.0 m鋼塔段插入混凝土塔靴，塔壁鋼板開孔并穿過傳剪鋼筋與混凝土塔靴連接，形成復(fù)合式PBL 剪力鍵共同受力。見圖2。

圖2 鋼塔鋼混結(jié)合段總體布置

在充分考慮結(jié)構(gòu)和力學(xué)的合理性、應(yīng)力的傳遞性、鋼塔制作的可行性后，橋塔鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)主要采用的構(gòu)造措施見圖3。

圖3 鋼塔鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式

1）在塔靴以上4 m 鋼塔過渡段內(nèi)設(shè)置焊釘剪力鍵。過渡段鋼塔柱內(nèi)壁側(cè)按20 cm 間隔設(shè)置φ22 mm×170 mm圓柱頭焊釘并在鋼塔柱內(nèi)灌注自密實(shí)混凝土。通過擴(kuò)大混凝土和剪力釘?shù)慕Y(jié)合面，有效解決截面突變引起的剛?cè)徇^渡問題，提高結(jié)合段的抗疲勞性能。

2）在插入塔靴內(nèi)的6 m鋼塔柱段設(shè)置復(fù)核式PBL剪力鍵。該段鋼塔內(nèi)腹板及壁板上開直徑60 mm孔洞并穿直徑25 mm的傳剪鋼筋，與孔洞內(nèi)的混凝土共同形成PBL剪力鍵。該措施能將主塔受壓時(shí)產(chǎn)生的剪力轉(zhuǎn)化為混凝土受壓，以壓力形態(tài)均勻傳遞到承臺(tái)基礎(chǔ)上。

3）在結(jié)合段設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束和精軋螺紋筋。結(jié)合段頂部設(shè)置6 cm厚承壓板，將鋼束和鋼筋錨固在承壓板上。預(yù)應(yīng)力布置在橋塔斷面四周，單側(cè)設(shè)3 排19φs15.20 mm 鋼絞線，以抵抗主塔受拉或受彎時(shí)對(duì)混凝土產(chǎn)生的拉力；精軋螺紋筋則在全斷面均勻布置，共設(shè)16排，以提高混凝土受壓的均勻性。

4）塔壁外側(cè)設(shè)置伸出肢剪力鍵。在鋼塔的長邊外壁側(cè)設(shè)置50 mm×750 mm 加勁肋，間距50 cm 布置并在加勁肋上焊接圓柱頭焊釘，擴(kuò)大鋼與混凝土的接觸面，增強(qiáng)塔根的穩(wěn)定性。

4 有限元計(jì)算

4.1 模型

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas Civil 2010建模，模型范圍近似按主塔順橋向?qū)挾热≈怠ｄ摻Y(jié)構(gòu)采用四邊形平面單元，混凝土結(jié)構(gòu)采用3D六面體實(shí)體單元。見圖4。

圖4 主塔鋼混凝土節(jié)段有限元細(xì)部模型

4.2 計(jì)算荷載

首先計(jì)算斜拉橋單梁模型，主梁采用單主梁單元、主塔采用梁單元、拉索采用索單元模擬，得到單梁模型下主塔截面最不利組合工況作用下的內(nèi)力值及對(duì)應(yīng)的并發(fā)力值，再按各工況對(duì)有限元模型進(jìn)行加載分析。見表1。

表1 極值工況加載分級(jí)

5 結(jié)果分析

為準(zhǔn)確反映加載后結(jié)合部位置的應(yīng)力分布，結(jié)果分析中僅展示承臺(tái)鋼塔內(nèi)填充混凝土、塔靴段混凝土以及加載面9.0 m以下的鋼結(jié)構(gòu)部分。

5.1 成橋初期

1）混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力見圖5和圖6。

圖5 承臺(tái)和塔墩結(jié)合段混凝土應(yīng)力

圖6 塔靴外包和上承臺(tái)應(yīng)力

鋼塔腹板外側(cè)加勁肋頂面、塔墩與上承臺(tái)交接處有明顯的拉應(yīng)力區(qū)域，量值達(dá)2.0～6.3 MPa。鋼塔內(nèi)部填充混凝土由于預(yù)應(yīng)力筋等影響，產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。

程序中考慮鋼-混凝土結(jié)合段具有良好粘結(jié)性能，變形完全協(xié)調(diào)，填充區(qū)混凝土頂部由于預(yù)應(yīng)力預(yù)壓作用，導(dǎo)致邊緣區(qū)混凝土承受較大拉應(yīng)力，實(shí)際中邊緣區(qū)混凝土將脫離鋼結(jié)構(gòu)表面，因此該拉應(yīng)力將得到釋放。

2）鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)見圖7和圖8。

圖7 主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖8 腹板和橫板應(yīng)力

個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)較大的主壓應(yīng)力，大部分主壓應(yīng)力處在-126.7～7.61 MPa 之間。

5.2 My最小狀態(tài)

1）混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)見圖9和圖10。

圖9 承臺(tái)和塔墩結(jié)合段混凝土應(yīng)力

圖10 塔靴外包和上承臺(tái)混凝土應(yīng)力

鋼塔腹板外側(cè)加勁肋頂面、塔墩與上承臺(tái)交接處引起明顯的拉應(yīng)力區(qū)域，量值達(dá)2.0～6.3 MPa。鋼塔內(nèi)部填充混凝土由于預(yù)應(yīng)力筋等影響，產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。

2）鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)見圖11和圖12。

圖11 主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖12 腹板和橫板主壓應(yīng)力

個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)較大的主壓應(yīng)力，絕大部分主壓應(yīng)力處在-155.3～18.56 MPa。

5.3 數(shù)值分析

主塔鋼-混凝土結(jié)合段有限元模型在兩種工況作用下的主應(yīng)力見表2。

表2 極值況作用下混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力值 MPa

從表2 可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，主塔鋼-混凝土結(jié)合段結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)論

1）橋塔鋼-混凝土結(jié)合段主要通過橋塔壁板、承壓板和鋼-混結(jié)合部內(nèi)剪力釘傳遞軸向荷載。在傳力時(shí)，軸力可有效通過格室內(nèi)剪力釘和PBL 剪力鍵均勻傳遞到核心混凝土上[5]。與鋼-混凝土結(jié)合段不同，承壓板應(yīng)力較小，傳力貢獻(xiàn)不顯著。

2）橋塔鋼-混凝土結(jié)合段采用承插式，針對(duì)斜拉橋塔的受力特性，提出了適用于主塔的鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造，即除在鋼塔壁設(shè)置剪力釘外，增加了復(fù)合式PBL的設(shè)置，再配合預(yù)應(yīng)力鋼束的使用，提高了結(jié)合段抗剪性能。

3）通過對(duì)結(jié)合段構(gòu)造反復(fù)研究，利用鋼塔與塔靴體積差距較大的特點(diǎn)，提出在鋼塔塔壁上設(shè)置“伸出肢”的設(shè)想，大大增加了鋼塔與混凝土塔靴的接觸面積。通過有限元仿真分析驗(yàn)證，增加伸出肢能明顯降低塔壁周圍混凝土平均應(yīng)力，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。