鋼板組合梁斜拉橋塔梁固結(jié)構(gòu)造空間受力分析

郝 翠， 曹新壘

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

塔梁固接構(gòu)造是斜拉橋設(shè)計的難點之一，該位置橋塔需承受拉索傳遞的豎向力和不均衡水平力造成的彎矩，主梁需要承受巨大的軸向力和彎矩，同時承擔由汽車偏載引起的扭矩作用[1，2]。近年來，隨著橋梁工業(yè)化的發(fā)展，涌現(xiàn)一批鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)[3]，鋼混組合結(jié)構(gòu)之間連接可靠性研究也取得了重大進展[4]。

本文以某山區(qū)高速公路中跨徑為(48+80+40)m的鋼板組合梁斜拉橋為工程背景，如圖1所示，對鋼板組合梁與混凝土橋塔間的固接構(gòu)造進行研究。

圖1 主橋橋型布置圖

1 工程概況

某山區(qū)高速公路鋼板組合梁低塔斜拉橋分幅布置，其跨徑組合為(48+80+40)m，單幅橋?qū)?2.25 m，如圖2所示。主梁采用雙工字鋼板組合梁，鋼主梁高1.5 m，塔梁固結(jié)處變化至2.0 m，鋼主梁與橋面板間通過剪力釘連接。主塔為混凝土結(jié)構(gòu)，塔梁固結(jié)處橫梁最小高度為2.1 m。

圖2 主橋標準橫斷面圖

2 塔梁固接構(gòu)造設(shè)計

由于主梁與主塔材料的不同，塔梁固結(jié)構(gòu)造設(shè)計應(yīng)確保鋼材與混凝土之間有效連接，以共同受力。主梁縱橋向還應(yīng)采取合理的加勁構(gòu)造，確保其剛度平順過渡。

本工程采用的塔梁固結(jié)構(gòu)造為：鋼主梁連續(xù)穿過橋塔橫梁，并在鋼主梁腹板、頂板下緣及底板上、下緣焊接剪力釘。腹板兩側(cè)剪力釘布置為Φ22×200@200 mm，翼緣剪力釘布置為Φ22×150@300 mm。本工程塔梁固結(jié)構(gòu)造，如圖3所示，其加勁構(gòu)造為：腹板豎向間隔布置4道縱向加勁肋N1、N2，間距為400 mm。為進一步改善塔梁固結(jié)處的受力情況，緊鄰橋塔橫梁外側(cè)，在腹板兩側(cè)焊接豎向加勁鋼板N3，N3上焊接剪力釘且延縱橋向布設(shè)預應(yīng)力高強精軋螺紋粗鋼筋H1。橋面板與混凝土塔橫梁間設(shè)置倒角，剛度平順過渡。

圖3 塔梁固結(jié)構(gòu)造示意圖

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型

塔梁固結(jié)區(qū)域結(jié)構(gòu)受力復雜，采用大型通用有限元計算軟件ANSYS，建立了小樁號橋塔及主梁0#、1#、2#節(jié)段的局部分析模型，如圖4所示。

圖4 局部分析模型示意圖

模型總長度為39 m，其中混凝土橋面板、橋塔及其上橫梁采用SOLID45單元模擬，鋼主梁、鋼橫梁及塔梁固結(jié)構(gòu)造加勁肋采用SHELL63單元模擬。鋼主梁和混凝土橋面板之間采用共節(jié)點連接。橋塔上橫梁中的預應(yīng)力鋼束采用實體力筋法模擬，預應(yīng)力鋼束采用LINK8單元模擬，與混凝土單元之間通過約束方程法耦合，預應(yīng)力荷載通過降溫法施加。鋼結(jié)構(gòu)材料為Q345qD，混凝土材料為C50。

3.2 邊界條件及加載荷載

局部分析模型在橋塔底部、頂部及主梁的兩端建立虛梁。虛梁長10 cm，采用BEAM4單元模擬。模型中將虛梁的彈性模量擴大10倍，以模擬剛臂作用。虛梁與端部對應(yīng)節(jié)點通過建立約束方程生成剛性區(qū)，實現(xiàn)連接。橋塔底部按固結(jié)處理，其余剛臂處按照從MIDAS Civil整體模型中提取的對應(yīng)截面內(nèi)力，施加對應(yīng)工況的力邊界，以使局部模型的受力狀態(tài)接近真實情況。根據(jù)圣維南原理，這種處理方式對于距離該力系作用足夠遠處的受力狀態(tài)將不會產(chǎn)生較大影響。

分析模型中未建立拉索單元，通過從整體計算模型中提取相應(yīng)荷載工況的拉索內(nèi)力并施加到對應(yīng)節(jié)點的方式，以模擬局部分析模型受到的索力作用。局部分析時考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載和汽車荷載的作用。通過在MIDAS Civil整體計算模型中采用移動荷載追蹤器功能，追蹤塔梁固結(jié)區(qū)域鋼主梁單元產(chǎn)生最大負彎矩時的汽車荷載的布置方式，并據(jù)此在ANSYS局部分析模型中進行加載相對應(yīng)的汽車荷載。

3.3 計算結(jié)果及分析

3.3.1 橋面板及橋塔應(yīng)力計算及分析

正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下混凝土橋面板及橋塔縱橋向應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5中可以看出，除拉索作用點及邊界處部分應(yīng)力集中區(qū)域以外，縱橋向總體應(yīng)力水平在-6.0 MPa～2.0 MPa。在橋面板與橋塔上橫梁連接處，橋面板上緣出現(xiàn)了約2.0 MPa的拉應(yīng)力，下緣出現(xiàn)了約-6.0 MPa的壓應(yīng)力，這與該處剛度突變存在一定關(guān)系。

圖5 橋面板及橋塔縱橋向應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖6為橋面板與橋塔上橫梁間不設(shè)置倒角時的應(yīng)力分布，橋面板上緣出現(xiàn)了約3.0 MPa的拉應(yīng)力，下緣壓應(yīng)力為-5.89 MPa,說明橋面板加腋對于此處拉應(yīng)力有一定的改善作用。

圖6 橋面板不加腋時上緣應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖7為不考慮橫梁預應(yīng)力作用下橋面板及橋塔縱橋向應(yīng)力分布，橋面板上緣拉應(yīng)力約為1.0 MPa，說明此處拉應(yīng)力的存在還與橫梁預應(yīng)力鋼束形成的擠壓作用有關(guān)。

圖7 不計橫梁預應(yīng)力作用時上緣應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下混凝土橋面板及橋塔橫橋向應(yīng)力分布如圖8所示。從圖8可以看出，橫向總體應(yīng)力水平大致在-7.33 MPa～0.67 MPa，除拉索作用點處以外，基本未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.3.2 鋼主梁及鋼橫梁應(yīng)力計算及分析

承載能力極限狀態(tài)基本組合下，鋼主梁及鋼橫梁等效應(yīng)力如圖9所示。從圖9可以看出，鋼梁上翼緣由于與橋面板共節(jié)點連接，應(yīng)力水平較小。鋼橫梁的最大應(yīng)力約為124 MPa，發(fā)生在車道荷載集中荷載Pk作用處對應(yīng)的橫梁下翼緣。鋼主梁在高度變化處及與橋塔上橫梁結(jié)合處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，鋼混結(jié)合處的最大應(yīng)力約245 MPa，滿足設(shè)計要求。除應(yīng)力集中處以外，鋼主梁應(yīng)力水平基本在137 MPa以下。

圖8 橋面板及橋塔橫橋向應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖9 鋼梁等效應(yīng)力分布(單位：Pa)

4 結(jié) 論

本文介紹了一種鋼板組合梁斜拉橋塔梁固結(jié)構(gòu)造，通過建立有限元模型，計算分析了墩梁固結(jié)區(qū)域混凝土橋面板、橋塔及其橫梁、鋼主梁及鋼橫梁等的受力特點，得出以下結(jié)論：

(1)橋面板與橋塔橫梁交接處，由于剛度變化及橋塔橫梁預應(yīng)力的擠壓作用，橋面板上緣出現(xiàn)應(yīng)力集中。該處應(yīng)設(shè)置倒角，以使剛度過渡平順，且鋼筋配置應(yīng)考慮該拉應(yīng)力的影響。

(2) 鋼主梁在鋼混結(jié)合面處出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中，通過設(shè)置墩梁固結(jié)構(gòu)造的加勁構(gòu)造可以緩解該處應(yīng)力集中。

(3)該構(gòu)造傳力路徑清晰，加工制造難度小，為鋼板組合梁斜拉橋塔梁固結(jié)體系構(gòu)造提供了一種解決方案。