鋼錨梁-鋼牛腿組合索塔錨固結(jié)構(gòu)受力性能與設(shè)計(jì)

王 迪

中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088

1 工程概況

某主橋斜拉索塔端用鋼錨梁錨固，索塔每側(cè)塔柱所用鋼錨梁數(shù)量統(tǒng)一設(shè)為22套，編號(hào)為GML1～GML22（按照自下而上的順序依次編號(hào)）。鋼牛腿的關(guān)鍵作用在于穩(wěn)定支撐鋼錨梁。結(jié)構(gòu)方面，以上承包、托架板、塔壁預(yù)埋鋼板為核心，共同組成鋼牛腿結(jié)構(gòu)體系。以GML22對(duì)應(yīng)索塔錨固節(jié)段為探討對(duì)象，選取該節(jié)段的原因在于其在全橋結(jié)構(gòu)中處于受力最不利的狀態(tài)，此時(shí)的分析結(jié)果更具可靠性與說(shuō)服力。此外，還考慮到混合連接件，此結(jié)構(gòu)具體由焊釘群和PBL剪力鍵群兩部分構(gòu)成。

2 有限元模型的創(chuàng)建及驗(yàn)證

2.1 有限元模型的創(chuàng)建

以錨固結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和尺寸為基本依據(jù)，創(chuàng)建殼-梁-實(shí)體有限元模型，以探尋在恒載的初始索力作用下，與之相對(duì)應(yīng)的混合剪力連接件所表現(xiàn)出的受力特點(diǎn)[1]。根據(jù)錨墊板的結(jié)構(gòu)關(guān)系，索力以面荷載的形式加載于該處，參照模型索力作用特性，大小和方向均與之保持一致?；炷恋牧W(xué)行為具有類型多樣、機(jī)制復(fù)雜的特點(diǎn)，常見有壓碎、開裂等形式，立足此類特點(diǎn)，選用的是鋼筋混凝土實(shí)體單元模擬的方案[2]。焊釘用有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧M，PBL剪力鍵開孔鋼板和穿孔鋼筋用彈塑性實(shí)體單元模擬。

焊釘、開孔鋼板、穿孔鋼筋的彈性模量依次為2.06×105MPa、2.06×105MPa、2.0×105MPa，屈服強(qiáng)度依次為 369MPa、345MPa、335MPa，極限強(qiáng)度依次為 498MPa、480MPa、480MPa，泊松比均為0.3。前述所提三部分的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有趨同性，即都呈現(xiàn)為三折線模型。依托于該力學(xué)特性關(guān)系劃分為兩個(gè)部分，并結(jié)合各自的特點(diǎn)適配具有可行性的方法，以便做針對(duì)性的分析。

其中，上升段從《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》（GB 50010—2010）中提取可行的方法；下降段應(yīng)用的是Hongnestad應(yīng)變曲線。單軸抗拉、抗壓強(qiáng)度分別為2.65MPa和32.4MPa，泊松比為0.2。以高精度的方式模擬連續(xù)接觸面（指的是混凝土與剪力連接件所形成的），此舉是掌握該連接件受力狀況的重要前提。依托約束方程的形式反映焊釘與混凝土的接觸關(guān)系。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

基于提高焊釘試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性與可觀性的目標(biāo)，確定其截面實(shí)測(cè)內(nèi)力并繪制成圖，用于判斷該力的分布特點(diǎn)。對(duì)于豎向剪力，定義其向上和向右均為正值，向下和向左均為負(fù)值；對(duì)于軸力，向上、向右兩個(gè)方向?yàn)檩S向拉力，向下、向左為軸向壓力。模擬分析的工作難點(diǎn)在于剪力連接件測(cè)點(diǎn)數(shù)量不足，不利于測(cè)試工作的順利開展，因此在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上輔以有限元數(shù)值分析方法，以達(dá)到驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性的效果。

從全流程的實(shí)際狀況來(lái)看，各節(jié)段的完整性良好，無(wú)鋼-混連接處受損和牛腿壁板大幅度偏位的問題，此方面的表現(xiàn)與有限元計(jì)算結(jié)果無(wú)差異。從焊釘測(cè)點(diǎn)的受力特點(diǎn)來(lái)看，相較于有限元分析結(jié)果，實(shí)際的軸力和豎向剪力與之在分布規(guī)律方面具有一致性；截面豎向剪力、軸力及PBL剪力鍵穿孔鋼筋應(yīng)力的共同特性在于其實(shí)測(cè)值均略大于理論值，但兩者的差異甚微，無(wú)明顯的偏差。由此看來(lái)，有限元模型計(jì)算的結(jié)果總體上具有可靠性，可以用于呈現(xiàn)混合剪力連接件的狀態(tài)，分析結(jié)果具有參考價(jià)值。

3 混合剪力連接件的受力分析

3.1 焊釘群的受力分析

受索力和偏向作用的雙重影響，鋼牛腿壁板的穩(wěn)定性難以得到保證，其結(jié)果是出現(xiàn)豎向滑移以及面外變形現(xiàn)象。釘群豎向剪力的分布具有集中性，即在牛腿頂板的焊釘部位；底層焊釘處的剪力值較大，究其原因是與塔壁相對(duì)壁板出現(xiàn)大范圍滑移現(xiàn)象有關(guān)；布設(shè)于牛腿頂板上部的焊釘，其產(chǎn)生的豎向剪力呈現(xiàn)出上部小、下部大的特點(diǎn)，觀察頂板下方索孔寬度內(nèi)的焊釘可以發(fā)現(xiàn)，該部分構(gòu)件的豎向剪力在分布方面具有明顯的趨同性，即均以馬鞍形分布狀態(tài)為主，顯現(xiàn)出較為突出的群釘效應(yīng)。

頂板上方豎向剪力具有持續(xù)增加的變化特點(diǎn)（按照自上而下的順序），頂板下方豎向剪力則普遍呈現(xiàn)出馬鞍形分布的特點(diǎn)。邊、中跨兩側(cè)索力的角度存在差異，與此同時(shí)，索孔豎向位置也不盡相同，在該基礎(chǔ)條件下，邊、中跨兩部分第8層焊釘?shù)呢Q向剪力總和的層間變化也存在差異性。

邊、中跨側(cè)各列焊釘豎向剪力總和的特點(diǎn)是中間小，向兩側(cè)逐步加大；從索力豎向分力的角度來(lái)看，則具有邊跨側(cè)大于中跨側(cè)的特點(diǎn)，此時(shí)以邊跨側(cè)焊釘群的受力特性較為特殊，該部分所需承受的豎向剪力明顯更大，而中跨側(cè)則偏小。焊釘軸力是基于多種受力條件共同產(chǎn)生的結(jié)果，主要體現(xiàn)在如下兩方面：一是與索力豎向分力有關(guān)，其會(huì)對(duì)焊釘根部造成影響，可見焊釘有變形現(xiàn)象，此過(guò)程中形成軸向拉力；二是與壁板外側(cè)變形有關(guān)，該部分與塔壁脫離或擠壓，在該形態(tài)變化之下形成軸向拉力或壓力作用。

焊釘群軸向拉力在不同部位存在特定的差異，其中以牛腿頂板的焊釘所受力更大，最大達(dá)62kN；截面拉應(yīng)力為163MPa，所處位置為邊跨側(cè)壁板中間區(qū)域。對(duì)于軸向壓力，可見其最大值所對(duì)應(yīng)的位置為牛腿腹板的焊釘處，達(dá)29kN；截面壓應(yīng)力為76MPa，所處位置為邊跨側(cè)外側(cè)牛腿腹板底緣。無(wú)論中跨還是邊跨，各自的焊釘軸力分布特性幾乎一致。另外，在邊跨側(cè)索力偏心的影響下會(huì)呈現(xiàn)出面外彎矩超過(guò)中跨側(cè)的情況。

3.2 PBL剪力鍵的受力分析

PBL剪力鍵產(chǎn)生的豎向分力具有一條較為明顯的傳遞路徑，即到達(dá)混凝土塔壁處。兩種較為關(guān)鍵的方式將使開孔鋼板焊接端產(chǎn)生水平力：一是壁板的豎向面外變形，此時(shí)PBL剪力鍵的牛腿頂板結(jié)點(diǎn)呈受拉的受力狀態(tài)，而觀察其腹板可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)點(diǎn)處于受壓的狀態(tài)；二是壁板的橫向面外變形，破壞對(duì)象主要為PBL剪力鍵開孔鋼板，易導(dǎo)致其失穩(wěn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，由此破壞開孔鋼板的正常受力狀態(tài)，呈受拉、受壓同時(shí)存在的受力關(guān)系。

4 混合剪力連接件的傳力特點(diǎn)

索力豎向分力形成牛腿頂板→混凝土塔壁的傳遞路徑，但兩部分的傳力能力不盡相同，其中邊跨側(cè)和中跨側(cè)壁板與混凝土間的摩阻特性一致，均承擔(dān)7%的力，其他部分則由焊釘群、PBL剪力鍵群共同承擔(dān)。從而得知，混合剪力連接件處的豎向力分配特點(diǎn)主要與連接件的抗剪剛度和荷載條件有關(guān)[3]。

5 混合剪力連接件傳力的影響因素

立足錨固結(jié)構(gòu)的荷載特點(diǎn)，對(duì)混合剪力連接件的豎向力分配機(jī)制加以探討。

5.1 塔壁承壓的影響

隨著塔壁豎向壓力的增加，焊釘群與PBL剪力鍵群的作用規(guī)律具有較明顯的相似性，各自在傳遞豎向力方面有線性變化的特點(diǎn)。其中，塔壁豎向力從0MPa開始逐步增加，待其達(dá)到3.5MPa時(shí)，焊釘群傳遞豎向力較前期有減小的變化趨勢(shì)，從7.2%減至6%；相比之下，PBL剪力鍵群則增加，由17.6%增加至19.2%；無(wú)明顯變化的部分為壁板摩阻承擔(dān)的豎向力，其始終維持在15%左右的水平。發(fā)現(xiàn)在0～3.5MPa的塔壁豎向壓力變動(dòng)區(qū)間內(nèi)，混合剪力連接件間力的分配可維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，塔壁豎向壓力的變動(dòng)對(duì)其的作用甚微[4]。

5.2 豎向力的影響

傳遞豎向力的比例具有線性變化特點(diǎn)，具體包含增大和減小兩類細(xì)分情況。塔壁豎向力從1000kN加至7000kN后會(huì)出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折，此時(shí)焊釘群傳遞豎向力的占比減小，由68.8%減至66.2%；相比之下，PBL剪力鍵群則呈現(xiàn)出相反的變化，比例由15.6%增加至18.3%；無(wú)明顯變化的部分為壁板摩阻承擔(dān)的豎向力，其始終維持在15%左右的水平。著重考慮的是1000～7000kN的力值區(qū)間，在豎向力增加的條件下，就傳遞豎向力而言，焊釘群和PBL剪力鍵群分別呈減小、增大的變化特點(diǎn)，但兩者均不顯著，僅是小幅度的變動(dòng)[5]。

5.3 面外彎矩的影響

在塔壁豎向壓力恒定5000kN的條件下，彎矩從0kN·m向3000kN·m逐步增大，焊釘群傳遞豎向力由67.3%減至63.5%；PBL剪力鍵群傳遞力由17.5%加至30.8%；側(cè)壁摩阻所受豎向力由15.2%減至5.6%。盡管存在面外彎矩作用，但焊釘群傳遞豎向力在全過(guò)程中可以維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，其力的占比有所變化，幅度較?。粚?duì)于PBL剪力鍵群而言，其傳遞力則有增大的變化特點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章以有限元計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合鋼錨梁-鋼牛腿組合索塔錨固結(jié)構(gòu)的受力特性實(shí)測(cè)結(jié)果展開綜合驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用殼-梁-實(shí)體數(shù)值模擬方法所取得的結(jié)果具有可靠性，能夠給工作人員提供掌握混合剪力連接件實(shí)際特性的渠道，所提方法切實(shí)可行，所提內(nèi)容具有參考價(jià)值。