用于懸索橋塔錨式施工的塔梁止推器設(shè)計研究

張 風(fēng)

(中鐵十六局集團有限公司,北京 100018)

0 引言

隨著我國交通運輸發(fā)展的需求，自錨式懸索橋的建設(shè)規(guī)模在不斷擴大。塔錨式施工是應(yīng)用于自錨式懸索橋建造的新型方案[1]，在邊跨主梁側(cè)壁錨固塔梁止推器傳遞主纜水平推力至橋塔基礎(chǔ)，完成主跨加勁梁吊裝施工。與傳統(tǒng)施工方法相比，塔錨式施工無需大體量臨時承重構(gòu)件，充分發(fā)揮橋塔基礎(chǔ)的抗推能力，有效節(jié)約施工成本和減少工期。然而，塔梁止推器是塔錨式施工技術(shù)中的關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造、承載性能決定著施工穩(wěn)定性，必須進行嚴(yán)格設(shè)計。

在塔梁止推器傳力過程中，鋼板件與混凝土的錨固界面是薄弱環(huán)節(jié)，故采用PBL剪力鍵加強聯(lián)系。國內(nèi)外眾多學(xué)者對鋼混結(jié)構(gòu)中的PBL剪力鍵承載力計算進行了研究。1987年，LEONHARDT[2]等人建立了考慮鋼板開孔直徑和混凝土強度的PBL剪力鍵承載力計算模型；1997年，GUEZOULI[3]等人根據(jù)有限元分析數(shù)值結(jié)果擬合得到PBL剪力鍵極限承載力計算公式；1999年，NISHIUMI[4]等人借助推出試驗提出了PBL剪力鍵抗剪承載力計算公式；2007年，胡建華[5]等人基于大量試驗數(shù)據(jù)的回歸分析建立了3類剪力鍵極限承載力的統(tǒng)一計算模型；2010年，許燕[6]等人采用試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法提出了PBL剪力鍵受剪承載力計算公式；2013年，長安大學(xué)張智暉[7]等人利用推出試驗提出了Twin-PBL剪力鍵單孔的承載力計算公式；2014年，西南交通大學(xué)趙燦暉[8]等人進行加載試驗提出了PBL剪力鍵屈服荷載的計算模式。

由于工程背景和影響因素存在差異，上述建立的PBL剪力鍵承載力計算公式不具有普遍性。為了保證施工過程的安全穩(wěn)定性，本文提出了一種新型的塔梁止推器構(gòu)造設(shè)計，擬定了適用的PBL剪力鍵承載力計算公式，應(yīng)用有限元軟件建立數(shù)值模型，開展了塔梁止推器各構(gòu)件受力性能分析，驗證了構(gòu)造設(shè)計的合理性，可為同類工程提供參考。

1 塔梁止推器設(shè)計方法

1.1 構(gòu)造設(shè)計

針對自錨式懸索橋塔錨式施工，為了確保主纜水平分力的有效傳遞，滿足承載力和剛度要求，提出了新型的塔梁止推器設(shè)計，具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 塔梁止推器構(gòu)造

主要由梁端止推器、PBL剪力鍵、推力傳導(dǎo)器及塔端止推器構(gòu)成。梁端止推器(包括壁板、格柵架、端承板)固定安裝在邊跨主梁側(cè)面，通過設(shè)置PBL剪力鍵(包括開孔鋼板與貫穿鋼筋)和U形錨筋，與邊跨混凝土梁進行有效錨固，抵抗鋼-混凝土界面的強大剪力流；塔端止推器(包括縱向隔板、橫向隔板、斜向隔板)固定安裝在塔柱正面，可充分發(fā)揮鋼材的抗壓強度，避免承受與塔柱側(cè)壁間的強大剪力流；推力傳導(dǎo)器采用具有強大軸向抗壓能力的沙漏式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置于梁端止推器和塔端止推器之間，用于吊裝過程中的推力傳導(dǎo)。

1.2 設(shè)計流程

結(jié)合國內(nèi)外鋼混錨固結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗[9-10]，應(yīng)用于自錨式懸索橋塔錨式施工過程的塔梁止推器的總體設(shè)計步驟，可以概況為：全橋設(shè)計參數(shù)確定→設(shè)計控制荷載確定→塔梁止推器類型選定→PBL剪力鍵設(shè)計相關(guān)參數(shù)擬定→壁板尺寸擬定→格柵架設(shè)計相關(guān)參數(shù)擬定→初步設(shè)計完成→數(shù)值模擬分析→構(gòu)造尺寸優(yōu)化→完成設(shè)計圖，總體設(shè)計流程及相關(guān)工作如圖2所示。

圖2 塔梁止推器總體設(shè)計流程

1.3 PBL剪力鍵計算

為了設(shè)計方便，將壁板與邊跨混凝土梁之間的摩擦力以及端部混凝土的承壓作用視為安全儲備，假定梁端止推器與邊跨混凝土梁連接處的PBL剪力鍵承擔(dān)了全部縱向剪力。為了避免施工過程中PBL剪力鍵外圍混凝土過早開裂，同時保證壁板與邊梁側(cè)壁不發(fā)生較大相對滑移，PBL剪力鍵設(shè)計應(yīng)滿足：

(1)

式中：n為孔洞橫向列數(shù)；m為孔洞單列排數(shù);Q為PBL剪力鍵單孔承擔(dān)的縱向剪力；Qy為PBL剪力鍵擬彈性極限承載力;Qu為PBL剪力鍵單孔極限承載力，考慮到多排、多列PBL剪力鍵間的影響，保守取2倍的安全系數(shù)。

PBL剪力鍵極限承載力受諸多因素影響，包括混凝土強度等級、鋼板開孔直徑、貫穿鋼筋強度、貫穿鋼筋直徑、開孔鋼板厚度等，參考已有的PBL剪力鍵承載力數(shù)學(xué)模型[11-14]，采用有限元分析方法研究關(guān)鍵參數(shù)對PBL剪力鍵極限承載力的影響規(guī)律，根據(jù)結(jié)果采用多元回歸分析方法擬定適用于本文塔梁止推器設(shè)計的PBL剪力鍵承載力計算公式如下：

130.1×103

(2)

式中：d為開孔鋼板孔徑,mm；ds為貫穿鋼筋直徑,mm；fck為混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa；fy為貫穿鋼筋屈服強度,MPa。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程為某自錨式懸索橋，總體布置如圖3所示，橋跨布置為85 m+200 m+85 m，全橋長370 m，橋面總寬29 m，主跨采用鋼加勁梁，邊跨采用混凝土箱梁；主纜采用二次拋物線線型布置，主跨矢跨比為1∶5，全橋共33對(66根)吊索，吊索縱橋向間距9 m，橫橋向間距21.8 m，采用塔錨式施工技術(shù)。

圖3 懸索橋整體布置示意(單位：m)

2.2 參數(shù)擬定

為了提高承載力，同時保證孔洞與貫穿鋼筋之間有足夠空隙，擬定貫穿鋼筋直徑為25 mm；為避免因孔洞間距過小導(dǎo)致開孔鋼板過早地發(fā)生破壞，將鋼板開孔直徑擬定為60 mm，孔洞中心間距擬定為200 mm；進行全橋施工模擬分析，將塔梁止推器傳遞的最大水平推力作為控制荷載，利用提出的式(2)計算PBL剪力鍵極限承載力，考慮安全系數(shù)后，取PBL剪力鍵數(shù)量為90；擬定PBL剪力鍵的布置為3列15排，相鄰間距取200 mm，如圖4所示。止推器格柵架幾何尺寸如圖5所示。

圖4 PBL剪力鍵布置(單位：mm)

(a)梁端格柵架平面

3 受力性能分析

3.1 有限元模型

利用有限元軟件建立如圖6所示的塔梁止推器分析模型。邊跨混凝土梁局部錨固區(qū)采用三維實體單元SOLID65模擬；塔、梁兩端止推器均采用三維實體單元SOLID92模擬；PBL剪力鍵采用三維實體單元SOLID45模擬；U形錨筋采用三維梁單元BEAM4模擬。

(a)梁端止推器

對于梁端止推器，約束了混凝土塊橫橋向和順橋向位移；對于塔端止推器，約束了塔柱側(cè)端面上所有節(jié)點的3個線位移自由度。在梁端止推器和塔端止推器的端承板上采用施加面荷載的形式來模擬推力傳導(dǎo)器對兩者的作用，前者加載方向與實橋主纜水平推力方向相反，后者加載方向與實橋主纜水平推力方向相同。

3.2 PBL剪力鍵傳剪性能

考慮到提高抗剪承載力及變形能力的需要，在開孔鋼板孔洞內(nèi)增設(shè)貫穿鋼筋形成PBL剪力鍵，錨固于邊跨梁體側(cè)壁，協(xié)助混凝土受力，通過剪力流將梁體承受的水平推力傳遞至梁端止推器各板件。在最大水平推力作用下，開孔鋼板和貫穿鋼筋的應(yīng)力分布分別如圖7所示。

(a)開孔鋼板

開孔鋼板應(yīng)力最大值為89 MPa，出現(xiàn)在開孔鋼板第1列第12排孔洞外側(cè)，沿開孔鋼板縱向兩側(cè)逐漸衰減；相同長度位置處外側(cè)應(yīng)力水平大于內(nèi)側(cè)。貫穿鋼筋的最大應(yīng)力為27.6 MPa，與開孔鋼板最大應(yīng)力位置對應(yīng)，所有的貫穿鋼筋均處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

3.3 格柵架拉壓性能

格柵架由錨固前板、縱向隔板、橫向隔板、水平板等板件組成，分別與壁板外側(cè)焊接。格柵架共設(shè)置了4塊橫向板和2塊水平板，橫向隔板在縱向從中跨側(cè)向邊跨側(cè)分別編號為1#、2#、3#、4#；水平板在豎向從上至下編號為1#、2#。在最大水平推力作用下，格柵架板件應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 格柵架應(yīng)力分布

格柵架內(nèi)側(cè)區(qū)域的應(yīng)力水平高于外側(cè)區(qū)域，這是由于外側(cè)變形較大，內(nèi)側(cè)與壁板焊接位移受限所致。格柵架的最大主壓應(yīng)力為152 MPa，出現(xiàn)在水平板與錨固前板的焊縫連接處附近區(qū)域，其余位置主壓應(yīng)力均處于較低水平。格柵架的最大主拉應(yīng)力為174 MPa，出現(xiàn)在水平板加載端內(nèi)側(cè)，其余位置主拉應(yīng)力均處于較低水平。

格柵架所承擔(dān)的縱向水平力在其各板件間的分配如下所示：錨固前板705.7 kN,1#橫向隔板157.0 kN,2#橫向隔板104.6 kN,3#橫向隔板92.3 kN,4#橫向隔板123.2 kN,1#水平板3 733.6 kN,2#水平板3 733.6 kN,總縱向水平力8 650 kN。

由縱向水平力可知，水平板是格柵架中的主要受力板件，傳遞了絕大部分的縱向水平荷載，且由格柵架整體應(yīng)力分布情況也可以發(fā)現(xiàn)最大拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)在水平板上。

3.4 塔端止推器承壓性能

塔端止推器由縱向隔板、橫向板、斜向板等板件組成，固定安裝在塔柱正面；整體為承壓狀態(tài)，與梁端止推器相比，受力模式較為簡單。最大水平推力作用下，塔端止推器板件應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 塔端止推器應(yīng)力分布

塔端止推器最大應(yīng)力值為117 MPa，出現(xiàn)在加載側(cè)中間縱向隔板與橫向板的焊縫連接處，由端部局部承壓產(chǎn)生。塔端止推器中所有板件的應(yīng)力均小于屈服強度，滿足設(shè)計要求。

3.5 現(xiàn)場測試及驗證

如圖10(a)所示，設(shè)計的塔梁止推器成功應(yīng)用于工程實踐?，F(xiàn)場測試時，在格柵架上設(shè)置2 組測量點，監(jiān)測施工過程中的應(yīng)力變化。圖10(b)顯示了實測和計算應(yīng)力值的對比。格柵架應(yīng)力始終處于安全范圍內(nèi)，且實測值與計算值的變化趨勢一致。由于測量誤差和施工荷載不確定度的影響，實際測量值略大于計算值。計算值與實測值的誤差在10 MPa以內(nèi)，符合程度較理想，驗證了設(shè)計的合理性。

(a)塔梁止推器

4 結(jié)論

本文針對自錨式懸索橋塔錨式施工技術(shù)，提出了一種新型的塔梁止推器構(gòu)造及其設(shè)計流程，擬定了適用的PBL剪力鍵承載力計算公式，并以某雙塔三跨懸索橋為例，按設(shè)計流程進行了止推器設(shè)計及局部受力性能分析。主要得到以下結(jié)論：

a.提出了塔梁止推器構(gòu)造型式及其總體設(shè)計流程，明確了適用于該止推器的PBL剪力鍵設(shè)計計算方法，結(jié)合有限元模擬與數(shù)學(xué)分析方法提出了PBL剪力鍵極限承載力計算公式。

b.以某自錨式懸索橋為工程背景，按設(shè)計流程進行了塔梁止推器設(shè)計，并采用有限元數(shù)值模擬進行局部受力性能分析。結(jié)果顯示：梁端止推器格柵架最大主拉、壓應(yīng)力均小于屈服強度，PBL剪力鍵及塔端止推器器各板件受力均滿足設(shè)計要求。

c.將設(shè)計的塔梁止推器應(yīng)用于施工現(xiàn)場，在格柵架上設(shè)置了測量點，對施工過程的應(yīng)力變化進行監(jiān)測。實測結(jié)果表明塔梁止推器的應(yīng)力始終處于安全范圍，驗證了其設(shè)計的合理性。