鋼-混組合橋塔結(jié)合段承載性能模型試驗(yàn)研究

王雪鋒，關(guān)大勇，馮玉龍

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

0 引言

斜拉橋鋼-混組合塔一般在錨固區(qū)及以上塔柱采用鋼結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)以下塔柱采用混凝土結(jié)構(gòu)。鋼塔通過鋼-混結(jié)合段與混凝土塔連接形成組合構(gòu)件[1]，可充分發(fā)揮鋼材、混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)受力更為合理。捷克瑪麗安無背索斜拉橋、日本鶴見航道斜拉橋、我國的南京長江三橋[2-3]、肇慶市閱江大橋、吉水縣贛江二橋等均采用這種橋塔形式。

鋼-混結(jié)合段受力復(fù)雜，由于材料性能不同、結(jié)合段剛度突變、設(shè)計(jì)施工認(rèn)識(shí)不足等原因，鋼-混結(jié)合段容易成為組合塔結(jié)構(gòu)受力的不利位置[4-9]。結(jié)合段一旦發(fā)生病害，通常難以修復(fù)，給橋塔結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。因此，有必要對組合塔鋼-混結(jié)合段的受力機(jī)理進(jìn)行深入研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者通過模型試驗(yàn)對結(jié)合段的整體承載能力以及剪力釘連接件的受力性能進(jìn)行了一定的研究[10-14]，但針對結(jié)合段鋼混材料之間的傳力機(jī)理研究還不深入。本研究以肇慶市閱江大橋組合塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒘撕蟪袎喊迨浇M合塔結(jié)合段有限元模型，研究探討其傳力機(jī)理，對比分析其傳力性能的差異。同時(shí)，通過對該橋后承壓板式結(jié)合段進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，對該類型結(jié)合段的傳力機(jī)理及承載性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1 組合塔結(jié)合段構(gòu)造特點(diǎn)

按鋼-混組合塔承壓板的有無和相對位置，結(jié)合段可分為如圖1所示的前承壓板式、后承壓板式和插入式；按格室是否設(shè)立，又分為有格室和無格室,各種形式的結(jié)合段在實(shí)際工程中都有應(yīng)用。

圖1 結(jié)合段構(gòu)造Fig.1 Structure of joint segment

承壓板設(shè)置在鋼-混結(jié)合段底部的形式為前承壓板式，其構(gòu)造如圖1(a)所示。部分鋼塔軸力通過壁板設(shè)置的剪力釘傳遞至混凝土塔柱，其余軸力通過承壓板與混凝土的接觸作用傳遞。

承壓板設(shè)置在鋼-混結(jié)合段頂部的形式為后承壓板式，其構(gòu)造如圖1(b)所示。部分鋼塔軸力通過承壓板的接觸擴(kuò)散作用將傳遞至混凝土塔中，其余軸力通過壁板設(shè)置的剪力釘傳遞。

圖1(c)為插入式結(jié)合段構(gòu)造，鋼塔軸力完全依靠剪力釘傳遞至混凝土塔柱。由于沒有承壓板約束，插入式結(jié)合段鋼與混凝土的相對滑移在3種結(jié)合段構(gòu)造中相對較大，剪力釘承擔(dān)的剪力值也最大，需布置較多的大剛度開孔板連接件，如開孔板連接件，而且塔柱的截面也相對較大。

插入式結(jié)合部混凝土澆注質(zhì)量容易保證，其作用力全通過連接件傳遞，因而需要較長的結(jié)合段，連接件受力較大。承壓板式應(yīng)力傳遞直接，截面的剛度變化比較大。由于剛度和強(qiáng)度上的要求，往往需設(shè)置較厚的承壓板[15-17]。為了能夠均勻地傳遞壓力，承壓板與混凝土承臺(tái)之間必須保持密切接觸。就剪力釘受力均勻性而言，后承壓略好，考慮到閱江大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造緊湊、軸力較大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用后承壓板式構(gòu)造。

2 后承壓式結(jié)合段傳力機(jī)理分析

閱江大橋采用鋼-混組合塔的結(jié)構(gòu)型式，上塔柱為等截面鋼塔，塔柱尺寸為4 m×3.6 m(橫橋向×順橋向)，雙肢塔柱之間設(shè)置鋼系梁。下塔柱為鋼筋混凝土塔，塔柱截面橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?yàn)樽兘孛?。塔肢兩?cè)外壁板和內(nèi)腹板之間各設(shè)1個(gè)鋼錨箱，鋼錨箱橫橋向中心距2.2 m，斜拉索通過鋼錨箱錨固于橋塔內(nèi)部。鋼-混凝土結(jié)合段長2.36 m，在結(jié)合段頂部設(shè)置14 cm厚的承壓板，節(jié)段內(nèi)共設(shè)置16束φs15.20～5預(yù)應(yīng)力鋼絞線，結(jié)合段鋼箱內(nèi)主要板件上沿塔高方向布置有剪力釘連接件，用來傳遞鋼塔柱的內(nèi)力(豎向力、彎矩、剪力)到混凝土塔柱中。

圖2 鋼-混結(jié)合段尺寸和有限元離散模型(單位：mm)Fig.2 Dimensions of steel-concrete joint segment and finite element discrete model (unit: mm)

為研究承后承壓板式組合塔結(jié)合段構(gòu)造的傳力機(jī)理，采用通用有限元軟件ANSYS基于肇慶市閱江大橋單肢橋塔鋼-混凝土結(jié)合段建立相應(yīng)的結(jié)合段有限元模型?？紤]到承壓板及部分鋼結(jié)構(gòu)板件寬厚比較小，結(jié)合段鋼板與混凝土均采用SOLID45來模擬。建立接觸單元模擬鋼板與混凝土之間的結(jié)合作用，不計(jì)結(jié)合面間的黏結(jié)摩擦。建立非線性彈簧單元模擬剪力釘，剪力釘連接件的剪力-滑移非線性本構(gòu)關(guān)系采用式(1)[18]的本構(gòu)關(guān)系模型。在結(jié)合段頂部施加總體模型中計(jì)算得出的豎向荷載，結(jié)合段底部約束底部混凝土單元3個(gè)方向的平動(dòng)。

V/Vu=1.5(s/sp)1/3-0.5(s/sp)，

(1)

式中，V為所施加的剪力；Vu為剪力釘抗剪承載力；s為相對滑移量；sp為峰值滑移量。

2.1 剪力釘連接件剪力分布

圖3為本橋鋼混結(jié)合段剪力釘剪力分布。后承壓板式結(jié)合段剪力釘豎向剪力從上往下呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，在結(jié)合段頂部，由于承壓板與壁板形成的閉合區(qū)域?qū)炷恋募s束作用，頂部剪力釘承受的剪力較小，往下隨著鋼塔軸向應(yīng)力進(jìn)一步向混凝土塔擴(kuò)散，外壁鋼板應(yīng)力逐漸減小，內(nèi)包混凝土應(yīng)力逐漸增大，鋼與混凝土的應(yīng)變差在結(jié)合段下部逐漸增大。距離承壓板越遠(yuǎn)，剪力釘承受的剪力越大，在結(jié)合段底部達(dá)到峰值。

圖3 剪力釘剪力分布Fig.3 Distribution of shear forces on shear studs

2.2 傳力比

通過近承壓板位置鋼格室截面應(yīng)力與鋼格室截面面積積分即得到鋼格室的軸向力，這部分軸力將通過剪力釘傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。加載力和鋼格室軸力做差即可得到承壓板傳遞的軸力，繼而可以得到承壓板和剪力釘連接件的軸力傳力比例。后承壓板式結(jié)合段承壓板傳遞的軸力占總軸力的比例為68%，其余軸力通過剪力釘傳遞。這種壓剪復(fù)合的傳力作用大幅度地減小了剪力釘連接件的傳力比例，使結(jié)合段受力較為合理，而插入式結(jié)合段軸力完全靠剪力釘傳遞。

3 模型試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造

根據(jù)全橋有限元模型計(jì)算的結(jié)果，可以得到橋塔鋼-混結(jié)合段頂部最不利荷載組合內(nèi)力，最不利軸力工況下主塔鋼-混凝土結(jié)合段單肢橋塔軸力為155 268 kN，順橋向彎矩為6 650 kN/m。綜合考慮模型制作難度以及試驗(yàn)設(shè)備條件等因素，制作1∶4縮尺結(jié)合段試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)橋的相似比。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)橋的相似比，得出模型邊界的設(shè)計(jì)軸力為9 700 kN，彎矩為104 kN/m，由于模型所受彎矩相對軸力的數(shù)量級(jí)較小，試驗(yàn)加載中忽略其作用。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)橋相似比Tab.1 Similarity ratio between test model and real bridge

圖4為結(jié)合段試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，模型? 410 mm，斷面尺寸為1 000 mm×900 mm，底部澆注400 mm厚的混凝土底座，頂部焊接鋼板作為加載端，底座截面尺寸為1 384 mm×1 284 mm。內(nèi)壁板下端設(shè)置一厚10 mm的基座，鋼箱外壁板厚9 mm,承壓板厚35 mm,內(nèi)壁板厚10 mm。

圖4 模型試件尺寸(單位：mm)Fig.4 Model dimensions (unit: mm)

剪力釘連接件根據(jù)所在結(jié)合面的滑移剛度設(shè)計(jì)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫募袅︶斨睆綖?6 mm，其橫向、縱向和豎塔向間距分別為50，60和100 mm。內(nèi)外壁板上共布置了988根。試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸膊捎昧?根φs15.2 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉力約為118 kN。

3.2 試驗(yàn)加載方案

對預(yù)留在試件內(nèi)的8根φs15.2 mm鋼絞線進(jìn)行張拉，張拉力約為118 kN，分50%，100%兩次張拉，兩端分別錨固于承壓板和底座上。

模型縮尺后最不利軸力工況下單肢橋塔的設(shè)計(jì)軸力P為9 700 kN。將張拉預(yù)應(yīng)力后的試件放置于加載臺(tái)坐上，采用FCS-2000 t電液伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)加載，模型設(shè)計(jì)采用3次加載，分別加載至1.0P，1.7P加載系統(tǒng)所能提供的最大壓力(約為18 535 kN)后卸載，加載級(jí)差為0.1P，試驗(yàn)前先進(jìn)行0.3P=2 910 kN 的預(yù)加載，以檢查模型是否調(diào)平、均勻受力，同時(shí)消除結(jié)構(gòu)初期非彈性變形。

模型測點(diǎn)布置如圖5所示。在縮尺模型測點(diǎn)位置黏貼應(yīng)變片，內(nèi)壁板上應(yīng)變片編號(hào)為A1～A6和FJ9～FJ14，外壁板上應(yīng)變片編號(hào)為B1～B10和FJ1～FJ8，塔柱豎向共設(shè)置9組測點(diǎn)，編號(hào)順序按照從上往下依次為1～9。

圖5 測點(diǎn)平面布置Fig.5 Plane layout of measuring points

利用在結(jié)合段混凝土內(nèi)設(shè)置的埋入式應(yīng)變計(jì)測量混凝土的應(yīng)變，編號(hào)為K1～K6，從上到下共設(shè)置5組，編號(hào)依次為1～5。鋼板與混凝土的相對滑移采用千分表進(jìn)行測量，測設(shè)位置分部在模型四周，編號(hào)分別為X1，X2，X3，X4。

4 試驗(yàn)結(jié)果及有限元分析

4.1 鋼板應(yīng)力

各級(jí)軸向荷載作用下鋼板部分測點(diǎn)豎向應(yīng)力沿塔身變化趨勢如圖6(a),6(b)所示。各級(jí)荷載作用下，從上往下鋼板的豎向應(yīng)力逐漸減小，在承壓板處應(yīng)力有明顯減小的突變，承壓板分擔(dān)軸力的作用較為明顯。承壓板以下結(jié)合段內(nèi)鋼板的應(yīng)力也是逐漸減小，說明結(jié)合段內(nèi)剪力釘發(fā)揮了較好的傳力作用。

4.2 混凝土應(yīng)力

各級(jí)軸向荷載作用下，結(jié)合段混凝土內(nèi)部分測點(diǎn)豎向應(yīng)力沿豎向的變化趨勢如圖6(c)，6(d)所示。從上到下，混凝土的豎向應(yīng)力逐漸增大，說明設(shè)置的承壓板、剪力釘?shù)葮?gòu)件的傳力效果得到了有效的發(fā)揮，最大應(yīng)力發(fā)生在結(jié)合段底部。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of stresses on steel structure and concrete structure

4.3 荷載-滑移曲線

鋼板與混凝土間的荷載-滑移曲線如圖7所示。1.0P，1.7P和1.95P軸力作用下鋼與混凝土平均相對滑移量為0.035，0.054和0.080 mm，相對滑移較小，說明在給定的荷載狀況下鋼-混之間的變形較為一致，剪力釘?shù)冗B接件能較好地將鋼塔內(nèi)力傳遞轉(zhuǎn)移至混凝土塔，構(gòu)件之間的匹配協(xié)調(diào)程度較高。

圖7 荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slip curves

4.4 剪力釘連接件作用剪力

通過鋼板上兩排剪力釘間鋼板應(yīng)力變化可以推算出剪力釘承受的平均剪力。圖8(a)，圖8(b)給出了給出了內(nèi)壁板和外壁板上剪力釘?shù)钠骄袅Ψ植肌纳贤?，?nèi)壁板剪力釘豎向剪力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，頂部兩層剪力釘?shù)募袅ψ畲螅?.0P作用下平均最大剪力2.6 kN，1.7P作用下平均剪力為5.5 kN，1.95P作用下平均剪力為7.7 kN，剪力釘剪力較小，說明內(nèi)壁板端部設(shè)置的基座發(fā)揮了較好的承壓傳力的作用。

圖8 內(nèi)、外壁板剪力釘作用剪力Fig.8 Shear forces of shear stud on inner plate and outer plate

外壁板剪力釘豎向剪力從上至下出現(xiàn)剪力反向，第1，2層剪力釘受到向下的剪力，從第3層開始剪力釘受到向上的剪力，并出現(xiàn)先減小再增大的趨勢，最下層剪力釘剪力最大。在1.0P，1.7P和1.95P作用下其平均剪力為17，24和23.8 kN。從1.7P～1.95P，最下層剪力釘力基本沒有變化，說明該層剪力釘中有部分剪力釘已經(jīng)進(jìn)入非線性階段。

4.5 數(shù)值分析

采用有限元軟件ANSYS對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行三維非線性有限元仿真分析，結(jié)合段鋼板與混凝土均采用SOLID45模擬，采用非線性彈簧單元模擬剪力釘。有限元模型及計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 試件有限元模型及底部邊界條件Fig.9 Finite element model of specimen and bottom boundary conditions

圖10 有限元計(jì)算結(jié)果(單位:kN)Fig.10 Finite element calculation results(unit:kN)

鋼混結(jié)合段中鋼結(jié)構(gòu)、混凝土的平均應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比曲線如圖11(a)，11(b)所示。由圖中可看出有限元模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷贸龅匿摻Y(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律及數(shù)值較為一致，雖局部數(shù)值略有差別，但總體具有較高的相似性。

圖11(c)給出了結(jié)合部鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向力的試驗(yàn)值與有限元值比較情況。試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值均呈現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向力隨高度逐漸減小的趨勢。1.0P作用下，試驗(yàn)得到承壓板處鋼結(jié)構(gòu)分擔(dān)的豎向力為38.6%，有限元計(jì)算值為26.1%；1.7P作用下，試驗(yàn)得到承壓板處鋼結(jié)構(gòu)分擔(dān)的豎向力為35.5%，有限元計(jì)算值為27.0%。同時(shí)可以看出，荷載從1.0P增加到1.7P，試驗(yàn)得到的鋼結(jié)構(gòu)豎向力分擔(dān)比例有一定程度的減小，而有限元計(jì)算值稍有增大。有限元計(jì)算出的鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)合部承擔(dān)豎向力比例的變化趨勢與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，具體數(shù)值上試驗(yàn)值比實(shí)橋有限元值稍大。

圖11 有限元和試驗(yàn)比較Fig.11 Comparison of finite element method and test

表2給出了有限元計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)在結(jié)合部下端相對滑移量的比較，在1.0P作用下模型試驗(yàn)相對滑移平均值為0.035 mm，有限元計(jì)算值為0.038 mm。在1.7P作用下模型試驗(yàn)為0.054 mm，有限元計(jì)算值為0.063 mm。有限元計(jì)算值比模型試驗(yàn)值基本吻合。

表2 結(jié)合段相對滑移量Tab.2 Relative slip of joint segment

綜上分析，鋼混結(jié)合段的鋼結(jié)構(gòu)平均應(yīng)力、混凝土平均應(yīng)力、承壓板承載的軸力比例、結(jié)合段的相對滑移量有限元計(jì)算值與模型試驗(yàn)值的吻合程度較高，說明采用非線性彈簧單元模擬剪力釘可以獲得較好的工程精度。

4.6 工程應(yīng)用分析

通過模型試驗(yàn)及有限元分析可得，閱江大橋鋼混結(jié)合段在設(shè)計(jì)荷載下鋼板應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、剪力釘內(nèi)力均滿足設(shè)計(jì)要求，且在1.7P，1.95P作用下結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯破壞和滑移，鋼混結(jié)合段承載力的富裕度較高且構(gòu)件之間協(xié)同受力情況較好。

外壁板上的剪力釘受力較內(nèi)壁板更為不利，就傳力效果而言可適當(dāng)減少內(nèi)壁板剪力釘數(shù)量?？紤]到本橋鋼混結(jié)合段重要程度較高，設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)壁板剪力釘數(shù)量和間距同外壁板統(tǒng)一布置，以提高結(jié)構(gòu)安全度。

根據(jù)分析結(jié)果承壓板下部分混凝土應(yīng)力水平稍高，需采用高標(biāo)號(hào)混凝土，實(shí)際設(shè)計(jì)鋼混結(jié)合段內(nèi)混凝土采用C60鋼纖維混凝土，提高結(jié)構(gòu)抗壓能力。同時(shí)為改善鋼混結(jié)合段承壓板和壁板轉(zhuǎn)角合圍處混凝土存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工時(shí)采用試拌試驗(yàn)、壓漿等方式保證了鋼材和混凝土之間的密實(shí)度，達(dá)到了良好的使用效果。本橋通車已有數(shù)年，目前受力狀況良好。

5 結(jié)論

本研究通過對閱江大橋鋼混結(jié)合段進(jìn)行有限元、模型試驗(yàn)分析，結(jié)論如下：

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明：后承壓板式結(jié)合段從上往下，鋼板的豎向應(yīng)力逐漸減小，混凝土的豎向應(yīng)力逐漸增大；承壓板的承力作用較為明顯，此處壁板的豎向應(yīng)力有明顯減小的突變；鋼-混之間的相對滑移較小，變形較為一致，構(gòu)件之間的匹配協(xié)調(diào)程度較高。

(2)外壁板剪力釘剪力從上往下呈現(xiàn)出先減小再增大趨勢，內(nèi)壁板剪力釘剪力先減小后增大且數(shù)值較外壁板較小，內(nèi)壁板端部設(shè)置的基座發(fā)揮了較好的承壓傳力的作用。

(3)結(jié)合推出試驗(yàn)得到的剪力釘連接件的本構(gòu)關(guān)系公式，利用非線性彈簧單元模擬組合塔結(jié)合段剪力釘?shù)姆椒梢垣@得較好的工程精度。