鋼管混凝土獨(dú)塔雙索面斜拉橋穩(wěn)定性分析*

董 軍，哈經(jīng)緯，葛世超，李國華，向?qū)W建

(1.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102616；2.中路高科交通檢測檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 100082)

0 引言

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)在受力性能上具有較大的優(yōu)越性，在橋梁工程建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，但將其應(yīng)用于斜拉橋索塔中尚屬于起步階段。劉子君等[1]采用子結(jié)構(gòu)法，通過有限元分析驗(yàn)證鋼管混凝土獨(dú)塔斜拉橋塔墩梁結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性。吳巨軍[2]以金寨縣長征大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，提出鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)橋塔可參照 JTG/T D65—06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用特征值屈曲分析判斷了橋塔整體穩(wěn)定性良好，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了采用鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)橋塔的斜拉橋具有良好的力學(xué)性能。陳猛[3]分析了后湖斜拉橋圓端形鋼管混凝土塔柱受力性能，論證了該種形式塔柱受力性能的優(yōu)越性，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果等，確定了結(jié)構(gòu)最不利應(yīng)力狀態(tài)。楊飛[4]采用MIDAS/Civil軟件建立了朝陽大橋三維模型，采用聯(lián)合截面法模擬了鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)橋塔，更真實(shí)地模擬了構(gòu)件狀態(tài)。劉釗等[5]結(jié)合某鋼管混凝土塔柱斜拉橋，指出鋼管混凝土柱具有良好的荷載-位移滯回性能和抗局部屈曲能力。

本文依托鋼管混凝土獨(dú)塔雙索面斜拉橋——息縣淮河大橋，對(duì)斜拉索安裝過程中索塔受力性能及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)最不利受力及位移，為現(xiàn)場施工與監(jiān)控提供參考。通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算模型及方法的可靠性。

1 工程概況

息縣淮河大橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，主橋跨度布置為(100+75)m，索塔傾斜10°，如圖1所示。

圖1 息縣淮河大橋主橋示意

橋梁整幅布置，寬24.0m。索塔使用鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，采用雙柱形式，構(gòu)造上采用塔、梁和墩固結(jié)形式。橋面以上塔高59.91m，下塔柱采用2根直徑2.5m的圓柱形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，2根下塔柱順橋向凈距2m，如圖2所示。中塔柱為索塔錨固區(qū)，將鋼管合二為一，形成一箱多室圓端形截面，在2個(gè)D形室內(nèi)填充混凝土，如圖3所示。上塔柱為長短不同、直徑為2.5m的裝飾塔尖。

圖2 下塔柱橫截面

圖3 中塔柱橫截面

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

橋梁各組成部分剛度相差懸殊，且整個(gè)結(jié)構(gòu)存在大量多余約束，受自然環(huán)境、施工技術(shù)及施工精度等因素影響，整橋通過滿堂支架現(xiàn)澆混凝土，分階段進(jìn)行施工，同時(shí)在施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測各關(guān)鍵位置受力及變形，及時(shí)糾偏和調(diào)整，從而保證整個(gè)施工過程安全。

施工過程中，主塔鋼結(jié)構(gòu)采用自升式塔式起重機(jī)在墩位處分節(jié)吊裝組拼，索塔共14個(gè)節(jié)段(見圖4)，其中節(jié)段1～5(鋼塔)采用支架柱+支架面輔助施工，節(jié)段6～12(橋)采用斜拉索索塔自平衡法施工，節(jié)段13，14為空鋼管，無須灌注混凝土，利用塔式起重機(jī)施工。索塔混凝土自下而上灌注，塔管利用塔式起重機(jī)對(duì)位施工，每節(jié)鋼結(jié)構(gòu)安裝就位后進(jìn)行電焊對(duì)接，焊接完成后安裝下節(jié)鋼結(jié)構(gòu)。索塔施工完成后進(jìn)行斜拉索張拉施工，左、右斜拉索按順序依次張拉。

圖4 索塔節(jié)段劃分示意

索塔空間位置可衡量斜拉橋是否處于正常狀態(tài)。索塔主要承受軸向壓力，當(dāng)索塔軸線實(shí)際位置偏離設(shè)計(jì)位置時(shí)，索塔軸力會(huì)引起附加彎矩，附加彎矩會(huì)加劇索塔軸線偏離正常位置。因此，對(duì)索塔受力及變形穩(wěn)定性進(jìn)行分析是保證安全施工的重要保障和前提。

3 數(shù)值模擬分析

將鋼管混凝土索塔結(jié)構(gòu)作為主要研究對(duì)象，為簡化計(jì)算，引入以下假設(shè)：①假設(shè)1 橋墩及0號(hào)塊按照實(shí)際情況建模，為減少計(jì)算時(shí)間，假設(shè)其為剛體；②假設(shè)2 簡化斜拉索建模，使索力合理傳至索塔，將斜拉索假設(shè)為剛度極高的實(shí)心鋼材；③假設(shè)3 索塔底部與橋墩及0號(hào)塊固結(jié)，即索塔底部x，y，z向均不發(fā)生位移及轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

鋼管內(nèi)的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使核心混凝土強(qiáng)度大于單向受壓時(shí)的強(qiáng)度。對(duì)于本工程核心混凝土，采用韓林海等[6]提出的核心混凝土本構(gòu)關(guān)系模型，混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示，受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖6 混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

鋼管選用Q345qD級(jí)鋼，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線一般可分為彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次塑流段，本研究選用理想的彈塑性本構(gòu)模型[7-10]，即鋼材屈服后，應(yīng)力不再增加，如圖7所示。

圖7 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2 計(jì)算模型

基于ABAQUS軟件進(jìn)行有限元幾何建模與計(jì)算分析。C3D8R單元為線性減縮積分單元[11-12]，具有位移結(jié)果較精確、結(jié)點(diǎn)應(yīng)力精度低于完全積分、計(jì)算時(shí)間短、網(wǎng)格劃分較細(xì)、彎曲荷載不易發(fā)生等優(yōu)點(diǎn)，適用于嚴(yán)重扭曲的模擬。因此，選擇C3D8R實(shí)體單元模擬索塔。

C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.65MPa，同時(shí)定義混凝土損傷塑性、壓縮損傷與拉伸損傷[13-15]。Q345qD鋼材屈服強(qiáng)度為345MPa。索塔預(yù)應(yīng)力拉桿筋采用75/100級(jí)高強(qiáng)度精軋螺紋粗鋼筋，直徑為32mm。鋼材有限元模型與混凝土有限元模型材料屬性設(shè)置如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

網(wǎng)格剖分是開展有限元分析的重要前提，對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注部位可適當(dāng)加密網(wǎng)格。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)六面體的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全模型共由44 424個(gè)C3D8R單元組成，共劃分80 657個(gè)結(jié)點(diǎn)。模型共由18個(gè)構(gòu)件裝配而成，構(gòu)件名稱及網(wǎng)格劃分種子密度如表2所示。

表2 構(gòu)件名稱及網(wǎng)格劃分種子密度

3.3 構(gòu)件接觸、邊界條件與荷載

模型中共設(shè)置4處鋼管與混凝土的摩擦接觸，分別為moca1～moca4，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.6，法向設(shè)置“硬接觸”。節(jié)段6～12橫向拉桿筋分為5部分，以“內(nèi)置區(qū)域”方式設(shè)置其與鋼管及混凝土的相互接觸關(guān)系。下部橋墩及主梁部分設(shè)為剛體，索塔下部鋼管與混凝土設(shè)置位移與轉(zhuǎn)角邊界條件為約束所有自由度，即采用固支邊界條件。肋板及內(nèi)支撐采用綁定方式進(jìn)行耦合連接。

索力按照實(shí)際斜拉索受力角度和大小進(jìn)行設(shè)置，加載類型為“壓強(qiáng)”，分布形式為“合力”，如圖8所示。在索塔兩側(cè)自下而上非對(duì)稱布置斜拉索各13對(duì)(編號(hào)為1～13)，共52根。依據(jù)施工過程分為13種荷載工況，如表3所示。

圖8 斜拉索荷載布置

表3 荷載工況設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力

針對(duì)研究對(duì)象索塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沿豎直方向選取3個(gè)特征點(diǎn)作為測點(diǎn)，如圖9所示。計(jì)算得到斜拉索安裝過程中不同測點(diǎn)處鋼管、核心混凝土Mises應(yīng)力變化曲線，如圖10所示。

圖9 索塔測點(diǎn)布置示意

圖10 不同測點(diǎn)處Mises應(yīng)力變化曲線

由圖10可知，隨著斜拉索依次張拉，測點(diǎn)1鋼管峰值應(yīng)力達(dá)250.05MPa，核心混凝土峰值應(yīng)力達(dá)14.22MPa；測點(diǎn)2鋼管峰值應(yīng)力達(dá)51.36MPa，核心混凝土峰值應(yīng)力達(dá)2.26MPa；測點(diǎn)3鋼管峰值應(yīng)力達(dá)22.78MPa，核心混凝土峰值應(yīng)力達(dá)1.38MPa。測點(diǎn)1峰值應(yīng)力最大，且峰值應(yīng)力出現(xiàn)在13號(hào)索張拉階段，應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)樗魉撞抗探Y(jié)區(qū)域。

將斜拉索安裝過程中索塔鋼管、核心混凝土Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由圖11可知，測點(diǎn)1鋼管實(shí)測峰值應(yīng)力為218.154MPa，較計(jì)算值下降12.76%，核心混凝土實(shí)測峰值應(yīng)力為10.655MPa，較計(jì)算值下降25.07%；測點(diǎn)3鋼管實(shí)測峰值應(yīng)力為19.364MPa，較計(jì)算值下降15.00%，核心混凝土實(shí)測峰值應(yīng)力為1.353MPa，較計(jì)算值下降1.96%。這是因?yàn)橛邢拊?jì)算模型中未設(shè)置核心混凝土配筋，導(dǎo)致測點(diǎn)應(yīng)力偏大，但差值較小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得到的鋼管應(yīng)力曲線、核心混凝土應(yīng)力曲線斜率大致相同，表明數(shù)值模擬應(yīng)力變化規(guī)律接近實(shí)際施工過程中應(yīng)力變化規(guī)律，模擬結(jié)果可靠、可信。

圖11 不同測點(diǎn)處Mises應(yīng)力計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

綜上所述，索塔主要承受軸力，各部位應(yīng)力基本呈線性增長，索塔鋼管及核心混凝土均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明索力設(shè)置合理，施工過程中索塔具有較好的穩(wěn)定性。在索塔底部區(qū)域埋設(shè)應(yīng)力傳感器是施工重點(diǎn)，以保證施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全。

4.2 位移

隨著斜拉索的張拉，斜拉索索力不斷增加，最終導(dǎo)致索塔發(fā)生偏移變形，如圖12所示。由圖12可知，1號(hào)索張拉時(shí)，索塔位移約為0mm；2號(hào)索張拉時(shí)，索塔位移突增；隨著3～13號(hào)索張拉，索塔位移逐漸增加，最終超過30mm，但滿足索塔傾斜度

圖12 索塔塔中及塔頂位移曲線

對(duì)索塔塔頂位移計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。由圖13可知，斜拉索安裝過程中，實(shí)測索塔塔頂峰值位移為28.72mm，較計(jì)算值下降5.06%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得到的索塔塔頂位移曲線斜率大致相同，表明數(shù)值模擬索塔塔頂位移變化規(guī)律接近實(shí)際施工過程中位移變化規(guī)律，模擬結(jié)果可靠、可信。

圖13 索塔塔頂位移計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語

本文依托息縣淮河大橋，對(duì)鋼管混凝土索塔在斜拉索安裝過程中的受力及變形進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)索塔應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明索塔底部鋼管和核心混凝土應(yīng)力均較大，即應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)樗魉撞抗探Y(jié)區(qū)域。

2)對(duì)索塔位移計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明索塔在斜拉索索力不斷增加的情況下發(fā)生偏移變形，索塔最終位移滿足傾斜度

3)整個(gè)鋼管混凝土索塔受力經(jīng)斜拉索傳至索塔底部塔墩梁固結(jié)處，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，需埋設(shè)應(yīng)力傳感器，此為施工重點(diǎn)，也是保證施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。