寧波明州大橋鋼-混凝土組合拱座理論與模型試驗研究

全軍

（寧波通途投資開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315000）

寧波明州大橋鋼-混凝土組合拱座理論與模型試驗研究

全軍

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以寧波市明州大橋主跨450 m特大型中承式鋼箱系桿拱橋為背景，研究探討了鋼-混凝土組合拱座在特大型鋼拱橋中的應(yīng)用，分析研究了鋼－混凝土組合拱座的受力特性，并進(jìn)行了模型試驗，為今后同類型工程的設(shè)計與研究提供借鑒和參考。關(guān)鍵詞：大跨度拱橋；拱座；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；模型試驗

1 概述

寧波市明州大橋工程是寧波市東外環(huán)快速路跨越甬江的重要過江橋梁工程。大橋北岸位于鎮(zhèn)海區(qū)勤勇村，南岸位于北侖區(qū)高棉村，橋位處甬江江面寬約400 m。大橋采用主跨450 m的中承式系桿拱橋一跨跨越甬江，南北主墩均布置在岸堤內(nèi)。該特大型中承式鋼箱系桿的拱座結(jié)構(gòu)是連接中跨拱肋、邊跨拱肋、大立柱、K撐和人字撐的重要節(jié)點(diǎn)，同時也是上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土承臺和基礎(chǔ)的重要連接節(jié)點(diǎn)。眾多結(jié)構(gòu)、眾多力系均交匯于該節(jié)點(diǎn)中，結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造錯綜復(fù)雜。因此，研究采用安全可靠及適用耐久的拱座結(jié)構(gòu)形式，分析其結(jié)構(gòu)受力特性及傳力機(jī)理，并進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)值分析及模型試驗驗證是大橋設(shè)計必須加以解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2 總體布置及拱座方案比選

2.1 總體布置

大橋為（100+450+100）m雙肢鋼箱拱肋的中承式系桿拱橋，主拱矢跨比f/L=1/5。橋梁按雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，橋?qū)?5.8 m，活載等級為城-A級。橋梁總體布置如圖1所示。上、下肢拱肋均為全焊鋼箱截面，橫向傾斜度為1∶5，拱肋橫向設(shè)置K撐和人字撐。主梁為正交異性橋面板全焊鋼箱梁。主橋兩邊跨端橫梁之間布置兩組水平拉索，以平衡中跨拱肋的水平推力。

2.2 拱座方案比選

拱座結(jié)構(gòu)主要有全混凝土拱座及全鋼拱座。全混凝土拱座（見圖2）由于拱腳處內(nèi)力較大，且鋼-混凝土結(jié)構(gòu)部受力性能相對較弱，一般適用于跨度較小的拱橋結(jié)構(gòu)。全鋼拱座（見圖3）的受力特點(diǎn)是采用鋼結(jié)構(gòu)直接平衡中跨拱肋、邊跨拱肋的水平分力及彎矩，并通過底板及剪力件把豎向分力及少量的順橋向不平衡荷載傳遞給混凝土承臺。全鋼拱座受力性能較好，但就本工程而言，其主要缺點(diǎn)是鋼與混凝土結(jié)合面位于承臺頂部位置，標(biāo)高較低，鋼結(jié)構(gòu)的耐久性問題較為突出。且由于拱座處有大立柱、K撐、人字撐及承臺頂部預(yù)應(yīng)力混凝土橫系梁交匯，采用全鋼拱座后，空間鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及與預(yù)應(yīng)力混凝土橫系梁的關(guān)系處理復(fù)雜。

鋼-混凝土組合拱座是一種新型的拱座結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)由頂部鋼拱座及底部混凝土拱座組成（見圖4）。中跨與邊跨拱肋的大部分順橋向水平分力直接通過鋼拱座傳遞并相互平衡，垂直分力、不平衡的順橋向水平分力及彎矩則由鋼拱座底板、拱肋端板共同作用，傳遞至混凝土拱座，傳力性能直接、可靠。K撐、人字撐通過預(yù)埋件連接到混凝土拱座，承臺頂部預(yù)應(yīng)力混凝土橫系梁直接與混凝土拱座連接，避免了復(fù)雜的空間鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及鋼結(jié)構(gòu)與系梁內(nèi)橫向預(yù)應(yīng)力束沖突等問題。由于鋼拱座位于混凝土拱座之上，鋼結(jié)構(gòu)耐久性問題及遭受人為破壞的風(fēng)險要大大低于全鋼拱座。因此，經(jīng)上述綜合比選，明州大橋采用鋼-混凝土組合拱座。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：mm）

圖2 全混凝土拱座示意圖

圖3 全鋼拱座示意圖

圖4 鋼-混凝土組合拱座示意圖

3 鋼-混凝土組合拱座構(gòu)造

鋼-混凝土組合拱座由上部鋼拱座和下部混凝土拱座兩部分組成，整體外形為不規(guī)則階梯狀棱臺體。鋼拱座為箱型結(jié)構(gòu)，箱室寬3.5 m。鋼拱座頂、底板厚50 mm，腹板厚40 mm，隔板厚16～25 mm。混凝土拱座為鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級C40。主墩兩個混凝土拱座間橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土橫系梁，以平衡拱腳處的橫向分力。圖5所示為拱肋過渡段鋼-混凝土組合拱座布置圖。

鋼拱座頂板、腹板等縱向傳力構(gòu)件與拱肋上半部分的所有縱向傳力構(gòu)件均一一對應(yīng)連接，有效傳遞并平衡中跨與邊跨拱肋的大部分順橋向水平分力。中跨、邊跨拱肋的底板、下腹板荷載通過鋼-混凝土過渡段較均勻地作用到混凝土拱座上。為增加鋼拱座鋼板的局部穩(wěn)定性能，并使鋼拱座與混凝土拱座兩者的剛度相匹配，在鋼拱座邊箱內(nèi)填充C50低收縮混凝土。

鋼拱座底板設(shè)置焊釘及鋼墊梁與混凝土拱座頂面連接。拱肋0#段底部的2/5拱肋截面通過端板與混凝土拱座前后端面連接，端板厚60 mm，端板底部設(shè)置三角形墊梁，以進(jìn)一步擴(kuò)散鋼與混凝土接觸面應(yīng)力。上述混凝土頂面及前后接觸端面均設(shè)網(wǎng)格鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)。拱肋鋼-混凝土結(jié)合部按有格室前承壓板方式布置，從上而下由鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)傳遞段、填充混凝土傳遞段及端板（承壓板）接觸傳遞段組成。鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)傳遞段長3.4 m，通過在鋼塔外圍板及腹板間增加隔艙，以擴(kuò)散及降低鋼板應(yīng)力；填充混凝土傳遞段長3.0 m，格室寬約0.85 m，填充混凝土長3.0 m，沿高度方向布置19排22焊釘。為確保在各種最不利工況下，拱肋0#段端板與混凝土拱座接觸面始終處于受壓狀態(tài)，在中跨拱肋－拱座－邊跨拱肋填充混凝土間布置了永久及施工臨時預(yù)應(yīng)力束。

圖5 拱肋過渡段及組合拱座立面及橫斷面布置圖（單位：mm）

4 結(jié)構(gòu)受力分析研究

4.1 計算模型

拱座結(jié)合部多個部位存在鋼板、焊釘與混凝土的連接問題，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。為真實反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及傳力機(jī)理，采用ANSYS有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值分析，計算模型如圖6所示。其中鋼拱座及拱肋鋼板采用板殼單元模擬，混凝土拱座及過渡段填充混凝土采用實體單元模擬，焊釘連接件采用空間三維虛擬彈簧單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用桿單元模擬。

圖6 拱座結(jié)構(gòu)有限元計算模型

4.2 拱肋鋼-混凝土過渡段應(yīng)力分析結(jié)果

圖7和圖8所示分別為在恒載及活載組合作用下拱肋鋼-混凝土過渡段鋼面板應(yīng)力及填充混凝土應(yīng)力隨高度的變化曲線，橫坐標(biāo)分別為鋼面板及填充混凝土應(yīng)力（負(fù)值表示壓應(yīng)力），縱坐標(biāo)為各斷面位置（用與端板的距離來表示）。計算表明，通過3 m高度填充混凝土的有效傳遞，鋼面板應(yīng)力由150 MPa左右的高應(yīng)力狀態(tài)，逐漸過渡到30 MPa左右的低應(yīng)力狀態(tài)，而填充混凝土應(yīng)力由無應(yīng)力狀態(tài)逐漸增加至8.5 MPa（最大值）的壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 拱肋過渡段鋼面板應(yīng)力變化曲線

圖8 拱肋過渡段填充混凝土應(yīng)力變化曲線

4.3 拱座混凝土應(yīng)力狀態(tài)分析結(jié)果

圖9和圖10所示分別為有限元分析得到的在最不利荷載作用下混凝土拱座及鋼拱座填充混凝土端板下0.2 m處的主壓應(yīng)力及主拉應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，通過鋼-混凝土過渡段填充混凝土及端板的傳力擴(kuò)散后，端板下拱座混凝土處于比較均勻、合理的應(yīng)力狀態(tài)，主壓應(yīng)力基本在4～9 MPa，最大主拉應(yīng)力基本在1 MPa左右。

圖9 拱座混凝土主壓應(yīng)力分布云圖（單位：kPa）

圖10 拱座混凝土主拉應(yīng)力分布云圖（單位：kPa）

4.4 焊釘剪力及其非線性影響

在最不利受力狀態(tài)下，不考慮焊釘非線性影響時，焊釘最大剪力為119 kN，平均為20 kN。考慮焊釘非線性影響后，焊釘最大剪力為97 kN，位于拱肋填充混凝土頂部位置，但從第三排開始，非線性引起的焊釘剪力變化小于5 kN，在過渡段中部起非線性對焊釘剪力基本無影響。

5 模型試驗研究

5.1 局部試驗?zāi)Ｐ?/p>

為進(jìn)一步研究及驗證組合拱座的受力性能，選取鋼-混凝土過渡段中板以下范圍進(jìn)行了局部模型試驗（見圖5）。模型縮尺比例為1∶2，試件高4 040 mm、長2 240 mm、寬1 300 mm。

5.2 試驗加載及測試儀器布置

試驗采用自平衡加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，即在互為平衡的反力架間采用千斤頂進(jìn)行加載。試件混凝土底部靠住自平衡反力架的一端，在試件鋼箱頂部與反力架的另一端間安放千斤頂和分配梁，采用千斤頂偏心加載來模擬實際結(jié)構(gòu)中的軸向力和彎矩作用。試驗逐級加載至1.7倍設(shè)計荷載，最大加載噸位為7 868 kN。

試驗測試儀器布置如下：在端板下緣混凝土及過渡段填充混凝土內(nèi)預(yù)埋混凝土埋入式應(yīng)變計，以測試混凝土內(nèi)部豎向應(yīng)力狀態(tài)；在拱肋過渡段鋼面板及中縱隔板上布置應(yīng)變片，分析作用力傳遞的狀態(tài)；在拱肋過渡段填充混凝土頂部與鋼拱肋面板間設(shè)置位移計，測試試件整體豎向變形；在焊釘位置的鋼與混凝土上布置埋入式應(yīng)變計，以測試焊釘位置的鋼-混凝土相對滑移情況。試驗共布置84個混凝土埋入式應(yīng)變計及93個應(yīng)變片。

5.3 主要試驗結(jié)果

圖11和圖12所示分別為端板以上1.35 m處鋼腹板平均應(yīng)力及端板以下0.3 m處混凝土平均應(yīng)力實測與計算對比曲線。從圖中可以看出，隨著荷載的增加，鋼腹板豎向應(yīng)力及端板下混凝土應(yīng)力呈線性平緩增加，基本處于彈性受力狀態(tài)，理論計算與試驗結(jié)果吻合良好，鋼板及混凝土平均應(yīng)力均處于較合理水平。圖13和圖14所示分別為P=7 868 kN加載工況下，鋼腹板豎向平均應(yīng)力分布曲線及鋼-混凝土截面內(nèi)力分配比例沿豎向變化曲線。從圖中可以看出，自上而下鋼腹板由100 MPa左右的高應(yīng)力狀態(tài)逐漸降至25 MPa左右的低應(yīng)力狀態(tài)；鋼板荷載承擔(dān)比例逐漸由100%降至40%左右，剩余40%荷載由端板承擔(dān)。說明按有格室前承壓板方式布置的組合拱座，端板在避免鋼板鋒利截面直接接觸混凝土結(jié)構(gòu)的同時，可承擔(dān)約40%的荷載，起到了較好的傳力作用。

圖11 距端板1.35 m處鋼腹板平均應(yīng)力加載曲線

圖12 端板以下0.3 m處混凝土平均應(yīng)力加載曲線

圖13 鋼腹板豎向平均應(yīng)力分布曲線

圖14 鋼-混凝土截面內(nèi)力分配比例沿豎向變化曲線

6 結(jié)語

明州大橋為特大型中承式鋼箱系桿拱橋，大橋已于2011年5月建成通車，目前運(yùn)營良好。筆者在參加明州大橋拱座設(shè)計與研究中有以下幾點(diǎn)體會：

（1）鋼-混凝土組合拱座方案既具有全鋼拱座傳力直接、可靠，又具有全混凝土拱座構(gòu)造簡單、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，是適合于明州大橋特大型鋼拱橋的一種拱座結(jié)構(gòu)形式。

（2）明州大橋組合拱座按有格室前承壓板方式布置，端板在避免鋼板鋒利截面直接接觸混凝土結(jié)構(gòu)的同時，可承擔(dān)約40%的荷載，起到了較好的傳力作用。

（3）局部模型試驗較好地驗證了理論分析結(jié)果，為鋼-混凝土組合拱座應(yīng)用于明州大橋工程提供了有效的技術(shù)支撐。

[1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]吳文明，劉玉擎，蔣勁松.組合拱肋連接部鋼與混凝土結(jié)合性能試驗研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2006，30（增刊）：230-234.

U448.22

B

1009-7716（2016）05-0090-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.024

2016-02-18

全軍（1963-），男，浙江寧波人，高級工程師，長期從事橋梁建設(shè)、管理與研究工作。