某雙套拱塔斜拉橋鋼-混組合段局部受力分析

馬磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

某雙套拱塔斜拉橋鋼-混組合段局部受力分析

馬磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

為了解雙套拱塔斜拉橋鋼-混結合段受力性能，并通過對受力性能分析得出結論，以此為該類橋梁提供一定的理論依據和技術支持。以某雙套拱塔斜拉橋工程為背景，合理選取鋼-混結合段，并通過大型的通用有限元分析軟件ANSYS對該結合段進行施工過程的模擬，分析總結出該鋼-混結合段的應力特點、變化規律以及內部各構件的傳力途徑。分析結果表明：該雙套拱塔斜拉橋鋼-混結合段的力學性能基本滿足相關規范的要求，其中鋼結構部分應力全部小于200 MPa；混凝土結構部分僅在其頂部與錨頭結合的部位出現較大的拉應力，需要在施工過程中采取必要的加固措施；鋼-混結合段剪力釘最大受力為73 kN，滿足相關規范基本要求。

斜拉橋；鋼-混結合段；有限元；局部應力；剪力釘

0 引言

隨著橋梁技術的不斷發展，鋼-混結構梁橋也被大量的設計和建造，同時，鋼-混結合段的安全性也越來越受到廣泛的關注。橋梁中鋼-混結合段的作用是保證鋼梁和混凝土梁的受力和變形得到均勻的傳遞。如果結合段的設計存在缺陷則會致使結合段的剛度突變，應力傳遞不均勻，輕者影響橋梁的美觀和行車的舒適度，重者會導致橋梁穩定性變差，影響結構的安全。特別是雙套拱塔斜拉橋，混合段的穩定性起著至關重要的作用。因此，鋼-混結合段都是設計和施工需要重點考慮的環節。

1 工程概況

某雙套拱塔斜拉橋位于湖南湘西土家族苗族自治州瀘溪縣武溪鎮峒河與沅水交匯處，城市次干路，設計速度40 km/h，標準橫斷面寬27 m。線路全長333 m，包括一座全長248 m的跨河橋梁。

主橋采用索輔梁橋受力體系，主梁為預應力混凝土連續梁，橋塔采用雙肢V形鋼拱塔，斜拉索空間雙索面布置，主橋跨徑為L=2×94 m=188 m，兩側引橋跨徑30 m，橋梁總共長248 m。

主橋為塔梁分離，橋塔處設置豎向支座和橫向限位支座。橋塔橋面以上部分采用鋼箱塔，橋面以下部分采用混凝土塔座，結合段則采用鋼-混結構；主梁采用單箱多室扁平混凝土箱梁，河中搭設支架現澆施工；斜拉索包括水平拉索（連接塔柱）和斜向拉索（連接塔梁），其中水平拉索塔內張拉，斜向拉索塔內錨固、梁端張拉。橋梁總體布置圖如圖1所示。

2 鋼-混結合段設計

該橋為雙套拱塔斜拉橋，拱肋采用Q345qD鋼材，板厚20～40 mm；主塔鋼箱約每2 m設置一道橫隔板，頂底板及腹板均設置縱向加勁肋。塔上設置鋼錨箱，拉索錨固于鋼錨箱內。主塔固結于塔座上，與混凝土塔座的連接采用鋼-混結合段的方式，采用精軋螺紋鋼方式來保證鋼拱上內力平順傳遞到混凝土基座上。為增加鋼-混結合段傳力的可靠性，將鋼結構段伸入混凝土內約0.8 m，采用PBL剪力鍵與混凝土相連接。兩種結構在拱肋某部位對接形成鋼-混結合拱肋混合接頭，如圖2所示。

目前，塔柱鋼-混過渡結構的設計思路主要有：

（1）承壓面連接。承壓面下方混凝土局部應力較大，混凝土難以澆筑且澆筑密實度難以檢測，如果在施工過程中不注意施工混凝土的密實度，很容易致使結合段混凝土出現局部受壓過大的問題。

（2）PBL剪力鍵連接。在該方式的荷載傳遞由上而下的過程中，上層承壓面相鄰區域承擔了大多數的荷載，傳遞路徑較短，沒有有效的整個過渡段共同分擔荷載的傳遞。

本次設計采用的鋼-混過渡結構包括格構式鋼塔柱、端承壓板、剪力釘、豎向鋼筋和豎向預應力束。該連接性能良好、荷載傳遞路徑可靠、現場施工便捷，能滿足鋼塔柱部分巨大的塔身荷載向下傳遞至混凝土結構的需要，荷載在過渡段內能夠根據設計的需要逐步擴散，同時具備多重可靠的連接措施，且鋼-混分界面無臺階，節點區無明顯結構分層，景觀效果良好。具體布置圖如圖3所示。

圖3 混合接頭構造圖（單位：mm）

3 鋼-混結合段有限元計算方法

3.1 建模

模型采用大型通用有限元軟件ANSYS進行建模分析。模型中鋼板采用SHELL63四節點板殼單元模擬，混凝土采用SOLID65八節點實體單元模擬，連接件采用COMBIN14三向彈簧單元模擬，預應力筋應用實體力筋法采用LINK8桿單元賦予初應變的方法模擬。計算模型如圖4所示。

圖4 鋼-混結合段有限元計算模型

3.2 計算基本參數

（1）結構模型建立長度15 m=底座10 m+結合部3.5 m+鋼結構2.0 m。

（2）材料全部采用線彈性。鋼結構彈性模量2.1×105MPa，混凝土彈性模量 3.45×104MPa（C50）。

（3）鋼 -混連接件焊釘 22 mm，抗剪剛度302 kN/mm。

（4）承壓板厚度50 mm。

（5）邊界條件。模型邊界條件以最不利工況的節段受力作為控制指標。根據總計計算給出表1。

表1 荷載工況

由橫向和縱向總體計算中得到的模型端部截面橫向最大彎矩、縱向最大彎矩，以及最大軸力分別對應的另外三項內力進行試算，將最終最不利荷載組合中的軸力按等效原則，并且結合結合段在實際結構中的受力狀態施加于結合段的邊界上；彎矩則通過進行分解得到力偶，同樣按照等效節點荷載施加在結合段的邊界節點上。

4 鋼-混結合段有限元分析結果

節點及其周邊各構件基本上都處于復雜應力狀態，所以以Mises等效應力σe來評判各區域應力水平的高低。由彈性理論可知，X方向單向拉、壓狀態下，σe=σx；復雜應力狀態下σe=σy時材料屈服，σy為材料的屈服應力。

總體上說，鋼-混結合段鋼結構應力水平不高，所有的區域σe小于200 MPa。混凝土結構幾乎處于受壓的狀態，只有個別區域存在拉應力且存在拉應力的區域中大部分區域小于1.0 MPa，只有在鋼-混結合段頂部錨頭位置出現較大的拉應力，且最大不超過3.0 MPa。由于超過1.0 MPa的拉應力區域面積很小，對整體不會產生實質性的影響，但是為了盡可能使結構處于安全狀態，仍然需要在該區域的混凝土中摻加適量的抗拉纖維，以防止混凝土出現局部開裂的現象。

4.1 鋼結構受力

鋼-混結合段鋼結構應力如圖5所示。鋼結構 Mises應力在 0～140 MPa。

圖5 鋼-混結合段整體應力分布（單位：MPa）

鋼-混結合段內部板件Mises應力如圖6所示。

圖6 鋼-混結合段各板件Mises應力（單位：MPa）

4.2 混凝土結構受力

4.2.1 鋼-混結合段混凝土主壓應力

混凝土主壓應力如圖7所示。混凝土最大主壓應力為-13 MPa。

圖7 鋼-混結合段混凝土主壓應力（單位：MPa）

鋼-混結合段混凝土不同高度截面主壓應力如圖8所示。

圖8 不同高度主壓應力圖（單位：MPa）

4.2.2 鋼-混結合段混凝土主拉應力

鋼-混結合段混凝土主拉應力如圖9和圖10所示。大部分范圍混凝土主拉應力小于 1.0 MPa，鋼-混結合段頂部錨頭位置處出現較大拉應力，最大約為3.0 MPa。

圖9 鋼-混結合段混凝土主拉應力（單位：MPa）

鋼-混結合段混凝土不同高度混凝土主拉應力如圖10所示。

圖10 不同高度主拉應力圖（單位：MPa）

4.2.3 底座受力

如圖11和圖12所示，混凝土底座主壓應力最大為-11 MPa，主拉應力最大在1 MPa內。

圖11 主壓應力云圖及距離承壓面1 m處截面云圖（單位：MPa）

圖12 主拉應力云圖及距離承壓面1 m 處截面云圖（單位：MPa）

4.3 連接件受力

焊釘剪力分布如圖13所示。剪力釘剪力最大為73 kN。

圖13 焊釘剪力（單位：MPa）

通過對結合段空間有限元模型在最不利荷載組合作用下的模擬以及對鋼結構受力云圖、混凝土結構受力云圖以及連接件受力云圖分析結果表明：

（1）結合段整體穩定性良好，結合段內的鋼結構Mises等效應力在0～140 MPa，滿足規范要求，并且各個部件應力分布均勻，變形平緩。

（2）鋼箱內混凝土最大主壓應力為-13 MPa，并且大部分區域都是處于受壓狀態，只有個別區域出現拉應力，最大主拉應力為3.0 MPa，并且在受拉區域內大部分應力都不會超過1.0 MPa。不同高度的混凝土應力變化均勻，無明顯的應力集中現象。結合段鋼箱內的混凝土構件基本上滿足相關規范要求。

（3）底座混凝土最大主壓應力為-11 MPa，并且大部分區域都處于受壓狀態，只有個別區域出現拉應力，最大主拉應力不超過1.0 MPa。不同高度的混凝土應力變化均勻，無明顯的應力集中現象。底座的混凝土構件基本上滿足相關規范要求。

（4）結合段的十字加勁鋼板連接件、開孔板及焊釘連接件布置合理,各連接件對剪力的傳遞安全可靠,并且各構件的應力水平均滿足要求；鋼-混結合段的受力性能較好,各構件的應力變形水平均較為合理,結構滿足安全性及耐久性要求。

5 結語

本文通過某雙套拱塔斜拉橋拱腳鋼-混結合段進行空間有限元力學分析，驗證其受力及變形是否滿足設計要求，現根據分析得出如下結論：

（1）雙套拱塔斜拉橋拱塔和支座結合段不僅構造復雜，而且由于其受力復雜，對結合段的受力分析要求更加準確，使用桿系單元進行模擬很難得到準確的數據，而采用實體和板殼單元建立空間分析模型，不僅能夠充分反映結合段的受力情況，其分析的數據結果更加可靠。

（2）拱腳鋼-混結合段的鋼箱在應力的傳遞上整體處于良好的狀態，只有在個別構件的連接處出現了應力集中現象，在進行施工過程中需要在應力集中區域做倒角進行處理；混凝土構件整體上滿足相關規范要求，但是在鋼-混結合段的頂部錨頭位置存在應力較大的情況，則需要在施工過程中對混凝土進行特殊處理消除應力集中或者增加抗裂鋼筋保證混凝土不會開裂。

（3）拱腳鋼-混結合段內的不同位置的剪力釘全部滿足相關規范要求，為了保證剪力釘能夠發揮良好的作用，在施工過程中要對拱腳的混凝土加強振搗保證密實度。

（4）在結合段內設置十字加勁鋼板、豎向加勁鋼及開孔板可以將軸力最大限度地傳遞給承壓板，這使得剪力釘受力更為有利。

（5）由于橋梁的鋼-混結合段的受力情況對于橋梁整體結構安全至關重要，因此在施工過程中需要在混凝土中加入適量的鋼纖維，使得鋼-混結合段更加安全可靠。

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U441+.5

A

1009-7716（2017）12-0047-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.014

2017-08-21

馬磊（1984-），男，河北滄州人，工程師，從事橋梁設計工作。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：mm）

圖2 鋼-混結合拱肋混合接頭位置（單位：mm）