橋塔鋼-混凝土結合段設計與受力分析

□文/李 焱

斜拉橋由索、塔、梁三大主要承力構件組成，橋塔起著承上啟下的傳力作用[1]。由于鋼-混凝土組合結構能充分發揮鋼材和混凝土的優點，近年來廣泛應用于斜拉橋橋塔，達到節省造價、提高結構可靠度、方便施工的目的。

對于鋼塔斜拉橋，鋼-混凝土結合段如何傳遞和抵抗強大的軸力、剪力和彎矩，實現結構的剛柔過渡并使構造具有良好的耐久性和抗疲勞性能，是設計的關鍵[2]。

1 工程概況

康巴什大橋為雙斜塔雙索面斜拉橋，主跨450 m，A 型橋塔，塔高128 m 并向主跨側有12°傾斜。橋塔以鋼材為主，將鋼-混凝土結合段設置在橋塔與承臺交界處，承臺頂部設置塔靴將鋼塔包裹，結合段總長10.0 m，由上到下分別為4 m鋼混凝土過渡段和6 m塔靴包裹段[3]。見圖1。

圖1 結合部立面布置

2 橋塔結合段特點

1）鋼塔與混凝土塔靴連接，混凝土結構斷面遠大于鋼塔斷面，可以利用斷面的變化解決結合段混凝土結構內應力集中問題。

2）索塔中剪力釘處于側立狀態，剪力釘下的混凝土會發生離析現象。

3）索塔內的軸力自上而下呈累加趨勢[4]。

3 橋塔結合段設計

針對以上特點，對橋塔結合段進行了特殊設計，保證連接部的整體性和可靠性。

截面尺寸上，鋼塔單肢橫橋向為3.3 m，順橋向從6 m漸變到12 m。結合段上段4.0 m為外露鋼結構，鋼塔內壁設置剪力釘并灌注自密實混凝土；下段6.0 m鋼塔段插入混凝土塔靴，塔壁鋼板開孔并穿過傳剪鋼筋與混凝土塔靴連接，形成復合式PBL 剪力鍵共同受力。見圖2。

圖2 鋼塔鋼混結合段總體布置

在充分考慮結構和力學的合理性、應力的傳遞性、鋼塔制作的可行性后，橋塔鋼混結合段設計主要采用的構造措施見圖3。

圖3 鋼塔鋼混結合段構造形式

1）在塔靴以上4 m 鋼塔過渡段內設置焊釘剪力鍵。過渡段鋼塔柱內壁側按20 cm 間隔設置φ22 mm×170 mm圓柱頭焊釘并在鋼塔柱內灌注自密實混凝土。通過擴大混凝土和剪力釘的結合面，有效解決截面突變引起的剛柔過渡問題，提高結合段的抗疲勞性能。

2）在插入塔靴內的6 m鋼塔柱段設置復核式PBL剪力鍵。該段鋼塔內腹板及壁板上開直徑60 mm孔洞并穿直徑25 mm的傳剪鋼筋，與孔洞內的混凝土共同形成PBL剪力鍵。該措施能將主塔受壓時產生的剪力轉化為混凝土受壓，以壓力形態均勻傳遞到承臺基礎上。

3）在結合段設置預應力鋼束和精軋螺紋筋。結合段頂部設置6 cm厚承壓板，將鋼束和鋼筋錨固在承壓板上。預應力布置在橋塔斷面四周，單側設3 排19φs15.20 mm 鋼絞線，以抵抗主塔受拉或受彎時對混凝土產生的拉力；精軋螺紋筋則在全斷面均勻布置，共設16排，以提高混凝土受壓的均勻性。

4）塔壁外側設置伸出肢剪力鍵。在鋼塔的長邊外壁側設置50 mm×750 mm 加勁肋，間距50 cm 布置并在加勁肋上焊接圓柱頭焊釘，擴大鋼與混凝土的接觸面，增強塔根的穩定性。

4 有限元計算

4.1 模型

采用橋梁專業有限元分析軟件Midas Civil 2010建模，模型范圍近似按主塔順橋向寬度取值。鋼結構采用四邊形平面單元，混凝土結構采用3D六面體實體單元。見圖4。

圖4 主塔鋼混凝土節段有限元細部模型

4.2 計算荷載

首先計算斜拉橋單梁模型，主梁采用單主梁單元、主塔采用梁單元、拉索采用索單元模擬，得到單梁模型下主塔截面最不利組合工況作用下的內力值及對應的并發力值，再按各工況對有限元模型進行加載分析。見表1。

表1 極值工況加載分級

5 結果分析

為準確反映加載后結合部位置的應力分布，結果分析中僅展示承臺鋼塔內填充混凝土、塔靴段混凝土以及加載面9.0 m以下的鋼結構部分。

5.1 成橋初期

1）混凝土結構應力見圖5和圖6。

圖5 承臺和塔墩結合段混凝土應力

圖6 塔靴外包和上承臺應力

鋼塔腹板外側加勁肋頂面、塔墩與上承臺交接處有明顯的拉應力區域，量值達2.0～6.3 MPa。鋼塔內部填充混凝土由于預應力筋等影響，產生較大的主拉應力。

程序中考慮鋼-混凝土結合段具有良好粘結性能，變形完全協調，填充區混凝土頂部由于預應力預壓作用，導致邊緣區混凝土承受較大拉應力，實際中邊緣區混凝土將脫離鋼結構表面，因此該拉應力將得到釋放。

2）鋼結構應力狀態見圖7和圖8。

圖7 主塔鋼結構應力

圖8 腹板和橫板應力

個別區域出現較大的主壓應力，大部分主壓應力處在-126.7～7.61 MPa 之間。

5.2 My最小狀態

1）混凝土結構應力狀態見圖9和圖10。

圖9 承臺和塔墩結合段混凝土應力

圖10 塔靴外包和上承臺混凝土應力

鋼塔腹板外側加勁肋頂面、塔墩與上承臺交接處引起明顯的拉應力區域，量值達2.0～6.3 MPa。鋼塔內部填充混凝土由于預應力筋等影響，產生較大的主拉應力。

2）鋼結構應力狀態見圖11和圖12。

圖11 主塔鋼結構應力

圖12 腹板和橫板主壓應力

個別區域出現較大的主壓應力，絕大部分主壓應力處在-155.3～18.56 MPa。

5.3 數值分析

主塔鋼-混凝土結合段有限元模型在兩種工況作用下的主應力見表2。

表2 極值況作用下混凝土和鋼結構的主應力值 MPa

從表2 可知，結構應力均滿足規范要求，主塔鋼-混凝土結合段結構安全。

6 結論

1）橋塔鋼-混凝土結合段主要通過橋塔壁板、承壓板和鋼-混結合部內剪力釘傳遞軸向荷載。在傳力時，軸力可有效通過格室內剪力釘和PBL 剪力鍵均勻傳遞到核心混凝土上[5]。與鋼-混凝土結合段不同，承壓板應力較小，傳力貢獻不顯著。

2）橋塔鋼-混凝土結合段采用承插式，針對斜拉橋塔的受力特性，提出了適用于主塔的鋼-混凝土結合段構造，即除在鋼塔壁設置剪力釘外，增加了復合式PBL的設置，再配合預應力鋼束的使用，提高了結合段抗剪性能。

3）通過對結合段構造反復研究，利用鋼塔與塔靴體積差距較大的特點，提出在鋼塔塔壁上設置“伸出肢”的設想，大大增加了鋼塔與混凝土塔靴的接觸面積。通過有限元仿真分析驗證，增加伸出肢能明顯降低塔壁周圍混凝土平均應力，緩解應力集中現象，增強結構耐久性。