鋼-混組合橋塔結合段承載性能模型試驗研究

王雪鋒，關大勇，馮玉龍

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引言

斜拉橋鋼-混組合塔一般在錨固區及以上塔柱采用鋼結構，錨固區以下塔柱采用混凝土結構。鋼塔通過鋼-混結合段與混凝土塔連接形成組合構件[1]，可充分發揮鋼材、混凝土兩種材料的優點，使結構受力更為合理。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-混結合段受力復雜，由于材料性能不同、結合段剛度突變、設計施工認識不足等原因，鋼-混結合段容易成為組合塔結構受力的不利位置[4-9]。結合段一旦發生病害，通常難以修復，給橋塔結構安全帶來隱患。因此，有必要對組合塔鋼-混結合段的受力機理進行深入研究。

目前，國內外學者通過模型試驗對結合段的整體承載能力以及剪力釘連接件的受力性能進行了一定的研究[10-14]，但針對結合段鋼混材料之間的傳力機理研究還不深入。本研究以肇慶市閱江大橋組合塔斜拉橋為工程背景，建立了后承壓板式組合塔結合段有限元模型，研究探討其傳力機理，對比分析其傳力性能的差異。同時，通過對該橋后承壓板式結合段進行縮尺模型試驗，對該類型結合段的傳力機理及承載性能進行系統的研究。

1 組合塔結合段構造特點

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

圖1 結合段構造Fig.1 Structure of joint segment

承壓板設置在鋼-混結合段底部的形式為前承壓板式，其構造如圖1(a)所示。部分鋼塔軸力通過壁板設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。

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

圖1(c)為插入式結合段構造，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，插入式結合段鋼與混凝土的相對滑移在3種結合段構造中相對較大，剪力釘承擔的剪力值也最大，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。

插入式結合部混凝土澆注質量容易保證，其作用力全通過連接件傳遞，因而需要較長的結合段，連接件受力較大。承壓板式應力傳遞直接，截面的剛度變化比較大。由于剛度和強度上的要求，往往需設置較厚的承壓板[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合段構造緊湊、軸力較大等特點，設計采用后承壓板式構造。

2 后承壓式結合段傳力機理分析

閱江大橋采用鋼-混組合塔的結構型式，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)，雙肢塔柱之間設置鋼系梁。下塔柱為鋼筋混凝土塔，塔柱截面橫橋向寬4.0 m，順橋向為變截面。塔肢兩側外壁板和內腹板之間各設1個鋼錨箱，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部。鋼-混凝土結合段長2.36 m，在結合段頂部設置14 cm厚的承壓板，節段內共設置16束φs15.20～5預應力鋼絞線，結合段鋼箱內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力(豎向力、彎矩、剪力)到混凝土塔柱中。

圖2 鋼-混結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合段構造的傳力機理，采用通用有限元軟件ANSYS基于肇慶市閱江大橋單肢橋塔鋼-混凝土結合段建立相應的結合段有限元模型。考慮到承壓板及部分鋼結構板件寬厚比較小，結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合作用，不計結合面間的黏結摩擦。建立非線性彈簧單元模擬剪力釘，剪力釘連接件的剪力-滑移非線性本構關系采用式(1)[18]的本構關系模型。在結合段頂部施加總體模型中計算得出的豎向荷載，結合段底部約束底部混凝土單元3個方向的平動。

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為本橋鋼混結合段剪力釘剪力分布。后承壓板式結合段剪力釘豎向剪力從上往下呈現出逐漸增加的趨勢，在結合段頂部，由于承壓板與壁板形成的閉合區域對混凝土的約束作用，頂部剪力釘承受的剪力較小，往下隨著鋼塔軸向應力進一步向混凝土塔擴散，外壁鋼板應力逐漸減小，內包混凝土應力逐漸增大，鋼與混凝土的應變差在結合段下部逐漸增大。距離承壓板越遠，剪力釘承受的剪力越大，在結合段底部達到峰值。

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構。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，使結合段受力較為合理，而插入式結合段軸力完全靠剪力釘傳遞。

3 模型試驗方案

3.1 試驗模型構造

根據全橋有限元模型計算的結果，可以得到橋塔鋼-混結合段頂部最不利荷載組合內力，最不利軸力工況下主塔鋼-混凝土結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設備條件等因素，制作1∶4縮尺結合段試驗模型，表1給出了試驗模型與實橋的相似比。根據試驗模型和實橋的相似比，得出模型邊界的設計軸力為9 700 kN，彎矩為104 kN/m，由于模型所受彎矩相對軸力的數量級較小，試驗加載中忽略其作用。

表1 試驗模型與實橋相似比Tab.1 Similarity ratio between test model and real bridge

圖4為結合段試驗模型尺寸，模型高2 410 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。內壁板下端設置一厚10 mm的基座，鋼箱外壁板厚9 mm,承壓板厚35 mm,內壁板厚10 mm。

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

剪力釘連接件根據所在結合面的滑移剛度設計，試驗模型采用的剪力釘直徑為16 mm，其橫向、縱向和豎塔向間距分別為50，60和100 mm。內外壁板上共布置了988根。試驗模型共采用了8根φs15.2 mm 預應力鋼絞線，張拉力約為118 kN。

3.2 試驗加載方案

對預留在試件內的8根φs15.2 mm鋼絞線進行張拉，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計軸力P為9 700 kN。將張拉預應力后的試件放置于加載臺坐上，采用FCS-2000 t電液伺服協調加載系統加載，模型設計采用3次加載，分別加載至1.0P，1.7P加載系統所能提供的最大壓力(約為18 535 kN)后卸載，加載級差為0.1P，試驗前先進行0.3P=2 910 kN 的預加載，以檢查模型是否調平、均勻受力，同時消除結構初期非彈性變形。

模型測點布置如圖5所示。在縮尺模型測點位置黏貼應變片，內壁板上應變片編號為A1～A6和FJ9～FJ14，外壁板上應變片編號為B1～B10和FJ1～FJ8，塔柱豎向共設置9組測點，編號順序按照從上往下依次為1～9。

圖5 測點平面布置Fig.5 Plane layout of measuring points

利用在結合段混凝土內設置的埋入式應變計測量混凝土的應變，編號為K1～K6，從上到下共設置5組，編號依次為1～5。鋼板與混凝土的相對滑移采用千分表進行測量，測設位置分部在模型四周，編號分別為X1，X2，X3，X4。

4 試驗結果及有限元分析

4.1 鋼板應力

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

4.2 混凝土應力

各級軸向荷載作用下，結合段混凝土內部分測點豎向應力沿豎向的變化趨勢如圖6(c)，6(d)所示。從上到下，混凝土的豎向應力逐漸增大，說明設置的承壓板、剪力釘等構件的傳力效果得到了有效的發揮，最大應力發生在結合段底部。

圖6 鋼結構及混凝土結構應力分布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，剪力釘等連接件能較好地將鋼塔內力傳遞轉移至混凝土塔，構件之間的匹配協調程度較高。

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)給出了給出了內壁板和外壁板上剪力釘的平均剪力分布。從上往下，內壁板剪力釘豎向剪力呈現出先減小后增大的趨勢，頂部兩層剪力釘的剪力最大，1.0P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，說明內壁板端部設置的基座發揮了較好的承壓傳力的作用。

圖8 內、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進入非線性階段。

4.5 數值分析

采用有限元軟件ANSYS對試驗模型進行三維非線性有限元仿真分析，結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。有限元模型及計算結果如圖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 有限元計算結果(單位:kN)Fig.10 Finite element calculation results(unit:kN)

鋼混結合段中鋼結構、混凝土的平均應力有限元計算結果與試驗結果的對比曲線如圖11(a)，11(b)所示。由圖中可看出有限元模型與試驗模型得出的鋼結構及混凝土結構應力分布規律及數值較為一致，雖局部數值略有差別，但總體具有較高的相似性。

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

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

表2給出了有限元計算結果與模型試驗在結合部下端相對滑移量的比較，在1.0P作用下模型試驗相對滑移平均值為0.035 mm，有限元計算值為0.038 mm。在1.7P作用下模型試驗為0.054 mm，有限元計算值為0.063 mm。有限元計算值比模型試驗值基本吻合。

表2 結合段相對滑移量Tab.2 Relative slip of joint segment

綜上分析，鋼混結合段的鋼結構平均應力、混凝土平均應力、承壓板承載的軸力比例、結合段的相對滑移量有限元計算值與模型試驗值的吻合程度較高，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 工程應用分析

通過模型試驗及有限元分析可得，閱江大橋鋼混結合段在設計荷載下鋼板應力、混凝土應力、剪力釘內力均滿足設計要求，且在1.7P，1.95P作用下結構未出現明顯破壞和滑移，鋼混結合段承載力的富裕度較高且構件之間協同受力情況較好。

外壁板上的剪力釘受力較內壁板更為不利，就傳力效果而言可適當減少內壁板剪力釘數量。考慮到本橋鋼混結合段重要程度較高，設計時內壁板剪力釘數量和間距同外壁板統一布置，以提高結構安全度。

根據分析結果承壓板下部分混凝土應力水平稍高，需采用高標號混凝土，實際設計鋼混結合段內混凝土采用C60鋼纖維混凝土，提高結構抗壓能力。同時為改善鋼混結合段承壓板和壁板轉角合圍處混凝土存在應力集中現象，施工時采用試拌試驗、壓漿等方式保證了鋼材和混凝土之間的密實度，達到了良好的使用效果。本橋通車已有數年，目前受力狀況良好。

5 結論

本研究通過對閱江大橋鋼混結合段進行有限元、模型試驗分析，結論如下：

(1)試驗結果表明：后承壓板式結合段從上往下，鋼板的豎向應力逐漸減小，混凝土的豎向應力逐漸增大；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，構件之間的匹配協調程度較高。

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

(3)結合推出試驗得到的剪力釘連接件的本構關系公式，利用非線性彈簧單元模擬組合塔結合段剪力釘的方法可以獲得較好的工程精度。