南京青奥跨江景观桥主塔钢混结合段设计

徐瑞丰，李　正，周彦锋，韩大章

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014）

南京青奥跨江景观桥主塔钢混结合段设计

徐瑞丰，李正，周彦锋，韩大章

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014）

南京青奥跨江景观桥为主跨270 m倾斜双塔空间索面钢箱梁斜拉桥，桥塔采用上部钢塔柱、下部混凝土塔柱组合成的椭圆形混合塔，上下塔柱采用设置焊钉及开孔板连接件的有格室后承压板式结合段连接。为确保结合段设计合理，考虑钢-混凝土相对滑移和接触，文章建立全塔实体-板壳空间有限元模型，计算分析塔柱应力、连接件受力等，可为类似工程提供借鉴。

斜拉桥；混合塔；结合段；设计

1　工程概况

南京青奥跨江景观桥位于青奥轴线中轴，起点位于青年文化体育公园内，终点在江心洲青年森林公园内。主桥采用主跨270 m（桥塔下横梁处支座间距）双塔空间索面钢箱梁斜拉桥，边跨设置3个桥墩，其跨径布置为45+42+58+240（桥塔承台中心间距）+58+42+46.5=531.5 m。如图1所示。

图1　主桥桥跨布置（单位：cm）

桥塔形状为椭圆形，向岸侧倾斜35°，塔竖向高82.5 m，塔斜向高102.464 m。塔柱采用六边形断面，桥塔顺桥向宽度5 m，横桥向宽度由塔顶的6.2 m渐变至塔中部的4.6 m再渐变至塔根的9.766 m。下塔柱设计成实心混凝土断面，上塔柱采用钢箱断面。桥塔在主梁底设1道钢结构下横梁，横梁采用箱形断面，在下横梁下方设置钢混结合段。桥塔立面图如图2所示。

2　桥塔钢混结合段设计思路

目前桥塔钢混结合段形式有埋入式、端承压板式和有格室承压板式。如图3所示。

埋入式的方法是将钢结构根部的一部分埋入混凝土结构中。采用这种方法时，如何使钢结构的壁板和混凝土充分结合在一起并且能够使荷载均匀地传递是设计的主要问题。常用的方法有在钢结构壁板上设置剪力钉或者采用开孔板连接件，如南京长江第三大桥［1］和日本鹤见航道桥采用该种构造。

图2　桥塔立面（单位：mm）

图3　桥塔钢混结合段形式

端承压板式是将钢结构根部通过承压板和预埋在混凝土中的大型锚固螺栓或钢铰线预应力连接在一起。在这种连接方式中，钢结构根部的压力是通过承压板传递到混凝土，而弯距和剪力则是通过锚固螺栓传递，大多数钢索塔同基础承台连接采用这种形式构造，如泰州长江大桥。

有格室承压板式是利用钢塔腹板、壁板和加劲板形成钢格室，在格室中浇筑混凝土，并在格室四周的板件内侧布置焊钉连接件，在格室端部布置承压板，宁波大榭二桥［2］采用了该种构造形式。

图4　钢混结合段构造（单位：mm）

埋入式结合段混凝土浇筑质量容易保证，其作用力全通过连接件传递，需要较长的结合段，连接件受力较大。端承压板式结合段构造简单，应力传递直接，截面的刚度变化比较大，由于刚度和强度上的要求，需设置较厚的承压板，为了能够均匀地传递压力，承压板与混凝土承台之间必须保持密切接触。有格室承压板式结合段刚度过渡均匀，应力扩散好，但构造相对复杂。由于本桥下横梁位置偏下，如果采用埋入式构造，则需要较长的结合段以降低两端连接件作用力，此时钢混结合面将会处于最高洪水位区，对钢结构的耐久性影响较大。本桥为青奥跨江景观桥，端承压板式构造易造成桥塔不连续感，达不到景观要求，同时，结合面弯矩影响较轴力大，受力复杂，刚度过渡不宜突变。因此，本桥钢混结合段采用有格室后承压板式构造，钢塔柱与混凝土塔柱之间通过焊钉、开孔板、承压板及预应力筋连接，满足刚度过渡、应力传递等受力要求，同时获得了最佳景观效果。

3　结合段设计要点

钢塔柱端部设置60 mm厚承压钢板，将钢塔柱作用力通过承压传递至混凝土塔柱，主塔钢箱内3块横桥向加劲板与纵桥向3块加劲板插入下塔柱混凝土中形成格室，在钢格室内加劲腹板上开有Φ80 mm圆孔，穿过直径25 mm钢筋与进入该孔的混凝土一起形成开孔板连接件［3］，钢混结合段混凝土采用微膨胀混凝土。

圆孔的水平向间距基本为250 mm，竖向间距为200 mm。为保证结合段格室间混凝土的整体性，特在节段下半段的腹板上开有宽200 mm，高度1 100 mm的长方孔以便混凝土浇筑时的流动。在节段壁板上设置了焊钉连接件，焊钉直径22 mm、长200 mm，与开孔板连接件通过承剪共同传递钢塔柱与混凝土塔柱间作用力。承压板上通过设置锚箱将施加的预应力传递至塔壁，以抵御结合面外荷载产生的部分弯矩。如图4所示。

4　有限元计算模型

4.1模型选取

几何模型选取包括承台在内的整个桥塔，建立三维实体-板壳有限元模型，研究在不利荷载工况下结合段的应力分布和传力机理。计算模型中桥塔在塔平面内高度方向上包括混凝土节段（含钢混结合段）约15.75 m，钢节段约86.71 m。

钢塔用壳单元模拟，混凝土用实体单元模拟，预应力筋用杆单元模拟。焊钉及开孔板连接件用虚拟三维弹簧单元模拟。钢混交界面处通过接触单元传递法向力，不考虑钢与混凝土之间的摩擦传力。根据以往焊钉及开孔板连接件推出试验的数据，焊钉连接件剪切刚度取为302.4 kN/mm，开孔板连接件剪切刚度取为917 kN/mm。有限元计算模型如图5所示。

图5　有限元计算模型

4.2边界条件及荷载工况

有限元模型中混凝土承台底部平面施加竖向约束，底部平面内横桥向一条边（近边跨）施加顺桥向约束，顺桥向一条边（对称面内）施加横桥向约束。在桥塔锚固位置处施加从整体计算模型中提取出的索力，在横梁相应位置施加主梁支座反力。同时考虑桥塔自重、整体升降温、混凝土收缩徐变及风载等作用。

根据对钢混结合段处最不利工况作用下内力的分析，结合段安全可靠性分析主要考虑横桥向最大弯矩工况、横桥向最小弯矩工况、顺桥向最大弯矩工况及预应力张拉结束后包括结合段在内的下塔柱受力状态。

5　结合段计算结果及分析

5.1钢结构受力分析

3种工况下，结合段纵桥向弯矩最大工况的主塔结合段钢结构mises应力最大，如图6所示，结合段钢结构应力值变化范围为1.1~160.97 MPa，应力水平较低，钢结构上的应力通过连接件逐渐传递给结合段的混凝土。其中最大应力位置是在近中跨的钢壁板处，承压板上的应力最大值是103.48 MPa，位于格室纵桥向的隔板与承压板相接部位，预应力筋钢锚箱腹板与承压板焊接处以及钢塔柱的加劲与承压板相接部位的应力也较大，约为60 MPa，其他部位应力水平较小，小于50 MPa。此处承压板分担了沿塔70%的轴向力。

图6　结合段钢结构mises应力（单位：kPa）

5.2 混凝土塔柱受力分析

主塔混凝土主压应力及主拉应力在结合段纵桥向弯矩最大工况下最大，混凝土塔柱主拉应力分布如图7所示，应力水平较低，在塔柱下部存在约0~3 MPa的较大主拉应力区域。在结合段范围内及预应力锚固端附近局部混凝土存在稍大的主拉应力，最大主拉应力约为4.5 MPa。设计中对这些区域都加强了配筋。建模中未考虑开孔板连接件贯穿孔中的钢筋及混凝土对周围混凝土协同受力作用，因此实际情况混凝土最大主拉应力比计算值要小。

混凝土塔柱主压应力分布如图8所示，混凝土最大主压应力约为18 MPa，位于混凝土承压面横桥向内侧及顺桥向中跨侧边角局部位置，且范围较小，仅需浇筑密实。下塔柱混凝土主压应力基本在10 MPa以内，应力分布较为均匀。

5.3焊钉及开孔板连接件受力分析

结合段横桥向弯矩最大工况下，焊钉及开孔板连接件的剪力最大。边跨侧壁板焊钉连接件作用力如图9所示。焊钉作用最大剪力为69.94 kN，最大焊钉剪力出现在右上角位置处。焊钉受力分布表现为上下端剪力大于中间部分。

图7　结合段混凝土主拉应力（单位：kPa）

图8　结合段混凝土主压应力（单位：kPa）

图9　边跨侧壁板焊钉连接件作用力（单位：kN）

纵向隔板连接件作用力如图10所示，最大剪力为181 kN，位于右下角，底端的开孔板连接件受力较大。根据试验及理论计算，直径22 mm、长200 mm的焊钉连接件的抗剪承载力值为117.3 kN，直径80 mm、贯穿直径25 mm钢筋的开孔板连接件的抗剪承载力值为517.8 kN。

6　结论

桥塔钢与混凝土结合段是将钢塔内力传递到混凝土塔的关键部位。本桥为大跨径斜拉桥，桥塔为上部钢塔与下部混凝土塔结合的斜弯混合塔结构。跟以往的直立桥塔结合段不同，斜弯桥塔承受较大双向弯矩与轴力，受力更为复杂。本项目在设计中对结合段预应力筋锚固方式与合理布置、结合段钢塔加劲过渡段受力及稳定性、结合段时变特性（收缩徐变、温度）等问题进行了详细分析和研究。结合段的设计应遵循以下几点原则：

图10　纵向隔板连接件作用力（单位：kN）

（1）结合段应连接可靠、且能较顺畅地传递截面各项内力及适应变形；

（2）结合区域塔柱结构的刚度过渡应均匀、平顺；

（3）结合段钢结构各板件的厚度应满足受力及刚度过渡的需要；

（4）结合段的构造形式应充分考虑施工可行性和施工质量；

（5）确保结合段顶部附近钢结构的稳定性；

（6）确保结合段抵抗偶然荷载，特别是附加弯矩的能力。

［1］金安红.南京三桥钢塔钢混结合段设计与制造［J］.钢结构，2007（2）：75-77.

［2］顾民杰.宁波大榭第二大桥主塔设计关键技术［J］.中国市政工程，2012（3）：18-20.

［3］刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社.2005.

Design of J oint Section of Hybrid Tower of Nanjing Youth Olympic Landscape River Bridge

Xu Ruifeng, Li Zhen, Zhou Yanfeng, Han Dazhang
（Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company, Nanjing 210005,China）

Nanjing Youth Olympic landscape river bridge was a steel box girder cable-stayed bridge with the spatial cable plane and twin towers, and the main span was 270 meters. The bridge's tower was oval shape, divided into two parts, the upper part using steel tower and the lower part using concrete tower . The upper and lower part of tower combine with the junction set welding studs and PBL connections with geocells and pressure plate. In order to ensure the rational design of joint section, considering steel-concrete relative slip and contacts, this paper established full tower plate-shell dimensional finite element model and calculated and analyzed the stress of tower and the force of connector.

cable-stayed bridge; hybrid tower; joint section; design

U448.27

B

1672-9889（2015）04-0038-04

徐瑞丰（1980-），男，江苏淮安人，高级工程师，主要从事桥梁设计工作。

（2014-11-03）