桥塔钢-混结合段分析

张树清，尹 超

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088)

桥塔钢-混结合段分析

张树清，尹 超

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088)

建立钢混结合段三维有限元模型，通过多种最不利工况静力计算，分析钢塔柱、混凝土塔柱及钢混结合处的应力和变形，确定各部件的应力状况及分布，研究钢混结合段接头的传力机理，对设计方案提供指导。

钢混结合段;有限元;静力分析;应力

0 引言

钢混接头构造复杂，由混凝土结构和钢结构通过焊接、高强度螺栓、预应力钢索、剪力槽、摩擦等连接而成，结构存在着梁、实体、板、索等多种单元形式，涉及到预应力问题、接触问题、弹塑性问题、收缩徐变问题等[1]。鉴于桥塔混合接头存在的特点和技术难点，以及其安全、可靠对桥梁的重要性，单纯依靠平面杆系有限元仿真计算技术，难以准确把握其实际受力状况。为了解该关键部位的受力情况，也同时为结构施工设计提供依据，需对钢混结合段及其受力、传力机制和受力状态进行深入细致的分析，分析采用大型三维有限元程序。了解各主要不利工况下混凝土塔柱、钢塔柱、应力及变形的分布情况。

1 工程概况

某主桥采用130 m+130 m预应力混凝土独塔斜拉桥，主桥全长260 m，如图1所示。主梁采用等截面预应力混凝土单箱五室断面。主塔采用空间造型桥塔，主塔立面呈“人字形”，横桥向呈“Y型”。

图1 桥型总体布置图(单位:m)

主塔采用钢-混组合结构，如图2所示。桥面以上为Y型结构，钢塔部分高度为82.0 m，混凝土部分高度为24.0 m，承台以上桥塔总高度为106.0 m。塔顶高程为+107.722 m。塔底高程为+1.722 m。上塔柱设置一道4.4 m钢横梁。塔柱自塔底至塔顶依次为:17.2 m混凝土塔柱、6.8 m钢-混结合段和82.0 m钢塔柱。钢塔柱采用Q345qD，混凝土塔柱材质为C50。

图2 桥塔-般构造图(单位:m)

2 计算模型

2.1 钢混结合段

钢混结合处混凝土塔柱的压应力主要通过塔柱底座板、剪力钉、剪力键传递到下塔柱混凝土中[2，3]，而拉应力则通过锚固螺杆传递到基础中。钢混结合段箱内600 mm范围内设置纵横交错加强板传递压力，使混凝土顶面压力受压均匀。设计时考虑在塔柱底部混凝土内预埋锚固螺杆来传递弯矩，通过给螺栓施加了预拉力，使底座板在工作状态下塔底截面无拉力，即底板不出现缝隙，一直与混凝土顶面保持密贴。在塔底截面共布置36根直径为70 mm的40 CrNiMoA螺杆，并施加预拉力。单个螺杆预拉力大小为1 300 kN，施工时需考虑张拉力损失的影响。图3为钢混结合段构造图。

图3 钢混结合段构造图(单位:m)

2.2 有限元模型

钢混结合处构造极其复杂，且在各截面上有轴力、弯矩、扭矩、剪力的作用[4]，同时接头部位还含巨大预应力的作用，结构受力异常复杂。在如此小的范围内构件相互交错，其应力场将比较复杂，因此需用大型有限元程序对结构各部位的应力场和变形进行细致分析。

采用ANSYS建模，建模中混凝土采用体单元模拟，钢主塔采用壳单元模拟，预应力钢绞线和预应力螺杆采用杆单元模拟。材料采用理想弹塑性的本构模型[2]，钢材弹性模量2.1e5 MPa，泊松比Vs=0.3;混凝土弹性模量3.45e4 MPa，泊松比Vs= 0.2。图4为钢混结合段有限元模型。

图4 钢混结合段有限元模型

2.3 边界条件

有限元模型塔柱底部混凝土采用固结约束。钢板和混凝土板相同位置(剪力钉位置)节点采用共节点处理，叠合段钢塔柱底部钢板与混凝土塔柱底面采用接触单元，摩擦系数取0.4。钢主塔T1上方按照整体模型计算结果施加均布轴力、弯矩、剪力和扭矩等内力组合。各断面上的内力(轴力和剪力)都通过截面均布力施加到模型上，弯矩则通过延伸一段钢臂施加力偶实现[5]。模型中顺桥向为x向，高度方向为y向，z向为横桥向由右手定则确定。

3 静力分析

3.1 计算工况

结构计算工况内力按照以钢混结合处的最不利工况进行分析[6]，分别确定了结合处三种工况:工况一，最大轴力;工况二，最大顺桥向剪力;工况三，最大顺桥向弯矩，如表1所示。研究分析三种工况下受力情况，得到相应的位移、应力结果，如表1所示。

表1 结构工况-荷载

3.2 计算结果

分析计算得到钢混结合段处应力及整体位移结果，如表2所示。

表2 钢混结合段最大位移-应力

根据表2中数据，工况一作用下钢混结合段位移、应力最大，结构响应较其它工况明显，限于文章篇幅，仅列出工况一作用下钢混结合段位移、应力云图，见图5～图7。

图5 工况-混凝土塔柱顺桥向变形图(单位:m)

图6 工况-混凝土塔柱应力云图(单位:MPa)

图7 工况-钢塔柱Mises应力云图(单位:Pa)

在工况一内力组合作用下:

(1)混凝土塔柱的受力和变形以轴向受压为主，由于活载对称布置，混凝土塔柱的应力分布及变形基本呈对称关系。

(2)混凝土塔柱的变形如图5所示。由图可知，混凝土塔柱的变形基本呈对称关系，顺桥向最大变形为0.318 mm，位于混凝土塔柱顶部右侧处，然后四周和往左减小。混凝土塔柱最大横桥向变形为0.096 7 mm。塔柱变形以竖向受压为主，中间变形较大，四周变形较小。

(3)混凝土的主压应力和主拉应力分布如图6所示。由图可知，塔柱混凝土的主压应力主要分布在接头叠合面预应力布置范围和钢塔柱竖向主板交角处，最大主压应力为-22.4 MPa，位于混凝土塔柱顶面，应力极值相对材料的许可值还有一定余量。塔柱混凝土最大主拉应力为1.88 MPa，位于混凝土顶面和钢塔柱结合处，主要由顺桥向剪切力造成，剪切力在剪力钉处使混凝土顶面节点和钢塔柱底面节点产生滑移。

(4)钢塔柱的Von Mises应力分布，如图7所示，钢塔柱最大 Von Mises应力为186 Pa，Von Mises应力极值主要分布在钢混固结处。

4 结语

通过对钢混结合段进行多工况静力分析，应力云图结果显示该方案在结构强度响应方面均表现良好，设计合理。

(1)结合段接头混凝土在界面最大内力组合各工况下，混凝土应力最大主拉应力为1.88 MPa，最大主压应力为-22.4 MPa;钢塔柱各主要板件以受压为主，最大Von Mises应力点极值为186.0 MPa，在材料许可范围内，满足设计要求。

(2)结合段接头混凝土在界面最大内力组合各工况下，界面上下未发生工程精度范围内的滑移，且两者变形基本协调，界面摩擦抗剪有一定储备。

(3)锚垫板局部受压，结构局部应力较大，在优化分析模型考虑螺帽等的作用时，各部位受力基本满足要求，如锚下填充混凝土后，也能较大程度地改善结构受力状况。

(4)对接头预应力采用螺杆，结构整体受力合理，且预应力螺杆后期养护方便。

(5)通过理论分析表明钢混结合接头位置板件的局部稳定性能满足要求，板件加劲肋的设置合理。

[1] 张西丁，石雪飞.拱塔斜拉桥桥塔钢-混结合段空间受力分析[J].交通科学与工程，2013 ，29(2):36-40.

[2] 张霞，向中富.钢-混组合梁中两种新型连接件的有限元分析[J].重庆交通学院学报，2007，26(2):5-8.

[3] 白光亮，唐光武，周长晓.桥塔钢-混结合段剪力连接件承载力试验研究[J].桥梁建设，2010(1):17-20.

[4] 周宗尧，唐细彪.混合梁悬索桥钢混结合段局部应力分析[J].世界桥梁，2013，41(3):57-61.

[5] 陈海兵，曾国良，陈明芳.混合梁斜拉桥钢混结合段的局部应力分析[J].公路工程，2009，34(6):99-103.

[6] 石雪飞，黄力，阮欣.吴江学院路大桥钢混结合段应力分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2013，37(2):274-277.

U441

B

1009-7716(2015)11-0085-03

2015-04-15

张树清(1983-)，男，安徽阜南人，工学硕士，工程师，主要从事桥梁设计研究工作。