空间异形混合桥塔钢混凝土结合段有限元分析

2017-06-01徐声亮

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：塔柱桥塔壁板

张辉，徐声亮

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092；2.宁波市政工程建设集团股份有限公司，浙江宁波315000）

空间异形混合桥塔钢混凝土结合段有限元分析

张辉1，徐声亮2

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092；2.宁波市政工程建设集团股份有限公司，浙江宁波315000）

钢混凝土混合结构在斜拉桥的设计中被广泛应用。临沂市西安路祊河大桥为独塔斜拉桥，桥塔采用三根塔柱组成空间异形混合桥塔，桥塔的三根塔柱均采用钢混凝土混合结构型式。对大桥的空间异形混合桥塔塔柱的钢混凝土结合段建立有限元模型，并对其进行分析。重点研究采用PBL连接件的全截面承压传剪式钢混凝土结合段各构件的受力情况及传力效应，重点强调在此类钢混凝土结合段设计中应注意PBL连接件的传力不均匀性及混凝土受钢结构传力所产生的拉应力。

斜拉桥；空间混合桥塔；钢混凝土组合结构；PBL连接件

0 引言

随着社会经济的发展，人们对于桥梁建设的要求越来越高，桥梁不再只是满足于“天堑变通途”的跨越工具，人们还要求桥梁外形美观，甚至成为当地地标性的建筑。其中，斜拉桥的桥塔成为桥梁建筑师们展现桥梁建筑魅力的地方。斜拉桥的桥塔对于桥梁结构的受力安全至关重要，因此为了实现安全、经济和美观的现代桥梁设计理念，钢混凝土混合结构的桥塔以其能充分发挥钢和混凝土两种材料各自特性的优点在最近几年斜拉桥的桥塔设计中被广泛应用。钢混凝土混合结构中，钢结构和混凝土的结合段受力复杂，特别是两种材料的结构间传力方式的效率和可靠性至关重要[1]。传统的杆系简化计算方法很难清晰综合反映出结合段的具体受力情况。本文以临沂市西安路祊河大桥的斜拉桥空间异形混合桥塔为背景，对桥塔塔柱的钢和混凝土结合段采用ANSYS有限元分析软件建立空间实体模型，进行有限元分析，详细了解钢混凝土结合段内各个部位结构的应力情况以及两种材料结构间内力的传递及相应构件间的内力分配情况。

1 工程背景

临沂市西安路祊河大桥主桥采用独塔混合梁斜拉桥，桥跨布置为110 m+110 m，桥宽44.6 m。主塔为空间异型混合结构，由中间及两侧3个箱型截面塔柱构成，塔柱间设空间水平联结系，整个桥面的拉索布置为混合索面。西侧主跨拉索采用空间扇形双索面布置，东侧主跨拉索采用中央扇形双索面布置（见图1、图2）。空间异型结构的主塔全高105.0 m。桥面以上采用钢结构，塔高87.0 m；桥面以下采用C50高性能混凝土结构，塔高18.0 m。钢塔柱与混凝土塔柱之间设3.5 m长钢混凝土结合段（见图3）。

图1 全桥总体布置图（单位：m）

图2 主塔三维结构构造示意

图3 塔柱钢混结合段构造图（单位：mm）

主塔塔柱钢混凝土结合段主要传力构件为PBL开孔板连接件、前后承压板和焊钉[2]。PBL开孔板连接件主要由前后壁板、侧壁板、中壁板及其上的竖向加劲肋开孔形成，开孔直径为80 mm，孔内贯穿25 mm钢筋。壁板及其加劲肋沿竖向共设置15排开孔，竖向间距220 mm，PBL连接件孔按水平向开设。焊钉采用22×200 mm圆柱头焊钉，布置于前、后壁板及侧壁板外侧，竖向共设置14排，竖向间距220 mm。剪力钉垂直于钢板布置，结合段前后承压板采用板厚40 mm的钢板。为确保钢混结合段在不利荷载下始终处于受压状态，根据受力需要，塔柱钢混凝土结合段设置15.20-15的竖向预应力钢束。钢束张拉结束后设置1 m高封锚混凝土。

2 计算模型

2.1 有限元分析模型简化

对塔柱的钢混凝土结合段部分进行三维空间建模。结构的有限元模型见图4。模拟的范围为塔柱的整个混凝土段、钢混凝土结合段和钢塔柱第一道横隔板及以下钢结构部分。钢混凝土结合段3.5 m范围内通过网格划分大小调整，使钢结构段的节点坐标与混凝土段节点重合[3]，钢结构采用三维板壳单元进行模拟，混凝土单元采用实体单元进行模拟，在设有PBL连接件的节点处设置空间耦合弹簧，模拟PBL连接件处钢结构和混凝土的相互受力关系。空间耦合弹簧刚度的取值一般采用试验方式来确定其数值，本有限元计算弹簧刚度按7×105kN/m取用。

图4 中塔柱钢混凝土结合段模型

2.2 边界条件模拟

对有限元模型中塔柱的下混凝土段底部节点位移及转角进行全约束。在塔柱的钢结构截面顶端设置一道刚性连接来约束塔壁的变形，以利于模型加载时荷载的分配。

2.3 计算荷载

将总体计算中与有限元模型上部钢结构位置相同处的内力全部加载于此截面上。由于此处钢结构顶面进行了刚性约束，因此直接将内力荷载直接加载于此处刚性连接的节点上可有利于内力的均匀扩散与模拟。

2.4 材料参数

钢塔柱采用Q345qD钢材，容重为78.5 kN/m3，弹性模量为2.1×108kN/m2，剪切模量为 8.1× 107kN/m2，线膨胀因数为1.2×10-5。混凝土塔柱及钢混凝土结合段采用C50混凝土，考虑配筋的影响，混凝土容重采用26 kN/m3，弹性模量为3.45× 107kN/m2，剪切模量为1.38×107kN/m2，线膨胀因数为1×10-5。

3 计算结果

3.1 结合段钢结构应力

从图5可见，钢结构进入结合段的部分随着钢结构在结合段内结合深度增加钢结构的应力逐渐减少，并且在第一排PBL连接件的位置出现应力集中，最大mises应力达到153 MPa。从图6可知，第二排PBL连接件位置处的钢结构应力相比第一排PBL连接件位置处的应力大幅度减少，最大mises应力为89.6 MPa，相当于第一排最大应力的58%，说明结合段各排PBL连接件的受力不是均匀的，第一排连接件承担的内力最大，随着PBL连接件沿受力方向的远离，内力逐渐减少。

图5 钢混凝土结合段内钢结构应力云图（单位：MPa）

图6 钢混凝土结合段内第二排PBL连接件及以下钢结构应力云图（单位：MPa）

从图7结合段后承压板的应力云图可见，在钢塔柱壁板及加劲肋与承压板的结合处应力较大，钢塔柱的4个角点位置应力集中最大，最大应力达到98.4 MPa。随着承压板远离钢结构壁板和加劲肋，承压板的应力迅速减小，且应力仅为2～3 MPa。说明在结合段箱格一定的情况下，承压板的大小对承压板所承担的结合段传递的内力作用有限，单纯采用整体式的承压板没有必要。本设计所采用的空腹式承压板样式能满足本桥塔塔柱结合段结构的受力需求。如要增加后承压板在传力分配中的比重，增加结合段钢结构的箱格可增大承压板的有效受力点，从而增加后承压板的内力分配值。

图7 钢混凝土结合段后承压板应力云图（单位：MPa）

3.2 结合段混凝土应力

塔柱钢结构深入钢混凝土结合段内塔柱壁板及腹板，对混凝土具有劈裂趋势的作用力。图8为结合段顶面处混凝土在钢塔柱传递的内力作用下分别在横桥向和顺桥向两个方向的正应力平面图。从应力云图可以看出，结合段顶层处混凝土在钢塔柱壁板内外均出现不同程度的拉应力，特别是塔柱中心核心混凝土出现拉应力比较大，两个方向的最大拉应力分别达到1.74 MPa和1.97 MPa，此处混凝土在拉应力作用下具有开裂的风险。因此，设计需通过在结合段内混凝土设置抗拉钢筋网来解决此处混凝土受拉的问题。

图8结合段混凝土正应力平面云图（单位：MPa）

图9 为结合段混凝土在横桥向和顺桥向的正应力沿结合段高度方向的应力云图。从图中可以看出，结合段钢结构对混凝土在两个方向的劈裂力产生的正应力随着离结合段顶层的距离增大而逐渐变小，且应力状态逐渐均匀。另外，在横桥向第一排PBL连接件处所产生的应力大于顺桥向此处所产生的正应力，最大应力达到1.74 MPa。