某双套拱塔斜拉桥钢-混组合段局部受力分析

马磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

某双套拱塔斜拉桥钢-混组合段局部受力分析

马磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

为了解双套拱塔斜拉桥钢-混结合段受力性能，并通过对受力性能分析得出结论，以此为该类桥梁提供一定的理论依据和技术支持。以某双套拱塔斜拉桥工程为背景，合理选取钢-混结合段，并通过大型的通用有限元分析软件ANSYS对该结合段进行施工过程的模拟，分析总结出该钢-混结合段的应力特点、变化规律以及内部各构件的传力途径。分析结果表明：该双套拱塔斜拉桥钢-混结合段的力学性能基本满足相关规范的要求，其中钢结构部分应力全部小于200 MPa；混凝土结构部分仅在其顶部与锚头结合的部位出现较大的拉应力，需要在施工过程中采取必要的加固措施；钢-混结合段剪力钉最大受力为73 kN，满足相关规范基本要求。

斜拉桥；钢-混结合段；有限元；局部应力；剪力钉

0 引言

随着桥梁技术的不断发展，钢-混结构梁桥也被大量的设计和建造，同时，钢-混结合段的安全性也越来越受到广泛的关注。桥梁中钢-混结合段的作用是保证钢梁和混凝土梁的受力和变形得到均匀的传递。如果结合段的设计存在缺陷则会致使结合段的刚度突变，应力传递不均匀，轻者影响桥梁的美观和行车的舒适度，重者会导致桥梁稳定性变差，影响结构的安全。特别是双套拱塔斜拉桥，混合段的稳定性起着至关重要的作用。因此，钢-混结合段都是设计和施工需要重点考虑的环节。

1 工程概况

某双套拱塔斜拉桥位于湖南湘西土家族苗族自治州泸溪县武溪镇峒河与沅水交汇处，城市次干路，设计速度40 km/h，标准横断面宽27 m。线路全长333 m，包括一座全长248 m的跨河桥梁。

主桥采用索辅梁桥受力体系，主梁为预应力混凝土连续梁，桥塔采用双肢V形钢拱塔，斜拉索空间双索面布置，主桥跨径为L=2×94 m=188 m，两侧引桥跨径30 m，桥梁总共长248 m。

主桥为塔梁分离，桥塔处设置竖向支座和横向限位支座。桥塔桥面以上部分采用钢箱塔，桥面以下部分采用混凝土塔座，结合段则采用钢-混结构；主梁采用单箱多室扁平混凝土箱梁，河中搭设支架现浇施工；斜拉索包括水平拉索（连接塔柱）和斜向拉索（连接塔梁），其中水平拉索塔内张拉，斜向拉索塔内锚固、梁端张拉。桥梁总体布置图如图1所示。

2 钢-混结合段设计

该桥为双套拱塔斜拉桥，拱肋采用Q345qD钢材，板厚20～40 mm；主塔钢箱约每2 m设置一道横隔板，顶底板及腹板均设置纵向加劲肋。塔上设置钢锚箱，拉索锚固于钢锚箱内。主塔固结于塔座上，与混凝土塔座的连接采用钢-混结合段的方式，采用精轧螺纹钢方式来保证钢拱上内力平顺传递到混凝土基座上。为增加钢-混结合段传力的可靠性，将钢结构段伸入混凝土内约0.8 m，采用PBL剪力键与混凝土相连接。两种结构在拱肋某部位对接形成钢-混结合拱肋混合接头，如图2所示。

目前，塔柱钢-混过渡结构的设计思路主要有：

（1）承压面连接。承压面下方混凝土局部应力较大，混凝土难以浇筑且浇筑密实度难以检测，如果在施工过程中不注意施工混凝土的密实度，很容易致使结合段混凝土出现局部受压过大的问题。

（2）PBL剪力键连接。在该方式的荷载传递由上而下的过程中，上层承压面相邻区域承担了大多数的荷载，传递路径较短，没有有效的整个过渡段共同分担荷载的传递。

本次设计采用的钢-混过渡结构包括格构式钢塔柱、端承压板、剪力钉、竖向钢筋和竖向预应力束。该连接性能良好、荷载传递路径可靠、现场施工便捷，能满足钢塔柱部分巨大的塔身荷载向下传递至混凝土结构的需要，荷载在过渡段内能够根据设计的需要逐步扩散，同时具备多重可靠的连接措施，且钢-混分界面无台阶，节点区无明显结构分层，景观效果良好。具体布置图如图3所示。

图3 混合接头构造图（单位：mm）

3 钢-混结合段有限元计算方法

3.1 建模

模型采用大型通用有限元软件ANSYS进行建模分析。模型中钢板采用SHELL63四节点板壳单元模拟，混凝土采用SOLID65八节点实体单元模拟，连接件采用COMBIN14三向弹簧单元模拟，预应力筋应用实体力筋法采用LINK8杆单元赋予初应变的方法模拟。计算模型如图4所示。

图4 钢-混结合段有限元计算模型

3.2 计算基本参数

（1）结构模型建立长度15 m=底座10 m+结合部3.5 m+钢结构2.0 m。

（2）材料全部采用线弹性。钢结构弹性模量2.1×105MPa，混凝土弹性模量 3.45×104MPa（C50）。

（3）钢 -混连接件焊钉 22 mm，抗剪刚度302 kN/mm。

（4）承压板厚度50 mm。

（5）边界条件。模型边界条件以最不利工况的节段受力作为控制指标。根据总计计算给出表1。

表1 荷载工况

由横向和纵向总体计算中得到的模型端部截面横向最大弯矩、纵向最大弯矩，以及最大轴力分别对应的另外三项内力进行试算，将最终最不利荷载组合中的轴力按等效原则，并且结合结合段在实际结构中的受力状态施加于结合段的边界上；弯矩则通过进行分解得到力偶，同样按照等效节点荷载施加在结合段的边界节点上。

4 钢-混结合段有限元分析结果

节点及其周边各构件基本上都处于复杂应力状态，所以以Mises等效应力σe来评判各区域应力水平的高低。由弹性理论可知，X方向单向拉、压状态下，σe=σx；复杂应力状态下σe=σy时材料屈服，σy为材料的屈服应力。

总体上说，钢-混结合段钢结构应力水平不高，所有的区域σe小于200 MPa。混凝土结构几乎处于受压的状态，只有个别区域存在拉应力且存在拉应力的区域中大部分区域小于1.0 MPa，只有在钢-混结合段顶部锚头位置出现较大的拉应力，且最大不超过3.0 MPa。由于超过1.0 MPa的拉应力区域面积很小，对整体不会产生实质性的影响，但是为了尽可能使结构处于安全状态，仍然需要在该区域的混凝土中掺加适量的抗拉纤维，以防止混凝土出现局部开裂的现象。

4.1 钢结构受力

钢-混结合段钢结构应力如图5所示。钢结构 Mises应力在 0～140 MPa。

图5 钢-混结合段整体应力分布（单位：MPa）

钢-混结合段内部板件Mises应力如图6所示。

图6 钢-混结合段各板件Mises应力（单位：MPa）

4.2 混凝土结构受力

4.2.1 钢-混结合段混凝土主压应力

混凝土主压应力如图7所示。混凝土最大主压应力为-13 MPa。

图7 钢-混结合段混凝土主压应力（单位：MPa）

钢-混结合段混凝土不同高度截面主压应力如图8所示。

图8 不同高度主压应力图（单位：MPa）

4.2.2 钢-混结合段混凝土主拉应力

钢-混结合段混凝土主拉应力如图9和图10所示。大部分范围混凝土主拉应力小于 1.0 MPa，钢-混结合段顶部锚头位置处出现较大拉应力，最大约为3.0 MPa。

图9 钢-混结合段混凝土主拉应力（单位：MPa）

钢-混结合段混凝土不同高度混凝土主拉应力如图10所示。

图10 不同高度主拉应力图（单位：MPa）

4.2.3 底座受力

如图11和图12所示，混凝土底座主压应力最大为-11 MPa，主拉应力最大在1 MPa内。

图11 主压应力云图及距离承压面1 m处截面云图（单位：MPa）

图12 主拉应力云图及距离承压面1 m 处截面云图（单位：MPa）

4.3 连接件受力

焊钉剪力分布如图13所示。剪力钉剪力最大为73 kN。

图13 焊钉剪力（单位：MPa）

通过对结合段空间有限元模型在最不利荷载组合作用下的模拟以及对钢结构受力云图、混凝土结构受力云图以及连接件受力云图分析结果表明：

（1）结合段整体稳定性良好，结合段内的钢结构Mises等效应力在0～140 MPa，满足规范要求，并且各个部件应力分布均匀，变形平缓。

（2）钢箱内混凝土最大主压应力为-13 MPa，并且大部分区域都是处于受压状态，只有个别区域出现拉应力，最大主拉应力为3.0 MPa，并且在受拉区域内大部分应力都不会超过1.0 MPa。不同高度的混凝土应力变化均匀，无明显的应力集中现象。结合段钢箱内的混凝土构件基本上满足相关规范要求。

（3）底座混凝土最大主压应力为-11 MPa，并且大部分区域都处于受压状态，只有个别区域出现拉应力，最大主拉应力不超过1.0 MPa。不同高度的混凝土应力变化均匀，无明显的应力集中现象。底座的混凝土构件基本上满足相关规范要求。

（4）结合段的十字加劲钢板连接件、开孔板及焊钉连接件布置合理,各连接件对剪力的传递安全可靠,并且各构件的应力水平均满足要求；钢-混结合段的受力性能较好,各构件的应力变形水平均较为合理,结构满足安全性及耐久性要求。

5 结语

本文通过某双套拱塔斜拉桥拱脚钢-混结合段进行空间有限元力学分析，验证其受力及变形是否满足设计要求，现根据分析得出如下结论：

（1）双套拱塔斜拉桥拱塔和支座结合段不仅构造复杂，而且由于其受力复杂，对结合段的受力分析要求更加准确，使用杆系单元进行模拟很难得到准确的数据，而采用实体和板壳单元建立空间分析模型，不仅能够充分反映结合段的受力情况，其分析的数据结果更加可靠。

（2）拱脚钢-混结合段的钢箱在应力的传递上整体处于良好的状态，只有在个别构件的连接处出现了应力集中现象，在进行施工过程中需要在应力集中区域做倒角进行处理；混凝土构件整体上满足相关规范要求，但是在钢-混结合段的顶部锚头位置存在应力较大的情况，则需要在施工过程中对混凝土进行特殊处理消除应力集中或者增加抗裂钢筋保证混凝土不会开裂。

（3）拱脚钢-混结合段内的不同位置的剪力钉全部满足相关规范要求，为了保证剪力钉能够发挥良好的作用，在施工过程中要对拱脚的混凝土加强振捣保证密实度。

（4）在结合段内设置十字加劲钢板、竖向加劲钢及开孔板可以将轴力最大限度地传递给承压板，这使得剪力钉受力更为有利。

（5）由于桥梁的钢-混结合段的受力情况对于桥梁整体结构安全至关重要，因此在施工过程中需要在混凝土中加入适量的钢纤维，使得钢-混结合段更加安全可靠。

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U441+.5

A

1009-7716（2017）12-0047-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.014

2017-08-21

马磊（1984-），男，河北沧州人，工程师，从事桥梁设计工作。

图1 桥梁总体布置图（单位：mm）

图2 钢-混结合拱肋混合接头位置（单位：mm）