桥塔钢-混凝土结合段设计与受力分析

□文/李 焱

斜拉桥由索、塔、梁三大主要承力构件组成，桥塔起着承上启下的传力作用[1]。由于钢-混凝土组合结构能充分发挥钢材和混凝土的优点，近年来广泛应用于斜拉桥桥塔，达到节省造价、提高结构可靠度、方便施工的目的。

对于钢塔斜拉桥，钢-混凝土结合段如何传递和抵抗强大的轴力、剪力和弯矩，实现结构的刚柔过渡并使构造具有良好的耐久性和抗疲劳性能，是设计的关键[2]。

1 工程概况

康巴什大桥为双斜塔双索面斜拉桥，主跨450 m，A 型桥塔，塔高128 m 并向主跨侧有12°倾斜。桥塔以钢材为主，将钢-混凝土结合段设置在桥塔与承台交界处，承台顶部设置塔靴将钢塔包裹，结合段总长10.0 m，由上到下分别为4 m钢混凝土过渡段和6 m塔靴包裹段[3]。见图1。

图1 结合部立面布置

2 桥塔结合段特点

1）钢塔与混凝土塔靴连接，混凝土结构断面远大于钢塔断面，可以利用断面的变化解决结合段混凝土结构内应力集中问题。

2）索塔中剪力钉处于侧立状态，剪力钉下的混凝土会发生离析现象。

3）索塔内的轴力自上而下呈累加趋势[4]。

3 桥塔结合段设计

针对以上特点，对桥塔结合段进行了特殊设计，保证连接部的整体性和可靠性。

截面尺寸上，钢塔单肢横桥向为3.3 m，顺桥向从6 m渐变到12 m。结合段上段4.0 m为外露钢结构，钢塔内壁设置剪力钉并灌注自密实混凝土；下段6.0 m钢塔段插入混凝土塔靴，塔壁钢板开孔并穿过传剪钢筋与混凝土塔靴连接，形成复合式PBL 剪力键共同受力。见图2。

图2 钢塔钢混结合段总体布置

在充分考虑结构和力学的合理性、应力的传递性、钢塔制作的可行性后，桥塔钢混结合段设计主要采用的构造措施见图3。

图3 钢塔钢混结合段构造形式

1）在塔靴以上4 m 钢塔过渡段内设置焊钉剪力键。过渡段钢塔柱内壁侧按20 cm 间隔设置φ22 mm×170 mm圆柱头焊钉并在钢塔柱内灌注自密实混凝土。通过扩大混凝土和剪力钉的结合面，有效解决截面突变引起的刚柔过渡问题，提高结合段的抗疲劳性能。

2）在插入塔靴内的6 m钢塔柱段设置复核式PBL剪力键。该段钢塔内腹板及壁板上开直径60 mm孔洞并穿直径25 mm的传剪钢筋，与孔洞内的混凝土共同形成PBL剪力键。该措施能将主塔受压时产生的剪力转化为混凝土受压，以压力形态均匀传递到承台基础上。

3）在结合段设置预应力钢束和精轧螺纹筋。结合段顶部设置6 cm厚承压板，将钢束和钢筋锚固在承压板上。预应力布置在桥塔断面四周，单侧设3 排19φs15.20 mm 钢绞线，以抵抗主塔受拉或受弯时对混凝土产生的拉力；精轧螺纹筋则在全断面均匀布置，共设16排，以提高混凝土受压的均匀性。

4）塔壁外侧设置伸出肢剪力键。在钢塔的长边外壁侧设置50 mm×750 mm 加劲肋，间距50 cm 布置并在加劲肋上焊接圆柱头焊钉，扩大钢与混凝土的接触面，增强塔根的稳定性。

4 有限元计算

4.1 模型

采用桥梁专业有限元分析软件Midas Civil 2010建模，模型范围近似按主塔顺桥向宽度取值。钢结构采用四边形平面单元，混凝土结构采用3D六面体实体单元。见图4。

图4 主塔钢混凝土节段有限元细部模型

4.2 计算荷载

首先计算斜拉桥单梁模型，主梁采用单主梁单元、主塔采用梁单元、拉索采用索单元模拟，得到单梁模型下主塔截面最不利组合工况作用下的内力值及对应的并发力值，再按各工况对有限元模型进行加载分析。见表1。

表1 极值工况加载分级

5 结果分析

为准确反映加载后结合部位置的应力分布，结果分析中仅展示承台钢塔内填充混凝土、塔靴段混凝土以及加载面9.0 m以下的钢结构部分。

5.1 成桥初期

1）混凝土结构应力见图5和图6。

图5 承台和塔墩结合段混凝土应力

图6 塔靴外包和上承台应力

钢塔腹板外侧加劲肋顶面、塔墩与上承台交接处有明显的拉应力区域，量值达2.0～6.3 MPa。钢塔内部填充混凝土由于预应力筋等影响，产生较大的主拉应力。

程序中考虑钢-混凝土结合段具有良好粘结性能，变形完全协调，填充区混凝土顶部由于预应力预压作用，导致边缘区混凝土承受较大拉应力，实际中边缘区混凝土将脱离钢结构表面，因此该拉应力将得到释放。

2）钢结构应力状态见图7和图8。

图7 主塔钢结构应力

图8 腹板和横板应力

个别区域出现较大的主压应力，大部分主压应力处在-126.7～7.61 MPa 之间。

5.2 My最小状态

1）混凝土结构应力状态见图9和图10。

图9 承台和塔墩结合段混凝土应力

图10 塔靴外包和上承台混凝土应力

钢塔腹板外侧加劲肋顶面、塔墩与上承台交接处引起明显的拉应力区域，量值达2.0～6.3 MPa。钢塔内部填充混凝土由于预应力筋等影响，产生较大的主拉应力。

2）钢结构应力状态见图11和图12。

图11 主塔钢结构应力

图12 腹板和横板主压应力

个别区域出现较大的主压应力，绝大部分主压应力处在-155.3～18.56 MPa。

5.3 数值分析

主塔钢-混凝土结合段有限元模型在两种工况作用下的主应力见表2。

表2 极值况作用下混凝土和钢结构的主应力值 MPa

从表2 可知，结构应力均满足规范要求，主塔钢-混凝土结合段结构安全。

6 结论

1）桥塔钢-混凝土结合段主要通过桥塔壁板、承压板和钢-混结合部内剪力钉传递轴向荷载。在传力时，轴力可有效通过格室内剪力钉和PBL 剪力键均匀传递到核心混凝土上[5]。与钢-混凝土结合段不同，承压板应力较小，传力贡献不显著。

2）桥塔钢-混凝土结合段采用承插式，针对斜拉桥塔的受力特性，提出了适用于主塔的钢-混凝土结合段构造，即除在钢塔壁设置剪力钉外，增加了复合式PBL的设置，再配合预应力钢束的使用，提高了结合段抗剪性能。

3）通过对结合段构造反复研究，利用钢塔与塔靴体积差距较大的特点，提出在钢塔塔壁上设置“伸出肢”的设想，大大增加了钢塔与混凝土塔靴的接触面积。通过有限元仿真分析验证，增加伸出肢能明显降低塔壁周围混凝土平均应力，缓解应力集中现象，增强结构耐久性。