寧波明州大橋鋼-混凝土組合拱座理論與模型試驗研究

2016-05-05 01:27:12全軍

城市道橋與防洪 2016年5期

全軍

（寧波通途投資開發有限公司，浙江寧波 315000）

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以寧波市明州大橋主跨450 m特大型中承式鋼箱系桿拱橋為背景，研究探討了鋼-混凝土組合拱座在特大型鋼拱橋中的應用，分析研究了鋼－混凝土組合拱座的受力特性，并進行了模型試驗，為今后同類型工程的設計與研究提供借鑒和參考。關鍵詞：大跨度拱橋；拱座；鋼-混凝土組合結構；模型試驗

1 概述

寧波市明州大橋工程是寧波市東外環快速路跨越甬江的重要過江橋梁工程。大橋北岸位于鎮海區勤勇村，南岸位于北侖區高棉村，橋位處甬江江面寬約400 m。大橋采用主跨450 m的中承式系桿拱橋一跨跨越甬江，南北主墩均布置在岸堤內。該特大型中承式鋼箱系桿的拱座結構是連接中跨拱肋、邊跨拱肋、大立柱、K撐和人字撐的重要節點，同時也是上部鋼結構與下部混凝土承臺和基礎的重要連接節點。眾多結構、眾多力系均交匯于該節點中，結構受力及構造錯綜復雜。因此，研究采用安全可靠及適用耐久的拱座結構形式，分析其結構受力特性及傳力機理，并進行嚴密的數值分析及模型試驗驗證是大橋設計必須加以解決的關鍵技術難題。

2 總體布置及拱座方案比選

2.1 總體布置

大橋為（100+450+100）m雙肢鋼箱拱肋的中承式系桿拱橋，主拱矢跨比f/L=1/5。橋梁按雙向八車道標準建設，橋寬45.8 m，活載等級為城-A級。橋梁總體布置如圖1所示。上、下肢拱肋均為全焊鋼箱截面，橫向傾斜度為1∶5，拱肋橫向設置K撐和人字撐。主梁為正交異性橋面板全焊鋼箱梁。主橋兩邊跨端橫梁之間布置兩組水平拉索，以平衡中跨拱肋的水平推力。

2.2 拱座方案比選

拱座結構主要有全混凝土拱座及全鋼拱座。全混凝土拱座（見圖2）由于拱腳處內力較大，且鋼-混凝土結構部受力性能相對較弱，一般適用于跨度較小的拱橋結構。全鋼拱座（見圖3）的受力特點是采用鋼結構直接平衡中跨拱肋、邊跨拱肋的水平分力及彎矩，并通過底板及剪力件把豎向分力及少量的順橋向不平衡荷載傳遞給混凝土承臺。全鋼拱座受力性能較好，但就本工程而言，其主要缺點是鋼與混凝土結合面位于承臺頂部位置，標高較低，鋼結構的耐久性問題較為突出。且由于拱座處有大立柱、K撐、人字撐及承臺頂部預應力混凝土橫系梁交匯，采用全鋼拱座后，空間鋼結構節點構造及與預應力混凝土橫系梁的關系處理復雜。

鋼-混凝土組合拱座是一種新型的拱座結構形式，結構由頂部鋼拱座及底部混凝土拱座組成（見圖4）。中跨與邊跨拱肋的大部分順橋向水平分力直接通過鋼拱座傳遞并相互平衡，垂直分力、不平衡的順橋向水平分力及彎矩則由鋼拱座底板、拱肋端板共同作用，傳遞至混凝土拱座，傳力性能直接、可靠。K撐、人字撐通過預埋件連接到混凝土拱座，承臺頂部預應力混凝土橫系梁直接與混凝土拱座連接，避免了復雜的空間鋼結構節點及鋼結構與系梁內橫向預應力束沖突等問題。由于鋼拱座位于混凝土拱座之上，鋼結構耐久性問題及遭受人為破壞的風險要大大低于全鋼拱座。因此，經上述綜合比選，明州大橋采用鋼-混凝土組合拱座。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：mm）

圖2 全混凝土拱座示意圖

圖3 全鋼拱座示意圖

圖4 鋼-混凝土組合拱座示意圖

3 鋼-混凝土組合拱座構造

鋼-混凝土組合拱座由上部鋼拱座和下部混凝土拱座兩部分組成，整體外形為不規則階梯狀棱臺體。鋼拱座為箱型結構，箱室寬3.5 m。鋼拱座頂、底板厚50 mm，腹板厚40 mm，隔板厚16～25 mm。混凝土拱座為鋼筋混凝土實體結構，混凝土強度等級C40。主墩兩個混凝土拱座間橫向設置預應力混凝土橫系梁，以平衡拱腳處的橫向分力。圖5所示為拱肋過渡段鋼-混凝土組合拱座布置圖。

鋼拱座頂板、腹板等縱向傳力構件與拱肋上半部分的所有縱向傳力構件均一一對應連接，有效傳遞并平衡中跨與邊跨拱肋的大部分順橋向水平分力。中跨、邊跨拱肋的底板、下腹板荷載通過鋼-混凝土過渡段較均勻地作用到混凝土拱座上。為增加鋼拱座鋼板的局部穩定性能，并使鋼拱座與混凝土拱座兩者的剛度相匹配，在鋼拱座邊箱內填充C50低收縮混凝土。

鋼拱座底板設置焊釘及鋼墊梁與混凝土拱座頂面連接。拱肋0#段底部的2/5拱肋截面通過端板與混凝土拱座前后端面連接，端板厚60 mm，端板底部設置三角形墊梁，以進一步擴散鋼與混凝土接觸面應力。上述混凝土頂面及前后接觸端面均設網格鋼筋進行加強。拱肋鋼-混凝土結合部按有格室前承壓板方式布置，從上而下由鋼結構加強傳遞段、填充混凝土傳遞段及端板（承壓板）接觸傳遞段組成。鋼結構加強傳遞段長3.4 m，通過在鋼塔外圍板及腹板間增加隔艙，以擴散及降低鋼板應力；填充混凝土傳遞段長3.0 m，格室寬約0.85 m，填充混凝土長3.0 m，沿高度方向布置19排22焊釘。為確保在各種最不利工況下，拱肋0#段端板與混凝土拱座接觸面始終處于受壓狀態，在中跨拱肋－拱座－邊跨拱肋填充混凝土間布置了永久及施工臨時預應力束。

圖5 拱肋過渡段及組合拱座立面及橫斷面布置圖（單位：mm）

4 結構受力分析研究

4.1 計算模型

拱座結合部多個部位存在鋼板、焊釘與混凝土的連接問題，結構受力復雜。為真實反映結構受力狀態及傳力機理，采用ANSYS有限元程序對結構進行精細化數值分析，計算模型如圖6所示。其中鋼拱座及拱肋鋼板采用板殼單元模擬，混凝土拱座及過渡段填充混凝土采用實體單元模擬，焊釘連接件采用空間三維虛擬彈簧單元模擬，預應力筋采用桿單元模擬。

圖6 拱座結構有限元計算模型

4.2 拱肋鋼-混凝土過渡段應力分析結果

圖7和圖8所示分別為在恒載及活載組合作用下拱肋鋼-混凝土過渡段鋼面板應力及填充混凝土應力隨高度的變化曲線，橫坐標分別為鋼面板及填充混凝土應力（負值表示壓應力），縱坐標為各斷面位置（用與端板的距離來表示）。計算表明，通過3 m高度填充混凝土的有效傳遞，鋼面板應力由150 MPa左右的高應力狀態，逐漸過渡到30 MPa左右的低應力狀態，而填充混凝土應力由無應力狀態逐漸增加至8.5 MPa（最大值）的壓應力狀態。

圖7 拱肋過渡段鋼面板應力變化曲線

圖8 拱肋過渡段填充混凝土應力變化曲線

4.3 拱座混凝土應力狀態分析結果

圖9和圖10所示分別為有限元分析得到的在最不利荷載作用下混凝土拱座及鋼拱座填充混凝土端板下0.2 m處的主壓應力及主拉應力分布云圖。從圖中可以看出，通過鋼-混凝土過渡段填充混凝土及端板的傳力擴散后，端板下拱座混凝土處于比較均勻、合理的應力狀態，主壓應力基本在4～9 MPa，最大主拉應力基本在1 MPa左右。

圖9 拱座混凝土主壓應力分布云圖（單位：kPa）

圖10 拱座混凝土主拉應力分布云圖（單位：kPa）

4.4 焊釘剪力及其非線性影響

在最不利受力狀態下，不考慮焊釘非線性影響時，焊釘最大剪力為119 kN，平均為20 kN。考慮焊釘非線性影響后，焊釘最大剪力為97 kN，位于拱肋填充混凝土頂部位置，但從第三排開始，非線性引起的焊釘剪力變化小于5 kN，在過渡段中部起非線性對焊釘剪力基本無影響。

5 模型試驗研究

5.1 局部試驗模型

為進一步研究及驗證組合拱座的受力性能，選取鋼-混凝土過渡段中板以下范圍進行了局部模型試驗（見圖5）。模型縮尺比例為1∶2，試件高4 040 mm、長2 240 mm、寬1 300 mm。

5.2 試驗加載及測試儀器布置

試驗采用自平衡加載系統進行加載，即在互為平衡的反力架間采用千斤頂進行加載。試件混凝土底部靠住自平衡反力架的一端，在試件鋼箱頂部與反力架的另一端間安放千斤頂和分配梁，采用千斤頂偏心加載來模擬實際結構中的軸向力和彎矩作用。試驗逐級加載至1.7倍設計荷載，最大加載噸位為7 868 kN。

試驗測試儀器布置如下：在端板下緣混凝土及過渡段填充混凝土內預埋混凝土埋入式應變計，以測試混凝土內部豎向應力狀態；在拱肋過渡段鋼面板及中縱隔板上布置應變片，分析作用力傳遞的狀態；在拱肋過渡段填充混凝土頂部與鋼拱肋面板間設置位移計，測試試件整體豎向變形；在焊釘位置的鋼與混凝土上布置埋入式應變計，以測試焊釘位置的鋼-混凝土相對滑移情況。試驗共布置84個混凝土埋入式應變計及93個應變片。

5.3 主要試驗結果

圖11和圖12所示分別為端板以上1.35 m處鋼腹板平均應力及端板以下0.3 m處混凝土平均應力實測與計算對比曲線。從圖中可以看出，隨著荷載的增加，鋼腹板豎向應力及端板下混凝土應力呈線性平緩增加，基本處于彈性受力狀態，理論計算與試驗結果吻合良好，鋼板及混凝土平均應力均處于較合理水平。圖13和圖14所示分別為P=7 868 kN加載工況下，鋼腹板豎向平均應力分布曲線及鋼-混凝土截面內力分配比例沿豎向變化曲線。從圖中可以看出，自上而下鋼腹板由100 MPa左右的高應力狀態逐漸降至25 MPa左右的低應力狀態；鋼板荷載承擔比例逐漸由100%降至40%左右，剩余40%荷載由端板承擔。說明按有格室前承壓板方式布置的組合拱座，端板在避免鋼板鋒利截面直接接觸混凝土結構的同時，可承擔約40%的荷載，起到了較好的傳力作用。