某長江公路大橋節段模型塔柱—鋼橫梁結合面接觸分析

■魏 磊，李 茜，張閃閃 ■.青島理工大學，山東 青島 66033；.交通運輸部公路科學研究院，北京 00088

斜拉橋索塔錨固區是斜拉橋中的關鍵部位，該區域受力狀態復雜，是斜拉橋設計、施工的重點和難點［1-2］。索塔錨固區的鋼混結合面是索力安全可靠傳遞至橋塔的基礎，是將鋼材的高應力通過局部構造過渡到混凝土的設計允許應力范圍內，以保證錨固區鋼結構與混凝土塔柱共同受力［3］；而鋼混結合面有效傳力的基礎取決于在加載過程中結合面二者是否緊密接觸。本文中的索塔錨固區采用的是一種較為新穎的錨固形式，斜拉索分組錨固于鋼橫梁橫隔板之間的錨固構造內，形成索塔體外錨固體系，我們稱之為分組集聚式索塔錨固。鑒于該錨固方式較為新穎，在巨大的斜拉索索力作用下，鋼橫梁與橋塔是否緊密接觸有待進一步的分析探究。

1 工程概況

某長江公路大橋主橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋結構，大橋通航孔橋橫向為雙六車道，橋面寬36.5m。鋼橫梁采用箱形結構形式，高7.0m，順橋向寬5.5m，設置于凈距為7.0m的兩個塔柱之間。鋼橫梁通過高強度螺桿及剪力釘與混凝土塔柱牢固連接，選取第6道鋼橫梁，并截取距鋼橫梁上、下底邊緣10米的上、下端塔柱區域按1：6比例縮尺。

2 結合面接觸研究

2.1 研究方法

為保證結構安全，探究鋼橫梁與混凝土塔柱結合面在1.7倍設計荷載作用下是否始終緊密接觸，在塔柱與鋼橫梁間建立接觸單元，模擬混凝土塔柱與鋼橫梁承壓板結合面間的接觸關系，通過對節段模型進行有限元分析，主要分析有如下兩點：①正應力考慮：考察塔柱-鋼橫梁結合面不同位置處所受正應力，驗證在預應力錨桿作用下塔柱-鋼橫梁未分離；②剪應力考慮：考察塔柱-鋼橫梁結合面不同位置處剪應力的分布，驗證摩擦力承擔外力的可靠性，證實塔柱與鋼橫梁始終保持緊密接觸。

節段模型在1.7倍設計荷載時的荷載名稱及大小具體為：索力972kN，邊界力 F1、F2分別為 323kN、1471kN，軸力 6533kN，預緊力6425kN。

2.2 有限元模型建立

為掌握鋼橫梁與混凝土塔柱結合面的接觸狀態，利用ABAQUS軟件進行節段模型鋼混結合面的接觸分析。模型主要由上、下混凝土塔柱、反力墻、鋼橫梁四部分構成，如圖1所示，在有限元模型中以混凝土塔柱面為主面，鋼橫梁承壓板為從面，主從面之間采用“硬”接觸，切向力采用庫倫摩擦模型［4］；水平方向為Y軸，豎直方向為Z軸，垂直于YZ平面為X軸。

上、下混凝土塔柱、反力墻均采用實體單元，鋼橫梁采用殼單元，連接鋼橫梁與塔柱間的高強度螺桿采用梁單元，十字墻和墊梁與地面完全固接；上塔柱與反力墻固結，下塔柱與反力墻可滑動，計算材料為線彈性材料，材料屬性具體為：混凝土C50，彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比 υ=0.2；鋼板 Q370，E=2.06×105MPa，泊松比 υ=0.3；鋼筋 Q370，E=2.06×105MPa，泊松比υ=0.3。

圖1 有限元模型

3 接觸結果分析

3.1 正應力分析

選取上塔柱與鋼橫梁承壓板的結合面為研究對象，分析塔柱-鋼橫梁結合面在1.7倍設計荷載時S33方向上的應力。

圖2 塔柱-鋼橫梁結合面應力云圖

從圖2結合面應力云圖可以看出，1.7倍設計荷載時結合面正應力分布不均勻，呈現出一端大，一端小，這是由于塔柱兩端邊界力F1、F2大小不對等所造成的；同時結合面的混凝土最大壓應力為9.985MPa，滿足C50混凝土局部抗壓的應力要求。另外，塔柱-鋼橫梁結合面在整個Z方向的應力值均為負值，即結合面處于受壓狀態，說明鋼橫梁承壓板與混凝土塔柱之間沒有縫隙，緊密接觸，反之結合面在Z方向上的應力不可能全部為負值。因此說明塔柱和鋼橫梁在預應力錨桿作用下始終不分離，保證了結合處的安全性。

3.2 剪應力分析

為驗證鋼橫梁-混凝土塔柱始終緊密連接，分析塔柱-鋼橫梁結合面在1.7倍設計荷載時τyz分布。從圖3結合面的S23剪應力云圖可以看出，塔柱與鋼橫梁結合面剪應力沿高度方向呈下降趨勢，靠近鋼橫梁底板側的剪應力大、頂板側剪應力小。

當非線性接觸產生的摩擦力平衡了結合面的剪力，在很大程度上削弱了結合面剪力的作用效果，降低甚至取消了結合面發生相對滑移的可能性，從而使得結合面始終保持緊密接觸，驗證了摩擦力承擔外力的可靠性。

圖3 塔柱-鋼橫梁結合面剪應力云圖

從結合面剪應力云圖可以看出，塔柱和鋼橫梁承壓板結合面的最大剪應力大為2.15MPa。根據文獻［5］鋼-混接觸面的摩擦因數μ取值為0.57，鋼橫梁承壓板與塔柱結合面的摩擦合力為4684.8kN，而結合面的總剪力（接觸面的平均剪應力按最大剪應力取值）在占該面摩擦力的63.4%，可見摩擦力完全承擔了接觸面剪力的傳遞，使得剪力對結合面的作用效果消失，驗證了摩擦力承擔外力的可靠性，進一步說明1.7倍設計荷載作用下，塔柱-鋼橫梁結合面始終保持緊密接觸，不發生分離。

4 結論

（1）1.7倍設計荷載時結合面混凝土的最大壓應力滿足C50混凝土局部抗壓的應力要求；混凝土塔柱與鋼橫梁承壓板結合面始終處于受壓狀態，塔柱與鋼橫梁始終不分離。

（2）1.7倍設計荷載時結合面的總剪力占該面摩擦力的63.4%，說明摩擦力完全承擔了結合面剪力的傳遞，塔柱-鋼橫梁結合面始終保持緊密接觸，不發生分離。

［1］劉釗，孟少平，劉智.潤揚大橋北汊斜拉橋索塔節段足尺模型試驗研究［J］.土木工程學報，2004，7（6）：35-40.

［2］蘇慶田，曾明根，吳沖.上海長江大橋索塔鋼錨箱模型試驗研究［J］.工程力學，2008，25（10）：126-132.

［3］李斐然.自錨式纜索承重橋梁鋼混結合部接觸面應力分析［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2012，36（5）：980-983.

［4］陳琦.鋼-混凝土混合梁接合面受力分析［J］.福州大學學報（自然科學版），2013，41（4）：796-800.

［5］張煜，阮欣，石雪飛等.斜拉橋鋼-混錨板式索梁錨固區摩擦效應分析［J］.中南大學學報，2013，44（7）：2982-2988.