鋼板組合梁斜拉橋塔梁固結構造空間受力分析

郝 翠， 曹新壘

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

塔梁固接構造是斜拉橋設計的難點之一，該位置橋塔需承受拉索傳遞的豎向力和不均衡水平力造成的彎矩，主梁需要承受巨大的軸向力和彎矩，同時承擔由汽車偏載引起的扭矩作用[1，2]。近年來，隨著橋梁工業化的發展，涌現一批鋼混組合橋梁結構[3]，鋼混組合結構之間連接可靠性研究也取得了重大進展[4]。

本文以某山區高速公路中跨徑為(48+80+40)m的鋼板組合梁斜拉橋為工程背景，如圖1所示，對鋼板組合梁與混凝土橋塔間的固接構造進行研究。

圖1 主橋橋型布置圖

1 工程概況

某山區高速公路鋼板組合梁低塔斜拉橋分幅布置，其跨徑組合為(48+80+40)m，單幅橋寬12.25 m，如圖2所示。主梁采用雙工字鋼板組合梁，鋼主梁高1.5 m，塔梁固結處變化至2.0 m，鋼主梁與橋面板間通過剪力釘連接。主塔為混凝土結構，塔梁固結處橫梁最小高度為2.1 m。

圖2 主橋標準橫斷面圖

2 塔梁固接構造設計

由于主梁與主塔材料的不同，塔梁固結構造設計應確保鋼材與混凝土之間有效連接，以共同受力。主梁縱橋向還應采取合理的加勁構造，確保其剛度平順過渡。

本工程采用的塔梁固結構造為：鋼主梁連續穿過橋塔橫梁，并在鋼主梁腹板、頂板下緣及底板上、下緣焊接剪力釘。腹板兩側剪力釘布置為Φ22×200@200 mm，翼緣剪力釘布置為Φ22×150@300 mm。本工程塔梁固結構造，如圖3所示，其加勁構造為：腹板豎向間隔布置4道縱向加勁肋N1、N2，間距為400 mm。為進一步改善塔梁固結處的受力情況，緊鄰橋塔橫梁外側，在腹板兩側焊接豎向加勁鋼板N3，N3上焊接剪力釘且延縱橋向布設預應力高強精軋螺紋粗鋼筋H1。橋面板與混凝土塔橫梁間設置倒角，剛度平順過渡。

圖3 塔梁固結構造示意圖

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型

塔梁固結區域結構受力復雜，采用大型通用有限元計算軟件ANSYS，建立了小樁號橋塔及主梁0#、1#、2#節段的局部分析模型，如圖4所示。

圖4 局部分析模型示意圖

模型總長度為39 m，其中混凝土橋面板、橋塔及其上橫梁采用SOLID45單元模擬，鋼主梁、鋼橫梁及塔梁固結構造加勁肋采用SHELL63單元模擬。鋼主梁和混凝土橋面板之間采用共節點連接。橋塔上橫梁中的預應力鋼束采用實體力筋法模擬，預應力鋼束采用LINK8單元模擬，與混凝土單元之間通過約束方程法耦合，預應力荷載通過降溫法施加。鋼結構材料為Q345qD，混凝土材料為C50。

3.2 邊界條件及加載荷載

局部分析模型在橋塔底部、頂部及主梁的兩端建立虛梁。虛梁長10 cm，采用BEAM4單元模擬。模型中將虛梁的彈性模量擴大10倍，以模擬剛臂作用。虛梁與端部對應節點通過建立約束方程生成剛性區，實現連接。橋塔底部按固結處理，其余剛臂處按照從MIDAS Civil整體模型中提取的對應截面內力，施加對應工況的力邊界，以使局部模型的受力狀態接近真實情況。根據圣維南原理，這種處理方式對于距離該力系作用足夠遠處的受力狀態將不會產生較大影響。

分析模型中未建立拉索單元，通過從整體計算模型中提取相應荷載工況的拉索內力并施加到對應節點的方式，以模擬局部分析模型受到的索力作用。局部分析時考慮結構自重、二期恒載和汽車荷載的作用。通過在MIDAS Civil整體計算模型中采用移動荷載追蹤器功能，追蹤塔梁固結區域鋼主梁單元產生最大負彎矩時的汽車荷載的布置方式，并據此在ANSYS局部分析模型中進行加載相對應的汽車荷載。

3.3 計算結果及分析

3.3.1 橋面板及橋塔應力計算及分析

正常使用極限狀態頻遇組合下混凝土橋面板及橋塔縱橋向應力分布如圖5所示。從圖5中可以看出，除拉索作用點及邊界處部分應力集中區域以外，縱橋向總體應力水平在-6.0 MPa～2.0 MPa。在橋面板與橋塔上橫梁連接處，橋面板上緣出現了約2.0 MPa的拉應力，下緣出現了約-6.0 MPa的壓應力，這與該處剛度突變存在一定關系。

圖5 橋面板及橋塔縱橋向應力分布圖(單位：Pa)

圖6為橋面板與橋塔上橫梁間不設置倒角時的應力分布，橋面板上緣出現了約3.0 MPa的拉應力，下緣壓應力為-5.89 MPa,說明橋面板加腋對于此處拉應力有一定的改善作用。

圖6 橋面板不加腋時上緣應力分布圖(單位：Pa)

圖7為不考慮橫梁預應力作用下橋面板及橋塔縱橋向應力分布，橋面板上緣拉應力約為1.0 MPa，說明此處拉應力的存在還與橫梁預應力鋼束形成的擠壓作用有關。

圖7 不計橫梁預應力作用時上緣應力分布圖(單位：Pa)

正常使用極限狀態頻遇組合下混凝土橋面板及橋塔橫橋向應力分布如圖8所示。從圖8可以看出，橫向總體應力水平大致在-7.33 MPa～0.67 MPa，除拉索作用點處以外，基本未出現拉應力。

3.3.2 鋼主梁及鋼橫梁應力計算及分析

承載能力極限狀態基本組合下，鋼主梁及鋼橫梁等效應力如圖9所示。從圖9可以看出，鋼梁上翼緣由于與橋面板共節點連接，應力水平較小。鋼橫梁的最大應力約為124 MPa，發生在車道荷載集中荷載Pk作用處對應的橫梁下翼緣。鋼主梁在高度變化處及與橋塔上橫梁結合處出現了應力集中，鋼混結合處的最大應力約245 MPa，滿足設計要求。除應力集中處以外，鋼主梁應力水平基本在137 MPa以下。

圖8 橋面板及橋塔橫橋向應力分布圖(單位：Pa)

圖9 鋼梁等效應力分布(單位：Pa)

4 結 論

本文介紹了一種鋼板組合梁斜拉橋塔梁固結構造，通過建立有限元模型，計算分析了墩梁固結區域混凝土橋面板、橋塔及其橫梁、鋼主梁及鋼橫梁等的受力特點，得出以下結論：

(1)橋面板與橋塔橫梁交接處，由于剛度變化及橋塔橫梁預應力的擠壓作用，橋面板上緣出現應力集中。該處應設置倒角，以使剛度過渡平順，且鋼筋配置應考慮該拉應力的影響。

(2) 鋼主梁在鋼混結合面處出現了局部的應力集中，通過設置墩梁固結構造的加勁構造可以緩解該處應力集中。

(3)該構造傳力路徑清晰，加工制造難度小，為鋼板組合梁斜拉橋塔梁固結體系構造提供了一種解決方案。