空間曲線型索塔受力復雜區鋼混結合段仿真分析

韓建南 張海波 吳桐

摘要 環湖線花山大橋位于高淳區南側固城湖中連接兩岸，主橋為“揚帆起航”斜拉橋，采用主跨（100+50+100）m的單柱式拱塔鋼箱梁斜拉橋，主塔采用斜靠式 “心”型拱塔結構。下部結構橋墩采用圓柱墩，承臺為矩形承臺。由于結構造型需求，結構異形化程度較高，空間曲線型索塔受力較復雜，而索塔作為將橋梁結構傳遞至基礎的重要結構，其受力安全尤為關鍵，文章以花山特大橋主橋整體分析為基礎，對相應的下拱塔受力復雜區進行鋼混結合段設計，并對鋼混結合段進行局部應力分析，為類似的橋梁設計提供參考。

關鍵詞 索塔;受力復雜區;鋼混結合段;仿真分析

中圖分類號 U448.27;U443.38 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0109-04

0 引言

伴隨著斜拉橋的發展，人們對景觀要求越來越高，美觀的外形同時也具有結構受力復雜的特點。傳統的混凝土結構常常難以滿足橋梁結構造型需要。鋼混組合結構應用越來越廣泛[1]。

而鋼混結合段作為鋼結構與混凝土的結合部位，受力復雜，限制因素較多，常規分析較難解釋清楚其復雜的受力現狀。花山大橋下拱圈的鋼混結合段軸線為空間樣條曲線，其受力更加復雜，工程經驗尚不豐富，因此結合該項目情況，對空間曲線型索塔受力復雜區鋼混結合段進行分析，為該結構形式的進一步設計提供借鑒。

1 概述

1.1 項目概況

花山大橋為主跨（100+50+100）m的單柱式拱塔鋼箱梁斜拉橋，主塔采用斜靠式 “心”型拱塔結構，主塔基礎采用4個分體矩形承臺，每個承臺下采用9根直徑2.0 m鉆孔灌注樁。

1.2 結構設計

花山大橋索塔造型奇特，主塔形式按照景觀造型，立面為一側傾斜狀拱形塔。拱塔分上拱塔及下拱圈兩個部分，拱軸曲線為樣條曲線（如圖1）。

下拱圈為拱形結構，常規拱形結構最大的特點是在自重恒載和外荷載下主要受軸向壓力，彎矩和剪力很小，常見拱軸線一般為圓弧線、拋物線（如圖2）。

花山大橋下拱圈拱軸線為樣條曲線，并且由于花山大橋獨特的縱向不對稱索塔造型所產生的巨大水平力作用在橫梁上再傳遞到下拱圈，所以花山大橋下拱圈不同于常規拱形結構，其在巨大的軸力、剪力、彎矩共同作用下受力極為復雜（如圖3）。

但是橋塔鋼混結合段是索塔剛度過渡段，承受著很大的軸力和彎矩，鋼板和混凝土的受力機理不明確，應力復雜，必須建立鋼混結合段處局部三維有限元實體模型，分析其在荷載作用下的受力特性與應力分布情況[2]。

2 整體計算分析

2.1 全橋有限元分析

研究采用有限元軟件Midas/Civil 2020建立花山大橋空間有限元模型，全橋采用空間桿系單元模擬;主梁和橋塔采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元，斜拉索分別與橋塔、主梁采用彈性連接[3]。計算模型如圖4所示。

2.2 下拱圈混凝土結構與鋼-混組合結構受力對比

由圖5可知當下拱圈采用混凝土結構時最大拉應力為12.8 MPa，遠大于規范要求值，最大壓應力為20.5 MPa，滿足規范要求。

由圖6可知當下拱圈采用鋼-混組合結構時最大拉應力為134.6 MPa，鋼結構段最大壓應力為100.9 MPa，均滿足規范要求。

3 受力復雜區鋼混結合段設計及應力分析

3.1 下拱圈鋼混結合段結構設計

下拱鋼混結合段設計如圖7所示。

該分析主要從混凝土等級，承壓板及鋼塔壁厚度三個方面分析其對鋼混結合段受力影響，各部分構件參數如表1。

3.2 鋼混結合段受力分析

采用土木領域專用的仿真分析軟件Midas FEA NX建立花山大橋下拱圈鋼混結合段局部模型，如圖8所示。本次研究的花山大橋橫橋向為對稱結構，模型建立僅選擇38#號墩左幅下拱圈作為計算對象。模型包括混凝土拱塔、鋼混結合段、塔座、承臺、承壓鋼板、預應力鋼束等結構。鋼混結合段具體模型如圖8所示。

模型外力由整體計算結果讀取，通過換算成相應的集中力及彎矩作用于下拱圈結構。下拱圈鋼混結合段受力分析時不考慮樁土作用，故有限元模型中混凝土承臺底面樁頂區域采用固結約束[4]。

3.3 主要分析結果與分析

該文主要比較在不同因素影響下的承壓板、鋼塔壁、加勁肋三者的應力變化。

鋼混結合段局部應力分析結果如圖9、圖10、圖11所示。

（1）以鋼-混結合段有限元模型為基礎，以探究不同等級混凝土對鋼-混結合段各部位應力的影響。具體結果如表2。

由表2可知，隨著混凝土等級的提高，鋼混結合段承壓板、鋼塔壁、加勁肋的Mises應力逐步減小，混凝土等級的提高可以輕微改善承壓式鋼-混結合段的應力狀況，但其變化幅度極小。因為在鋼混結合段內混凝土屬于三向受壓狀態，混凝土強度得到提高，因此在滿足鋼混結合段以外的混凝土構件安全的基礎上，不必過度追求高等級混凝土。

（2）承壓板厚度對結合段的應力影響。以鋼-混結合段有限元模型為基礎，以探究不同厚度承壓鋼板對鋼-混結合段各部位應力的影響，具體結果如表3。

由表3可知隨著承壓板厚度的增加鋼混段承壓板的Mises應力減小幅度較大，而鋼塔壁和加勁肋的應力變化幅度很小，可以忽略。因此可適當增加承壓板厚度以達到減小承壓板應力的目的。

（3）鋼塔壁厚度對結合段的應力影響。以鋼-混結合段有限元模型為基礎，以探究不同厚度鋼塔壁對鋼-混結合段各部位應力的影響，具體結果如表4。

下面分別分析各部分的應力變化趨勢：

由表4可知，隨著鋼塔壁厚度的增加，鋼混結合段承壓板、加勁肋的Mises應力最大值逐步減小。鋼混段承壓板的Mises應力減小幅度較小，且具有較大富余值;鋼混段鋼塔壁的Mises應力減小幅度較大，但是通過篩選不同鋼塔壁厚度模型中鋼塔壁應力值大于120 MPa的單元，如圖12所示。由圖12發現鋼塔壁絕大部分單元的應力值在120 MPa以下，所以在滿足結構安全的情況下鋼塔壁無須過厚。由圖13可發現加勁肋絕大部分單元的應力值在100 MPa以下，鋼塔壁厚度對加勁肋應力分布影響較小。

3.4 總結

（1）混凝土等級的提高可以減小混凝土的最大主拉應力與最大主壓應力絕對值、承壓板及鋼塔壁、加勁肋的Mises應力，輕微改善承壓式鋼-混結合段的應力狀況，但其變化幅度極小，因此在滿足構件安全的基礎上，不必過度追求高等級混凝土。

（2）隨著承壓板不斷加厚，混凝土下拱圈的最大主拉應力與最大主壓應力絕對值、承壓板、鋼塔壁、加勁肋最大值均減小，可以改善鋼-混結合段的應力狀況，使鋼-混結合段更均勻流暢地傳遞鋼拱塔內力，對混凝土拱腳的受力也產生有利影響[5]。

（3）鋼塔壁厚度的增加可以減小混凝土的最大主拉應力與最大主壓應力絕對值、承壓板及鋼塔壁、加勁肋的Mises應力，但是變化幅度較小，增加鋼塔壁的厚度只能減小局部應力集中的受力情況，所以通過增加鋼塔壁厚度的方式并不經濟，在滿足構件安全的基礎上，不必設置過厚的鋼塔壁。

4 結語

分析空間曲線型索塔受力復雜區受力特征，通過比選采用鋼混組合結構解決了受巨大水平力和橫向彎矩作用下的拱形結構受力難題;并通過對混凝土等級、鋼塔壁厚度、承壓板厚度等因素分析，優化鋼混結合段結構設計參數，計算成果表明各構件處于彈性階段，滿足工程實際需求。在異形橋梁結構設計過程中，可根據橋梁結構特點，選擇合適的結構形式，滿足橋梁結構受力要求，并根據材料特性進行合適的模擬選型，此方法可為類似橋梁提供參考。此計算結果未考慮疲勞荷載作用，可進一步對該研究結果加入疲勞荷載作用，檢驗材料的可靠性。

參考文獻

[1]李翠霞.武漢鸚鵡洲長江大橋橋塔設計[J].橋梁建設，

2014（5）：94-98.

[2]崔冰，趙燦輝，董萌，等.南京長江第三大橋主塔鋼混結合段設計[J].公路，2009（5）：100-107.

[3]崔斌，曾文彬，韓建南.“心型索塔”斜拉橋縱向水平力傳遞設計方法研究[J].工程與建設，2019（6）：878-880.

[4]張喜剛，吳文明，劉高.無格室-承壓板鋼-混凝土結合部力學模型及簡化計算方法[J].公路交通科技，2013（10）：

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[5]張勇.南京長江第三大橋橋塔鋼混結合段結構特性研究[D].成都：西南交通大學，2005.