徽水河大橋塔梁結合段構造優化研究

馮 鈺

(中鐵二十一局集團第三工程有限公司 陜西咸陽 712000)

1 引言

斜拉橋以其合理的結構體系、良好的受力性能、優越的跨越能力得到了廣泛應用。近年來，隨著斜拉橋建造技術和應用范圍的拓展，其在中小跨徑橋梁中的應用也不斷增多[1－2]。

鋼板組合梁斜拉橋是斜拉橋常用的主梁結構形式之一，采用鋼板組合梁作為主梁，適于工業化建造，經濟指標良好。在跨徑相對較小時，主梁與橋塔之間往往采取固結連接，塔梁固結區域的構造給橋梁設計及施工帶來了一定的難度[3－4]。

組合梁主梁與橋塔的固結處是影響全橋安全的關鍵局部，橋塔塔柱、橫梁、組合梁主梁等多個構件在此處交匯，其空間受力和局部構造均較為復雜，屬于典型的應力擾動區[5－7]。從剛度相對較小的主梁過渡到剛度較大的橋塔固結區，存在明顯的剛度突變，如果局部構造不合理，可能會出現局部應力集中，影響結構安全，因此基于精細化分析開展塔梁結合段構造優化對于保障結構安全意義重大[8－10]。

由于塔梁固結區復雜的構造和空間受力需求，一般需要配置較多的普通鋼筋、預應力鋼束等，為保證鋼梁與混凝土橋塔之間的連接性能還需要設置剪力連接件以及其他加勁措施，局部的鋼筋、預埋件、加勁鋼板等各種構造細節較多，位置復雜，傳統的平面設計往往難以全面考慮，從而在施工時出現空間位置沖突，影響結合段的順利施工[11－12]。故而從施工便利性角度考慮，也很有必要結合三維可視化方法對塔梁結合段的局部構造細節進行模擬和檢查，對復雜的連接構造進行優化和避讓，改善塔梁固結區可施工性，提高結合段施工質量和效率。

本文依托蕪黃高速徽水河大橋，從受力需求和施工便利性的角度對塔梁結合段的構造進行優化研究。

2 依托工程概況

徽水河大橋是安徽省S11蕪湖至黃山高速公路跨越徽水河和G205的控制性工程。橋位處路線采用分離式路基，其中左幅中心樁號為ZK85＋557，右幅中心樁號為YK85＋563。大橋于安徽省旌德縣三溪鎮中跨跨越徽水河，邊跨跨越現有G205國道，橋梁小里程側為大開挖路塹，大里程側與太山1號隧道相接，建設條件較為復雜。左幅跨徑布置為(48＋80＋40)m，右幅跨徑布置為(48＋80＋40)m＋30 m。主橋采用低塔柔性體系鋼板組合梁斜拉橋，右幅引橋為單跨雙主梁鋼板組合梁橋，橋梁總體布置見圖1。

圖1 左幅總體布置(單位:m)

塔柱采用外傾H型塔柱，1＃橋塔設置5對拉索，2＃橋塔設置4對拉索。拉索采用鋼絞線拉索，在橋塔內通過夾持型鞍座進行錨固，在梁端通過外掛鋼錨箱錨固。

主梁標準斷面見圖2，單幅橋梁總寬度為12.25 m，主梁采用雙邊鋼板組合梁結構。鋼縱梁為工字型斷面，橫向間距為11.75 m，鋼縱梁高度為1.5 m，鋼縱梁上翼緣寬度為0.5 m，下翼緣寬度為0.8 m。鋼縱梁之間通過工字型鋼橫梁連接，在鋼縱梁和鋼橫梁頂部設置0.25 m厚的預制鋼筋混凝土橋面，組成雙邊工字型鋼板組合梁。

圖2 主梁標準斷面(單位:cm)

3 基于受力性能的構造優化分析

3.1 分析方法

采用大型通用有限元計算軟件Ansys建立了塔根3個節段的局部模型，總長為39 m。鋼梁和混凝土橋面板之間采用共節點處理，預應力筋單元為LINK8單元，與混凝土單元之間通過約束方程法耦合，預應力荷載采用降溫法施加。局部分析模型見圖3。

圖3 塔梁結合段局部分析模型

為模擬局部模型邊界條件，橋塔底部按固結處理，在塔柱頂部、模型左端和右端分別采用BEAM4單元建立剛臂，剛臂處施加從全橋桿系計算模型中提取的對應截面內力，以使局部模型受力狀態接近真實情況。

3.2 塔梁結合段受力性能分析

原結合段構造設計方案中，鋼梁與橋塔結合面設有橫橋向通長的加勁鋼板，鋼主梁僅腹板穿過橋塔，通過加勁鋼板上布置的預應力鋼束及鋼梁腹板上設置的剪力釘實現與橋塔連接。

分析結果見圖4，鋼主梁下緣在塔梁結合處出現了局部應力集中，最大應力水平約216 MPa，局部角點應力峰值達到277 MPa。加勁鋼板總體應力較小，在31.5～62.2 MPa之間。

圖4 鋼主梁Mises應力云圖(單位:MPa)

混凝土橋面板總體縱向應力水平在－5.89～3.0 MPa之間。在橋面板與橋塔上橫梁連接處，由于未設置倒角，應力過渡不平順，橋面板上緣出現了約3 MPa的拉應力。

3.3 構造優化及優化后效果對比

根據受力特點對其構造進行優化，在橋面板懸臂根部與橋塔連接處增設(0.5×0.5)m加腋；將橫向通長的加勁鋼板縮減范圍，僅在兩道鋼主梁與橋塔結合處設置，寬度均為1.1 m，同時在加勁鋼板與鋼主梁腹板之間增設水平加勁肋；鋼主梁全斷面穿過塔身。

優化后，應力集中現象得到了有效控制，固結區域鋼梁下緣最大應力減小至110 MPa，僅在鋼主梁變高處還有局部集中，應力水平在191 MPa內。增設倒角后，橋面板上緣拉應力降低到了1.2 MPa，應力過渡更為平順，見圖5。優化后的塔梁固結區受力狀況良好，能滿足橋梁使用安全和耐久的要求。

圖5 優化后混凝土橋面板縱向應力云圖(單位:MPa)

優化前后關鍵位置的應力變換對比情況見圖6。由圖6可知，鋼梁的平均應力和應力極值點均有明顯改善，且應力均控制在合理的范圍內。混凝土橋面板的拉應力有大幅改善，其最大拉應力控制在混凝的抗拉設計強度范圍內。

圖6 優化效果對比

4 基于BIM的可施工性細節優化

4.1 施工難題與優化思路

徽水河大橋橋塔為外傾式塔柱，主梁與橫梁、塔柱在該區域內采用固結處理，塔柱、橫梁及鋼縱梁連為一體，構造非常復雜，是大橋施工過程的關鍵節點，也是施工過程需要解決的重要難題。在結合段區域存在明顯的位置沖突包括:鋼梁翼緣與橋塔的豎向主筋出現位置沖突；橫梁的主筋、預應力筋于腹板位置沖突；結合段內縱向精軋螺紋鋼筋與部分橋塔主筋位置重疊；橫梁內的橫向預應力及主筋與橋塔主筋位置沖突。這些位置沖突都是影響塔梁結合段正常施工的難題，且在前期設計未做充分考慮。

為了提高結合段施工質量，避免發生傳統施工現場割補現象，施工前采用BIM模型對主要構件的空間位置進行校驗。并在此基礎上，結合受力分析確定避讓原則，對結合段的構造進行優化，提高現場施工效率，提升塔梁結合段的品質。

4.2 結合段施工BIM細節模擬及優化

結合受力分析優化結果，對塔梁固結區域建立BIM模型，在模型中準確模擬橋塔的豎向主筋、鋼縱梁、鋼橫梁、橫梁內主筋、預應力筋和箍筋，見圖7。通過BIM模擬發現鋼梁下翼緣與橋塔豎向鋼筋、橫梁主筋與橋塔主筋、預應力管道與鋼梁腹板均出現嚴重沖突。

圖7 塔梁結合段模型及施工現場

由于主梁在結合段范圍的正應力通過端板以受壓方式錨固在橫梁中，因此節段內主梁的剛度略有降低，但對其總體受力影響較小。橋塔范圍內布置精軋螺紋鋼筋的目的是均勻地將鋼梁與混凝土橫梁壓緊，因此在保障均勻性的前提下，位置可略作調整。

基于上述原則對結合段構造完成以下優化:(1)塔橋主筋與鋼梁下翼緣沖突時，在鋼梁下翼緣開孔，為橋塔主筋安裝預留空間；(2)調整橫向預應力避讓橋塔豎向主筋，優化其位置，并在優化后的位置處對鋼梁腹板開孔，預留管道位置；(3)保持橫梁主筋連續，于鋼梁腹板下方橫梁主筋對應位置開孔，形成PBL鍵效應，提高鋼梁和混凝土的整體性；(4)縱向精軋螺紋鋼筋位置調整避開橋塔豎向鋼筋，在調整后位置于鋼梁端板進行開孔。

通過優化，形成了滿足施工的合理構造，確定了鋼梁的開孔位置，保障了開孔質量與精度。在現場安裝時只需按照模擬分析得到的工序直接安裝即可，避免了現場出現位置沖突。

5 結束語

以徽水河大橋為依托，從受力性能需要和施工便利性角度對塔梁結合段的合理構造進行優化研究，得到以下結論:

(1)利用Ansys有限元模型分析徽水河大橋塔梁固結段的受力狀態，并針對應力局部集中的問題提出了合理的優化措施，通過增加加勁的方式減低應力集中，并降低了混凝土的拉應力。

(2)優化后的塔梁固結段的應力集中現象得到有效控制，固結區域鋼梁下緣最大應力減小至110 MPa，在變高處最大應力控制在191 MPa以下。增設倒角后，橋面板拉應力降低至1.2 MPa，小于混凝土抗拉設計強度，滿足了橋梁使用安全和耐久性要求。

(3)利用BIM模型對徽水河大橋塔梁結合段內鋼梁、預應力筋、普通鋼筋的空間位置進行優化，以橋塔主筋、橫梁主筋及橫向預應力連續為原則，通過對重疊位置關系優化，對埋入橫梁和橋塔范圍內鋼梁腹板和下翼緣進行開孔放樣，形成了施工便利的合理構造。

(4)優化得到的塔梁結合段構造是一種簡潔合理的構造形式，可以在類似斜拉橋中應用，基于BIM的優化方法可為其他復雜構造可施工性優化提供參考。