跨海斜拉橋異形橋塔塔底鋼混結(jié)合段受力研究

【中圖分類號(hào)】：U448.27 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）05-19-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.005

【Abstract】 ∵ In order to understand the mechanical properties of the key parts of the irregular pylon of the urban cablestayed bridge accurately，one certain 70 m+80 m+200 m+80 m+70 m cross-sea cable-stayed bridge with irregular pylon is takenas the background engineering。Through the detailed finite-element simulation analysis，the detailed stress distributionand rigidityof the steel-concrete composite sectionatthebotom of the irregular pylon is studied and analyzed，and the safety factorof the key partat the pylon base is obtained.

【Key words】： cable-stayed bridge；irregularpylon；bottom of the tower;；steel-concrete composite section

斜拉橋因突出的跨越能力、充滿張力的造型、易賦象征意義的橋塔，在跨海灣、跨及城市交通樞紐等重要節(jié)點(diǎn)應(yīng)用廣泛；滿足交通功能的同時(shí)，也作為高聳建筑融入城市景觀，成為城市形象的組成部分。橋塔作為斜拉橋核心承重構(gòu)件和建筑元素，決定斜拉橋安全和建筑形象。隨著建設(shè)理念的更新，橋塔的建筑形式突破常規(guī)的H形、A形、鉆石形、倒Y形，鋼-混結(jié)合的構(gòu)造結(jié)合鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)且對(duì)橋塔造型具有較高的適應(yīng)性，在日益創(chuàng)新的主塔設(shè)計(jì)中得到越來越多的應(yīng)用。學(xué)者們陸續(xù)開展針對(duì)塔柱鋼-混結(jié)合段的多項(xiàng)研究。司秀勇等以綿陽(yáng)城南新區(qū)1號(hào)橋鋼混結(jié)合段為背景，設(shè)計(jì)縮尺模型加載試驗(yàn)，研究PBL鍵作用下鋼混結(jié)合段的整體性；黃僑等2結(jié)合工程實(shí)踐，研究斜拉橋鋼橋塔端承壓式鋼-混凝土結(jié)合段的構(gòu)造特點(diǎn)及傳力機(jī)理；孫智韜以雙溪鋪大橋橋塔為背景，通過節(jié)段仿真分析和試驗(yàn)研究，研究結(jié)合段受力性能和板件應(yīng)力分布規(guī)律及剪力釘?shù)募魬?yīng)力分布特征；杜程以某大跨斜拉橋索塔的鋼-混結(jié)合段為研究對(duì)象，通過數(shù)值方法，研究鋼-混結(jié)合段的適用位置及鋼與混凝土結(jié)構(gòu)、焊釘剪力件的受力狀態(tài)；曹永睿等以某在建 2×130m 獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔ㄟ^空間有限元分析，得出結(jié)合段處鋼和混凝土塔柱間的應(yīng)力傳遞情況和分布規(guī)律。

已有研究多為常規(guī)塔形，塔柱截面較為規(guī)則且結(jié)合段多處于軸壓為主的中塔柱，研究?jī)?nèi)容包括鋼混結(jié)合段的錨固構(gòu)造、剪力鍵的設(shè)計(jì)與受力特性、鋼板與混凝土部分的壓力分配及整體的應(yīng)力分布等，對(duì)其剛度特點(diǎn)的研究基本處于空白；隨著鋼塔型式和受力的日益多變，出現(xiàn)越來越多在主塔底部應(yīng)用鋼-混結(jié)合段的實(shí)踐案例且結(jié)合段的截面越來越復(fù)雜，承受較復(fù)雜的彎剪內(nèi)力，針對(duì)此種應(yīng)用的鋼-混結(jié)合段力學(xué)特性的研究較少，缺少可參考的成果。

為研究復(fù)雜鋼混結(jié)合段在斜拉橋主塔底部的適用性與力學(xué)特性，本文以海口市如意島跨海斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯匡L(fēng)帆形橋塔塔底鋼混結(jié)合段的構(gòu)造和力學(xué)特性，通過對(duì)塔底鋼混結(jié)合段的實(shí)體有限元仿真分析，得出其應(yīng)力分布及剛度特點(diǎn)。

1工程概況

1.1總體設(shè)計(jì)

海口市如意島跨海大橋主橋?yàn)?70m+80m+200 m+80m+70m 的雙塔斜拉橋，采用半漂浮體系，主橋設(shè)2個(gè)外傾“風(fēng)帆\"形橋塔。見圖1。

圖1如意島跨海大橋

主跨內(nèi)采用扇形索面布置，每個(gè)橋塔9組，塔上豎直索距 1.8m ，梁上順橋向索距 9m ，最長(zhǎng)索長(zhǎng) 141m 。背跨設(shè)1組（4對(duì)）平行索。見圖2。

圖2主跨立面

主梁為雙箱雙室鋼箱梁，梁高 3.5m ，兩側(cè)設(shè)有風(fēng)嘴。基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，樁徑 2m ，墩柱采用V形墩設(shè)計(jì)。

海上引橋分幅設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為 4×50m ，上部采用 2.8m 高預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，南北兩側(cè)引橋長(zhǎng)分別為 1950.2180m 。下部結(jié)構(gòu)均由鉆孔灌注樁 + 承臺(tái)構(gòu)成，墩柱采用與主橋匹配的Y形墩。

1.2橋塔及塔底方案

主橋主塔建筑方案為抽象的“風(fēng)帆”，由塔冠和結(jié)構(gòu)部分組成，總高 123.7m ，塔冠高 26.08m ，結(jié)構(gòu)部分高 97.647m 、橋面以上結(jié)構(gòu)高度 67.7m ，高跨比67.7/200=0.34 。主體采用鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)合風(fēng)帆造型，上塔柱自下而上由分離式雙柱在塔頂合并為整體，塔柱斷面為變截面梯形，寬度 2.5m ，高度 11.5～3.6m 線性變化。下塔柱總高 25.7m ，分離式雙肢從上到下逐漸收攏，形成倒三角形，塔柱斷面從上到下為線性加大的梯形截面，由 3m×4.5m 線性變化到 7.5m×3m 。見圖3。

圖3主塔構(gòu)造

塔底 5.5m 范圍內(nèi)采用鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)，內(nèi)部采用“回\"字形混凝土填充，塔壁上設(shè)變高加勁肋，內(nèi)部環(huán)向均勻布置豎向預(yù)應(yīng)力。見圖4和圖5。

圖4塔底布置

圖5橋塔底斷面

設(shè)計(jì)傳力路徑：下塔柱鋼板通過變高加勁板及錨下鋼板將力傳遞給預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束將力分散至結(jié)合段混凝土及承臺(tái)混凝土，以保證下塔柱鋼板基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力。初擬的下塔柱外鋼板及錨下鋼板板厚 42mm ，加勁板板厚 30mm ，承臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，結(jié)合段混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用每束 9?15.2mm 高強(qiáng)低松弛鋼絞線，邊跨側(cè)下塔柱布置35束，中跨側(cè)下塔柱布置34束，上端張拉，張拉控制應(yīng)力 1200MPa 。

2研究方法

為詳細(xì)研究塔底鋼混結(jié)合段安全性及剛度特點(diǎn)，擬采用整體 ⁺ 局部詳細(xì)有限元仿真模擬的方法對(duì)塔底進(jìn)行模擬與詳細(xì)的應(yīng)力、變形分析。

先通過整體模型計(jì)算分析得出正常使用極限狀態(tài)塔底座上部最不利荷載組合內(nèi)力，然后將此內(nèi)力作為塔座局部分析的外部荷載，單獨(dú)對(duì)塔底實(shí)體模型進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析，根據(jù)其結(jié)果總結(jié)塔底鋼混結(jié)合構(gòu)造的安全性與剛度。

2.1全橋整體與塔底局部模擬

整體模型計(jì)算采用midasCivil軟件，主梁、塔柱及承臺(tái)基礎(chǔ)采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元。見圖6。

塔底座詳細(xì)分析采用midasFEA，混凝土采用實(shí)體單元模擬，鋼板采用板單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼筋單元模擬，其中鋼筋單元可與穿過的實(shí)體單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)耦合，承臺(tái)底部按照固結(jié)模擬。見圖7。

圖7塔底詳細(xì)模型

整體模型共有節(jié)點(diǎn)2932個(gè)、單元2627個(gè)；局部 計(jì)算共有節(jié)點(diǎn)686811個(gè)，單元205280個(gè)。

2.2加載模擬

通過全橋模型在設(shè)計(jì)荷載下的有限元分析，得出塔底最不利荷載組合下的各單向內(nèi)力。見表1。

表1最不利荷載組合內(nèi)力

表1結(jié)果作為塔底詳細(xì)模型的外荷載，以集中荷載的方式對(duì)下塔柱實(shí)體模型進(jìn)行加載。根據(jù)圣維南原理，如下塔柱模擬范圍足夠大，則局部加載方式不會(huì)影響塔底受力及整體變形的表現(xiàn)。見圖8。

圖8局部分析模型加載

3分析結(jié)果

3.1塔壁鋼板應(yīng)力

塔壁鋼板最大拉應(yīng)力 100.61MPa ，最大壓應(yīng)力93.68MPa ，換算應(yīng)力 99.15MPa ，最大剪應(yīng)力55.6MPa 。鋼塔壁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在鋼塔壁與錨下鋼板及混凝土連接位置角點(diǎn)，應(yīng)力集中較明顯，結(jié)果偏大，其余位置拉應(yīng)力基本 lt;50MPa ，鋼混結(jié)合段鋼板以受壓為主。見圖9。

3.2混凝土應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力永留應(yīng)力

結(jié)合圣維南原理，扣除加載方式影響區(qū)域及計(jì)算誤差，塔底鋼混結(jié)合段在最不利加載作用下，混凝土極限拉應(yīng)力 2.14MPa ，出現(xiàn)在塔壁鋼板鈍角處附近混凝土位置，混凝土整體以受壓為主。見圖10。

圖10錨下及承臺(tái)混凝土應(yīng)力

在最不利加載作用下，塔柱鋼束永留拉應(yīng)力1036～1200MPa ，滿足預(yù)應(yīng)力使用要求。見圖11。

3.3位移計(jì)算結(jié)果

為對(duì)比分析塔底鋼混結(jié)合段的剛度特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)比計(jì)算整體模型與下塔柱實(shí)體詳細(xì)模型分別在最不利一致荷載作用下的位移結(jié)果，研究鋼混結(jié)合段的變形特征。

下塔柱實(shí)體模型在最不利荷載集中加載作用下結(jié)構(gòu)豎向最大位移 10.223mm ，見圖12。

為提高結(jié)果可靠度，對(duì)比分析全橋桿系有限元模型塔底變形，計(jì)算結(jié)果中下塔柱豎向變形30.718-20.493=10.225mm ，與實(shí)體模型結(jié)果一致。整體結(jié)果顯示鋼混結(jié)合段下塔柱剛度較大，可有效控制主塔變形。見圖13。

進(jìn)一步研究：

1）本研究未考慮塔壁加勁措施與剪力傳遞方式的影響，建議后續(xù)研究結(jié)合加勁板與剪力鍵的詳細(xì)模擬，進(jìn)一步開展鋼混結(jié)合段內(nèi)部加勁板與剪力鍵受力特點(diǎn)與優(yōu)化研究；

2）塔座應(yīng)力集中且許多案例塔底處于海洋浪濺區(qū)，建議后續(xù)結(jié)合該處鋼結(jié)構(gòu)腐蝕進(jìn)度，開展鋼混結(jié)合段下塔柱全周期安全性分析。

圖13整體位移計(jì)算結(jié)果

4結(jié)論及建議

1）鋼塔壁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在鋼塔壁與錨下鋼板及混凝土連接位置角點(diǎn)，進(jìn)入鋼混結(jié)合段鋼板基本受壓，鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)安全性可靠。

2）混凝土極限主拉應(yīng)力出現(xiàn)在塔壁鋼板鈍角處附近混凝土位置；混凝土應(yīng)力水平低于材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，應(yīng)力受壓為主，滿足預(yù)期，安全可靠。

3）全橋模型與下塔柱詳細(xì)模型變形結(jié)果一致，一方面可驗(yàn)證采用局部詳細(xì)模型研究關(guān)鍵部位的方法可靠，同時(shí)也說明鋼混結(jié)合段下塔柱剛度較大，可有效限制主塔變形。

受限于研究模式，關(guān)于異形橋塔下塔柱鋼混結(jié)合段構(gòu)造之研究仍有未盡之處，后續(xù)應(yīng)在以下方向展開

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