宁波明州大桥钢-混凝土组合拱座理论与模型试验研究

2016-05-05 01:27全军

城市道桥与防洪 2016年5期

关键词：模型试验

全军

（宁波通途投资开发有限公司，浙江宁波 315000）

宁波明州大桥钢-混凝土组合拱座理论与模型试验研究

全军

（宁波通途投资开发有限公司，浙江宁波 315000）

以宁波市明州大桥主跨450 m特大型中承式钢箱系杆拱桥为背景，研究探讨了钢-混凝土组合拱座在特大型钢拱桥中的应用，分析研究了钢－混凝土组合拱座的受力特性，并进行了模型试验，为今后同类型工程的设计与研究提供借鉴和参考。关键词：大跨度拱桥；拱座；钢-混凝土组合结构；模型试验

1 概述

宁波市明州大桥工程是宁波市东外环快速路跨越甬江的重要过江桥梁工程。大桥北岸位于镇海区勤勇村，南岸位于北仑区高棉村，桥位处甬江江面宽约400 m。大桥采用主跨450 m的中承式系杆拱桥一跨跨越甬江，南北主墩均布置在岸堤内。该特大型中承式钢箱系杆的拱座结构是连接中跨拱肋、边跨拱肋、大立柱、K撑和人字撑的重要节点，同时也是上部钢结构与下部混凝土承台和基础的重要连接节点。众多结构、众多力系均交汇于该节点中，结构受力及构造错综复杂。因此，研究采用安全可靠及适用耐久的拱座结构形式，分析其结构受力特性及传力机理，并进行严密的数值分析及模型试验验证是大桥设计必须加以解决的关键技术难题。

2 总体布置及拱座方案比选

2.1 总体布置

大桥为（100+450+100）m双肢钢箱拱肋的中承式系杆拱桥，主拱矢跨比f/L=1/5。桥梁按双向八车道标准建设，桥宽45.8 m，活载等级为城-A级。桥梁总体布置如图1所示。上、下肢拱肋均为全焊钢箱截面，横向倾斜度为1∶5，拱肋横向设置K撑和人字撑。主梁为正交异性桥面板全焊钢箱梁。主桥两边跨端横梁之间布置两组水平拉索，以平衡中跨拱肋的水平推力。

2.2 拱座方案比选

拱座结构主要有全混凝土拱座及全钢拱座。全混凝土拱座（见图2）由于拱脚处内力较大，且钢-混凝土结构部受力性能相对较弱，一般适用于跨度较小的拱桥结构。全钢拱座（见图3）的受力特点是采用钢结构直接平衡中跨拱肋、边跨拱肋的水平分力及弯矩，并通过底板及剪力件把竖向分力及少量的顺桥向不平衡荷载传递给混凝土承台。全钢拱座受力性能较好，但就本工程而言，其主要缺点是钢与混凝土结合面位于承台顶部位置，标高较低，钢结构的耐久性问题较为突出。且由于拱座处有大立柱、K撑、人字撑及承台顶部预应力混凝土横系梁交汇，采用全钢拱座后，空间钢结构节点构造及与预应力混凝土横系梁的关系处理复杂。

钢-混凝土组合拱座是一种新型的拱座结构形式，结构由顶部钢拱座及底部混凝土拱座组成（见图4）。中跨与边跨拱肋的大部分顺桥向水平分力直接通过钢拱座传递并相互平衡，垂直分力、不平衡的顺桥向水平分力及弯矩则由钢拱座底板、拱肋端板共同作用，传递至混凝土拱座，传力性能直接、可靠。K撑、人字撑通过预埋件连接到混凝土拱座，承台顶部预应力混凝土横系梁直接与混凝土拱座连接，避免了复杂的空间钢结构节点及钢结构与系梁内横向预应力束冲突等问题。由于钢拱座位于混凝土拱座之上，钢结构耐久性问题及遭受人为破坏的风险要大大低于全钢拱座。因此，经上述综合比选，明州大桥采用钢-混凝土组合拱座。

图1 桥梁总体布置图（单位：mm）

图2 全混凝土拱座示意图

图3 全钢拱座示意图

图4 钢-混凝土组合拱座示意图

3 钢-混凝土组合拱座构造

钢-混凝土组合拱座由上部钢拱座和下部混凝土拱座两部分组成，整体外形为不规则阶梯状棱台体。钢拱座为箱型结构，箱室宽3.5 m。钢拱座顶、底板厚50 mm，腹板厚40 mm，隔板厚16～25 mm。混凝土拱座为钢筋混凝土实体结构，混凝土强度等级C40。主墩两个混凝土拱座间横向设置预应力混凝土横系梁，以平衡拱脚处的横向分力。图5所示为拱肋过渡段钢-混凝土组合拱座布置图。

钢拱座顶板、腹板等纵向传力构件与拱肋上半部分的所有纵向传力构件均一一对应连接，有效传递并平衡中跨与边跨拱肋的大部分顺桥向水平分力。中跨、边跨拱肋的底板、下腹板荷载通过钢-混凝土过渡段较均匀地作用到混凝土拱座上。为增加钢拱座钢板的局部稳定性能，并使钢拱座与混凝土拱座两者的刚度相匹配，在钢拱座边箱内填充C50低收缩混凝土。

钢拱座底板设置焊钉及钢垫梁与混凝土拱座顶面连接。拱肋0#段底部的2/5拱肋截面通过端板与混凝土拱座前后端面连接，端板厚60 mm，端板底部设置三角形垫梁，以进一步扩散钢与混凝土接触面应力。上述混凝土顶面及前后接触端面均设网格钢筋进行加强。拱肋钢-混凝土结合部按有格室前承压板方式布置，从上而下由钢结构加强传递段、填充混凝土传递段及端板（承压板）接触传递段组成。钢结构加强传递段长3.4 m，通过在钢塔外围板及腹板间增加隔舱，以扩散及降低钢板应力；填充混凝土传递段长3.0 m，格室宽约0.85 m，填充混凝土长3.0 m，沿高度方向布置19排22焊钉。为确保在各种最不利工况下，拱肋0#段端板与混凝土拱座接触面始终处于受压状态，在中跨拱肋－拱座－边跨拱肋填充混凝土间布置了永久及施工临时预应力束。

图5 拱肋过渡段及组合拱座立面及横断面布置图（单位：mm）

4 结构受力分析研究

4.1 计算模型

拱座结合部多个部位存在钢板、焊钉与混凝土的连接问题，结构受力复杂。为真实反映结构受力状态及传力机理，采用ANSYS有限元程序对结构进行精细化数值分析，计算模型如图6所示。其中钢拱座及拱肋钢板采用板壳单元模拟，混凝土拱座及过渡段填充混凝土采用实体单元模拟，焊钉连接件采用空间三维虚拟弹簧单元模拟，预应力筋采用杆单元模拟。

图6 拱座结构有限元计算模型

4.2 拱肋钢-混凝土过渡段应力分析结果

图7和图8所示分别为在恒载及活载组合作用下拱肋钢-混凝土过渡段钢面板应力及填充混凝土应力随高度的变化曲线，横坐标分别为钢面板及填充混凝土应力（负值表示压应力），纵坐标为各断面位置（用与端板的距离来表示）。计算表明，通过3 m高度填充混凝土的有效传递，钢面板应力由150 MPa左右的高应力状态，逐渐过渡到30 MPa左右的低应力状态，而填充混凝土应力由无应力状态逐渐增加至8.5 MPa（最大值）的压应力状态。

图7 拱肋过渡段钢面板应力变化曲线

图8 拱肋过渡段填充混凝土应力变化曲线

4.3 拱座混凝土应力状态分析结果

图9和图10所示分别为有限元分析得到的在最不利荷载作用下混凝土拱座及钢拱座填充混凝土端板下0.2 m处的主压应力及主拉应力分布云图。从图中可以看出，通过钢-混凝土过渡段填充混凝土及端板的传力扩散后，端板下拱座混凝土处于比较均匀、合理的应力状态，主压应力基本在4～9 MPa，最大主拉应力基本在1 MPa左右。

图9 拱座混凝土主压应力分布云图（单位：kPa）

图10 拱座混凝土主拉应力分布云图（单位：kPa）

4.4 焊钉剪力及其非线性影响

在最不利受力状态下，不考虑焊钉非线性影响时，焊钉最大剪力为119 kN，平均为20 kN。考虑焊钉非线性影响后，焊钉最大剪力为97 kN，位于拱肋填充混凝土顶部位置，但从第三排开始，非线性引起的焊钉剪力变化小于5 kN，在过渡段中部起非线性对焊钉剪力基本无影响。

5 模型试验研究

5.1 局部试验模型

为进一步研究及验证组合拱座的受力性能，选取钢-混凝土过渡段中板以下范围进行了局部模型试验（见图5）。模型缩尺比例为1∶2，试件高4 040 mm、长2 240 mm、宽1 300 mm。

5.2 试验加载及测试仪器布置

试验采用自平衡加载系统进行加载，即在互为平衡的反力架间采用千斤顶进行加载。试件混凝土底部靠住自平衡反力架的一端，在试件钢箱顶部与反力架的另一端间安放千斤顶和分配梁，采用千斤顶偏心加载来模拟实际结构中的轴向力和弯矩作用。试验逐级加载至1.7倍设计荷载，最大加载吨位为7 868 kN。

试验测试仪器布置如下：在端板下缘混凝土及过渡段填充混凝土内预埋混凝土埋入式应变计，以测试混凝土内部竖向应力状态；在拱肋过渡段钢面板及中纵隔板上布置应变片，分析作用力传递的状态；在拱肋过渡段填充混凝土顶部与钢拱肋面板间设置位移计，测试试件整体竖向变形；在焊钉位置的钢与混凝土上布置埋入式应变计，以测试焊钉位置的钢-混凝土相对滑移情况。试验共布置84个混凝土埋入式应变计及93个应变片。

5.3 主要试验结果

图11和图12所示分别为端板以上1.35 m处钢腹板平均应力及端板以下0.3 m处混凝土平均应力实测与计算对比曲线。从图中可以看出，随着荷载的增加，钢腹板竖向应力及端板下混凝土应力呈线性平缓增加，基本处于弹性受力状态，理论计算与试验结果吻合良好，钢板及混凝土平均应力均处于较合理水平。图13和图14所示分别为P=7 868 kN加载工况下，钢腹板竖向平均应力分布曲线及钢-混凝土截面内力分配比例沿竖向变化曲线。从图中可以看出，自上而下钢腹板由100 MPa左右的高应力状态逐渐降至25 MPa左右的低应力状态；钢板荷载承担比例逐渐由100%降至40%左右，剩余40%荷载由端板承担。说明按有格室前承压板方式布置的组合拱座，端板在避免钢板锋利截面直接接触混凝土结构的同时，可承担约40%的荷载，起到了较好的传力作用。