自锚式悬索桥桥塔钢-混结合段受力的试验研究

刘迎倩

(1.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034)

1 概述

武汉市江汉六桥是第6座跨汉江通道，道路等级为城市主干路Ⅰ级，设计车速为60 km/h，桥梁设计汽车荷载为公路Ⅰ级。主桥为主跨252 m双塔自锚式悬索桥，标准段桥宽41 m，双向8车道。桥塔为钢-混组合框架型结构，从下至上分别由下塔柱、中塔柱、上塔柱及塔顶横梁4部分组成。其中，中塔柱及塔顶横梁为钢结构，其余为混凝土结构。汉阳侧、汉口侧塔高分别为69.624,64.624 m。混凝土塔柱采用C50混凝土，钢塔柱采用Q345qD钢。

汉阳侧、汉口侧下塔柱分别高26.15,21.15 m，顺桥向、横桥向宽均为6.6 m，采用单箱单室截面。中塔柱高41.25 m，由对称布置的4个钢柱及钢柱间斜撑组成。钢柱之间中心距为4 m，截面为内侧布置板式加劲肋的箱形截面。上塔柱高4.974 m，顺桥向、横桥向宽均为6.6 m，采用混凝土外包钢结构装饰段，装饰段底部焊接于中塔柱钢柱顶端的承压板上。中塔柱钢结构下端通过24根预埋预应力粗钢筋(采用JL32精轧螺纹钢筋，张拉控制力为561 kN)与下塔柱混凝土结构锚固连接，连接处设置80 mm厚承压板；上端通过开孔钢板连接件和50 mm厚承压板与上塔柱混凝土结构连接。在中塔柱靠近承压板部位的内外侧均设置若干道加劲肋。

钢-混结合段是将钢塔柱上的内力传递到混凝土塔柱中的关键构件，存在钢和混凝土2种材料，几何构造复杂，截面突变严重[1]；上方的荷载(轴力、剪力、弯矩、扭矩)通过预应力、承压板、剪力键等连接形式传递到下方的构件上，受力和传力机理复杂。江汉六桥主桥桥塔存在2处钢-混结合段，设计和施工更加复杂。故需研究塔柱钢-混结合段的受力性能以保证桥塔施工的顺利实施和成桥的安全运营。

本文以下塔柱为例，对桥塔钢-混结合段进行数值模拟和模型试验，研究钢-混结合段各部位在施工阶段和运营阶段的受力性能、应力分布、安全储备情况及混凝土抗裂安全性，研究结果可为江汉六桥桥塔钢-混结合段的实施提供技术支持，并为同类桥梁的设计提供参考。

2 钢-混结合段数值模拟

2.1 有限元模型的建立

采用ANSYS软件建立下塔柱钢-混结合段的三维有限元模型。模型总长24.65 m，包含混凝土塔柱18.65 m，钢塔柱6 m。钢塔柱采用Shell 281单元模拟，结合段附近混凝土采用Solid 185单元模拟，远离结合面处混凝土采用Solid 187单元模拟。预应力粗钢筋采用杆单元模拟，钢筋的张拉过程通过降温法模拟。钢塔柱承压板和混凝土塔柱的连接通过建立接触单元采用多点约束算法(Multi-Point Constraint，MPC)模拟。在重点关注区域——钢-混结合面附近网格划分得非常细密，两端非重点关注区域划分较粗。混凝土弹性模量取34.5 GPa，泊松比取0.2；钢材弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3。模型底部混凝土采用固结约束，在4个钢塔柱上施加荷载，荷载值由整体杆系有限元模型计算得到。由于钢塔柱采用板壳单元建模，每个钢柱的加载断面有60余个节点，为正确将内力施加在相关节点上，在加力断面形心处建立主节点，将该断面其他节点作为从节点，将断面内力施加在主节点上[2-4]。下塔柱钢-混结合段有限元模型见图1。

图1 下塔柱钢-混结合段有限元模型

2.2 主要分析工况

自锚式悬索桥在施工过程中由于鞍座两侧主缆拉力不同，导致桥塔顶端受力不平衡引起水平力。当不平衡力达到一定程度时需要通过顶推鞍座来减小不平衡力，以避免桥塔开裂[5]。鞍座顶推过程是自锚式悬索桥的重要施工工序，对桥塔有较大影响。该桥施工过程中对鞍座共进行5次顶推。每次顶推前桥塔所受轴力和水平不平衡力均不相同。第1次顶推前桥塔上轴力最小而弯矩较大，随着施工进程的推进，桥塔受力越来越趋向于轴压状态。

分析工况主要包括顶推过程、恒载作用下及恒载与其他荷载组合作用下钢塔柱最大轴力工况[6]。具体分析工况为：工况1，第1次顶推前；工况2，第2次顶推前；工况3，第3次顶推前；工况4，第4次顶推前；工况5，第5次顶推前；工况6，恒载作用下轴力最大；工况7，荷载组合作用下轴力最大。

2.3 计算结果分析

计算各工况下钢-混结合段各部位的应力。经计算可得：工况1钢结构部分的最大Mises应力只有152.9 MPa，且主要分布在应力集中位置，大部分位置的等效应力不超过90 MPa，最大主拉应力为100.2 MPa；混凝土的最大主拉应力为2.8 MPa，主要分布在2个受压力较大的钢塔柱之间，大于0.5ftk(ftk为混凝土抗拉强度标准值)的范围深度约为300 mm，这说明主拉应力主要是由于混凝土的泊松变形被约束所引起的；混凝土的最大主压应力为10.3 MPa，位于承压板加劲肋下方，数值和范围均较小，受压安全储备较大。各工况下钢-混结合段各部位最大应力见表1。

表1 各工况下钢-混结合段各部位最大应力

注：应力以受拉为正，受压为负。

由表1可知：①施工过程中，钢塔柱最大Mises应力为188.8 MPa，出现在第5次顶推前；在最不利荷载组合作用下，钢塔柱个别应力集中处最大Mises应力为221.1 MPa，小于钢材屈服强度，满足《桥梁用结构钢》(GB/T 714—2008)[7]要求。②各工况下承压板的最大Mises应力均不大，最不利荷载组合作用下达到最大值60.9 MPa，远小于钢材屈服强度。③施工过程中，混凝土塔柱最大主拉应力为3.6 MPa，出现在第5次顶推前；在最不利荷载组合作用下混凝土最大主拉应力为4.2 MPa。混凝土主拉应力较大的位置在钢柱之间，分布深度较浅，由于该处已布置较多水平钢筋网，且计算时忽略了锚固面以上混凝土的有利影响，可认为钢-混结合段的受力性能不会受到影响。施工时，应重点关注该部位的施工质量。

3 模型试验研究

3.1 模型设计

模型的几何缩尺比取1∶4。混凝土塔柱高度取1 m，截面尺寸为1.65 m×1.65 m。钢塔柱高度取1.54 m，单肢塔柱截面外缘尺寸为370 mm×370 mm。预应力筋采用螺杆代替实际桥的精轧螺纹钢，经过调质使强度满足要求。普通钢筋采用配筋率等效的方式布置[8]。由于钢塔柱端部需施加荷载，为防止端部局部失稳，增加加劲肋数量将端部截面加强，并设置平台以放置千斤顶。

3.2 试验工况

试验在计算分析工况的基础上增加2个工况。工况8：4个钢塔柱的平均轴力与工况7相同，但向一侧偏载，使混凝土塔柱一侧边缘接近受拉(不包括预应力)；工况9：各钢塔柱轴力为工况7各钢塔轴力的1.5倍。试验荷载根据模型比例换算得到。

加载各个工况前，先施加预应力。根据模型比例换算得到每根预应力的张拉控制力为52.6 kN。每个工况均以施加预应力后的状态为初始状态，测量的应力值为施加荷载后的应力增量。

3.3 试验加载及测点布置

试验采用千斤顶在模型钢塔柱上端加载。其中，工况1有2个荷载为拉力，采用分配梁上方的2个小千斤顶施加；其余荷载均为压力，采用分配梁下方的4个大千斤顶(加载能力 3 000 kN)加载。

应变测点根据有限元分析结果布置。钢结构测点布置在2个钢塔柱上，混凝土测点布置在模型侧面和顶面。共布置80个钢结构测点，53个混凝土测点，选取部分典型测点进行分析。其中，C7,C8,C9,C25,C26,C27为混凝土侧面测点，C43,C44,C45为混凝土顶面测点，S37,S38,S39为钢塔柱测点，S65,S66,S67,S68为加劲肋测点。

3.4 试验结果分析

3.4.1 应力

各加载工况下，部分混凝土测点应力见表2，部分钢结构测点应力见表3。

表2 各工况下部分混凝土测点应力实测值 MPa

表3 各工况下部分钢结构测点应力实测值 MPa

由表2、表3可知：①工况1下，受拉钢塔柱下方混凝土侧面测点(C25,C26,C27)竖向受拉，拉应力最大值为0.98 MPa，受压钢塔柱下方混凝土侧面测点(C7,C8,C9)竖向受压，压应力最大值为2.42 MPa。工况2—工况9，混凝土侧面各测点应力均为压应力，工况2和工况3压应力较小，工况4—工况9压应力较大，工况8下压应力最大值为6.02 MPa，叠加预应力后为7.60 MPa，工况9下压应力最大值为5.92 MPa，叠加预应力后为7.74 MPa。②各工况下，混凝土顶面测点应力基本为拉应力，工况1—工况6拉应力较小，基本都小于2 MPa，工况7—工况9拉应力较大，最大值达4.24 MPa，叠加预应力后为5.47 MPa，超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[9]给出的混凝土抗拉强度标准值，但试验过程中均未观察到裂缝出现。③工况1下，受拉钢塔柱测点(S25,S26)竖向受拉，拉应力较小；受压钢塔柱测点(S37,S38)竖向受压，压应力最大值约70 MPa。工况2—工况9，钢塔柱各测点应力均为压应力：受压钢塔柱测点工况2下的应力值比工况1下显著减小，工况3下的应力值比工况2下稍有减小，工况4下应力值大幅增加，工况5比工况4下应力值略有增加，工况6下应力值有小幅减小，工况7应力值继续增加，最大为112.77 MPa，工况8和工况9压应力显著增加，最大为159.8 MPa；受拉钢塔柱测点的应力值变化规律与受压钢塔柱相似，但应力值比受压测点的小很多。④各工况下，加劲肋上部测点(S65,S67)的竖向应力均为压应力，在工况9时达到最大值119 MPa；加劲肋下部测点(S66,S68)的应力均为拉应力，整个试验过程中应力值较小。

各工况下，部分测点应力计算值和实测值对比见图2。可知：混凝土和钢塔柱测点的应力计算值与实测值均相差不大，计算结果与试验结果吻合较好。

图2 部分测点应力计算值和实测值对比

在各工况加载过程中，同时对预应力筋的变化进行测量。结果表明：工况1受拉钢塔柱下预应力筋的拉力相应增加，平均增加值1.16 kN，为设计拉力的2.21%；工况7钢塔柱受到较大的压力，预应力筋拉力减小，平均减小值4.24 kN，为设计拉力的8.05%；工况9受压钢塔柱下预应力筋拉力减小，平均减小值5.41 kN，为设计拉力的10.29%。由此可见，预应力筋拉力在整个加载过程中变化均不大。

3.4.2 荷载-应力曲线

根据试验过程中测得的各测点应力值和荷载值可绘制其荷载-应力曲线。工况9加载过程中部分测点的荷载-应力曲线见图3(其中P表示工况9下各塔柱的加载值)。

图3 部分测点荷载-应力曲线

由图3(a)、图3(b)可知，混凝土应力基本随荷载呈线性变化，卸载后略有一些残余应力，C9测点的相对残余最大，约为7.6%。由图3(c)可知，钢塔柱应力基本随荷载呈线性变化，卸载后残余应力很小。试验过程中无肉眼可见裂缝出现，可认为模型尚在弹性阶段。工况9的荷载已是荷载组合下最大轴力工况(工况7)的1.5倍，这说明模型具有足够的安全储备。

4 结论

1)施工过程中，钢塔柱最大Mises应力为188.8 MPa，混凝土最大主拉应力为3.6 MPa，出现在第5次顶推前；最不利荷载组合作用下，钢塔柱最大Mises应力为221.2 MPa，小于材料屈服强度，主拉应力均在210 MPa以下，满足规范要求，混凝土最大主拉应力为4.2 MPa，出现在钢柱之间，分布深度较浅。

2)在施工过程中和荷载组合作用下，实测混凝土最大压应力为6.44 MPa，最大拉应力为4.27 MPa(均叠加了预应力)，实测钢塔柱最大压应力为112.77 MPa，钢塔柱拉应力较小。在超载工况下(工况8和工况9)，实测混凝土最大压应力为7.74 MPa，最大拉应力为5.47 MPa(均叠加了预应力)，钢塔柱最大压应力159.8 MPa。

3)试验过程中，各测点应力随荷载基本呈线性变化，加载时混凝土未出现肉眼可见裂缝，卸载时残余应力不大，模型基本处于弹性状态。

4)各工况混凝土和钢结构各测点的应力实测值和计算值相差不大。塔柱钢-混结合段结构受力安全可靠，在给定的荷载作用下具有足够的安全储备。

[1]徐海鹰，王亚飞.混合梁桥钢梁与混凝土梁连接研究[J].铁道工程学报，2012，29(7)：31-34.

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[5]谢金康.自锚式悬索桥主索鞍顶推技术[J].铁道建筑技术，2009(10)：68-69.

[6]中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 714—2008 桥梁用结构钢[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8]郑平伟，徐海鹰，郑纲，等.江汉六桥索塔结合段计算分析及索塔模型试验研究报告[R].武汉：中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司,2014.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 20010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.