钢板组合梁斜拉桥塔梁固结构造空间受力分析

郝 翠， 曹新垒

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

塔梁固接构造是斜拉桥设计的难点之一，该位置桥塔需承受拉索传递的竖向力和不均衡水平力造成的弯矩，主梁需要承受巨大的轴向力和弯矩，同时承担由汽车偏载引起的扭矩作用[1，2]。近年来，随着桥梁工业化的发展，涌现一批钢混组合桥梁结构[3]，钢混组合结构之间连接可靠性研究也取得了重大进展[4]。

本文以某山区高速公路中跨径为(48+80+40)m的钢板组合梁斜拉桥为工程背景，如图1所示，对钢板组合梁与混凝土桥塔间的固接构造进行研究。

图1 主桥桥型布置图

1 工程概况

某山区高速公路钢板组合梁低塔斜拉桥分幅布置，其跨径组合为(48+80+40)m，单幅桥宽12.25 m，如图2所示。主梁采用双工字钢板组合梁，钢主梁高1.5 m，塔梁固结处变化至2.0 m，钢主梁与桥面板间通过剪力钉连接。主塔为混凝土结构，塔梁固结处横梁最小高度为2.1 m。

图2 主桥标准横断面图

2 塔梁固接构造设计

由于主梁与主塔材料的不同，塔梁固结构造设计应确保钢材与混凝土之间有效连接，以共同受力。主梁纵桥向还应采取合理的加劲构造，确保其刚度平顺过渡。

本工程采用的塔梁固结构造为：钢主梁连续穿过桥塔横梁，并在钢主梁腹板、顶板下缘及底板上、下缘焊接剪力钉。腹板两侧剪力钉布置为Φ22×200@200 mm，翼缘剪力钉布置为Φ22×150@300 mm。本工程塔梁固结构造，如图3所示，其加劲构造为：腹板竖向间隔布置4道纵向加劲肋N1、N2，间距为400 mm。为进一步改善塔梁固结处的受力情况，紧邻桥塔横梁外侧，在腹板两侧焊接竖向加劲钢板N3，N3上焊接剪力钉且延纵桥向布设预应力高强精轧螺纹粗钢筋H1。桥面板与混凝土塔横梁间设置倒角，刚度平顺过渡。

图3 塔梁固结构造示意图

3 有限元计算分析

3.1 有限元模型

塔梁固结区域结构受力复杂，采用大型通用有限元计算软件ANSYS，建立了小桩号桥塔及主梁0#、1#、2#节段的局部分析模型，如图4所示。

图4 局部分析模型示意图

模型总长度为39 m，其中混凝土桥面板、桥塔及其上横梁采用SOLID45单元模拟，钢主梁、钢横梁及塔梁固结构造加劲肋采用SHELL63单元模拟。钢主梁和混凝土桥面板之间采用共节点连接。桥塔上横梁中的预应力钢束采用实体力筋法模拟，预应力钢束采用LINK8单元模拟，与混凝土单元之间通过约束方程法耦合，预应力荷载通过降温法施加。钢结构材料为Q345qD，混凝土材料为C50。

3.2 边界条件及加载荷载

局部分析模型在桥塔底部、顶部及主梁的两端建立虚梁。虚梁长10 cm，采用BEAM4单元模拟。模型中将虚梁的弹性模量扩大10倍，以模拟刚臂作用。虚梁与端部对应节点通过建立约束方程生成刚性区，实现连接。桥塔底部按固结处理，其余刚臂处按照从MIDAS Civil整体模型中提取的对应截面内力，施加对应工况的力边界，以使局部模型的受力状态接近真实情况。根据圣维南原理，这种处理方式对于距离该力系作用足够远处的受力状态将不会产生较大影响。

分析模型中未建立拉索单元，通过从整体计算模型中提取相应荷载工况的拉索内力并施加到对应节点的方式，以模拟局部分析模型受到的索力作用。局部分析时考虑结构自重、二期恒载和汽车荷载的作用。通过在MIDAS Civil整体计算模型中采用移动荷载追踪器功能，追踪塔梁固结区域钢主梁单元产生最大负弯矩时的汽车荷载的布置方式，并据此在ANSYS局部分析模型中进行加载相对应的汽车荷载。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 桥面板及桥塔应力计算及分析

正常使用极限状态频遇组合下混凝土桥面板及桥塔纵桥向应力分布如图5所示。从图5中可以看出，除拉索作用点及边界处部分应力集中区域以外，纵桥向总体应力水平在-6.0 MPa～2.0 MPa。在桥面板与桥塔上横梁连接处，桥面板上缘出现了约2.0 MPa的拉应力，下缘出现了约-6.0 MPa的压应力，这与该处刚度突变存在一定关系。

图5 桥面板及桥塔纵桥向应力分布图(单位：Pa)

图6为桥面板与桥塔上横梁间不设置倒角时的应力分布，桥面板上缘出现了约3.0 MPa的拉应力，下缘压应力为-5.89 MPa,说明桥面板加腋对于此处拉应力有一定的改善作用。

图6 桥面板不加腋时上缘应力分布图(单位：Pa)

图7为不考虑横梁预应力作用下桥面板及桥塔纵桥向应力分布，桥面板上缘拉应力约为1.0 MPa，说明此处拉应力的存在还与横梁预应力钢束形成的挤压作用有关。

图7 不计横梁预应力作用时上缘应力分布图(单位：Pa)

正常使用极限状态频遇组合下混凝土桥面板及桥塔横桥向应力分布如图8所示。从图8可以看出，横向总体应力水平大致在-7.33 MPa～0.67 MPa，除拉索作用点处以外，基本未出现拉应力。

3.3.2 钢主梁及钢横梁应力计算及分析

承载能力极限状态基本组合下，钢主梁及钢横梁等效应力如图9所示。从图9可以看出，钢梁上翼缘由于与桥面板共节点连接，应力水平较小。钢横梁的最大应力约为124 MPa，发生在车道荷载集中荷载Pk作用处对应的横梁下翼缘。钢主梁在高度变化处及与桥塔上横梁结合处出现了应力集中，钢混结合处的最大应力约245 MPa，满足设计要求。除应力集中处以外，钢主梁应力水平基本在137 MPa以下。

图8 桥面板及桥塔横桥向应力分布图(单位：Pa)

图9 钢梁等效应力分布(单位：Pa)

4 结 论

本文介绍了一种钢板组合梁斜拉桥塔梁固结构造，通过建立有限元模型，计算分析了墩梁固结区域混凝土桥面板、桥塔及其横梁、钢主梁及钢横梁等的受力特点，得出以下结论：

(1)桥面板与桥塔横梁交接处，由于刚度变化及桥塔横梁预应力的挤压作用，桥面板上缘出现应力集中。该处应设置倒角，以使刚度过渡平顺，且钢筋配置应考虑该拉应力的影响。

(2) 钢主梁在钢混结合面处出现了局部的应力集中，通过设置墩梁固结构造的加劲构造可以缓解该处应力集中。

(3)该构造传力路径清晰，加工制造难度小，为钢板组合梁斜拉桥塔梁固结体系构造提供了一种解决方案。