空间曲线型索塔受力复杂区钢混结合段仿真分析

韩建南 张海波 吴桐

摘要 环湖线花山大桥位于高淳区南侧固城湖中连接两岸，主桥为“扬帆起航”斜拉桥，采用主跨（100+50+100）m的单柱式拱塔钢箱梁斜拉桥，主塔采用斜靠式 “心”型拱塔结构。下部结构桥墩采用圆柱墩，承台为矩形承台。由于结构造型需求，结构异形化程度较高，空间曲线型索塔受力较复杂，而索塔作为将桥梁结构传递至基础的重要结构，其受力安全尤为关键，文章以花山特大桥主桥整体分析为基础，对相应的下拱塔受力复杂区进行钢混结合段设计，并对钢混结合段进行局部应力分析，为类似的桥梁设计提供参考。

关键词 索塔;受力复杂区;钢混结合段;仿真分析

中图分类号 U448.27;U443.38 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0109-04

0 引言

伴随着斜拉桥的发展，人们对景观要求越来越高，美观的外形同时也具有结构受力复杂的特点。传统的混凝土结构常常难以满足桥梁结构造型需要。钢混组合结构应用越来越广泛[1]。

而钢混结合段作为钢结构与混凝土的结合部位，受力复杂，限制因素较多，常规分析较难解释清楚其复杂的受力现状。花山大桥下拱圈的钢混结合段轴线为空间样条曲线，其受力更加复杂，工程经验尚不丰富，因此结合该项目情况，对空间曲线型索塔受力复杂区钢混结合段进行分析，为该结构形式的进一步设计提供借鉴。

1 概述

1.1 项目概况

花山大桥为主跨（100+50+100）m的单柱式拱塔钢箱梁斜拉桥，主塔采用斜靠式 “心”型拱塔结构，主塔基础采用4个分体矩形承台，每个承台下采用9根直径2.0 m钻孔灌注桩。

1.2 结构设计

花山大桥索塔造型奇特，主塔形式按照景观造型，立面为一侧倾斜状拱形塔。拱塔分上拱塔及下拱圈两个部分，拱轴曲线为样条曲线（如图1）。

下拱圈为拱形结构，常规拱形结构最大的特点是在自重恒载和外荷载下主要受轴向压力，弯矩和剪力很小，常见拱轴线一般为圆弧线、抛物线（如图2）。

花山大桥下拱圈拱轴线为样条曲线，并且由于花山大桥独特的纵向不对称索塔造型所产生的巨大水平力作用在横梁上再传递到下拱圈，所以花山大桥下拱圈不同于常规拱形结构，其在巨大的轴力、剪力、弯矩共同作用下受力极为复杂（如图3）。

但是桥塔钢混结合段是索塔刚度过渡段，承受着很大的轴力和弯矩，钢板和混凝土的受力机理不明确，应力复杂，必须建立钢混结合段处局部三维有限元实体模型，分析其在荷载作用下的受力特性与应力分布情况[2]。

2 整体计算分析

2.1 全桥有限元分析

研究采用有限元软件Midas/Civil 2020建立花山大桥空间有限元模型，全桥采用空间杆系单元模拟;主梁和桥塔采用梁单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元，斜拉索分别与桥塔、主梁采用弹性连接[3]。计算模型如图4所示。

2.2 下拱圈混凝土结构与钢-混组合结构受力对比

由图5可知当下拱圈采用混凝土结构时最大拉应力为12.8 MPa，远大于规范要求值，最大压应力为20.5 MPa，满足规范要求。

由图6可知当下拱圈采用钢-混组合结构时最大拉应力为134.6 MPa，钢结构段最大压应力为100.9 MPa，均满足规范要求。

3 受力复杂区钢混结合段设计及应力分析

3.1 下拱圈钢混结合段结构设计

下拱钢混结合段设计如图7所示。

该分析主要从混凝土等级，承压板及钢塔壁厚度三个方面分析其对钢混结合段受力影响，各部分构件参数如表1。

3.2 钢混结合段受力分析

采用土木领域专用的仿真分析软件Midas FEA NX建立花山大桥下拱圈钢混结合段局部模型，如图8所示。本次研究的花山大桥横桥向为对称结构，模型建立仅选择38#号墩左幅下拱圈作为计算对象。模型包括混凝土拱塔、钢混结合段、塔座、承台、承压钢板、预应力钢束等结构。钢混结合段具体模型如图8所示。

模型外力由整体计算结果读取，通过换算成相应的集中力及弯矩作用于下拱圈结构。下拱圈钢混结合段受力分析时不考虑桩土作用，故有限元模型中混凝土承台底面桩顶区域采用固结约束[4]。

3.3 主要分析结果与分析

该文主要比较在不同因素影响下的承压板、钢塔壁、加劲肋三者的应力变化。

钢混结合段局部应力分析结果如图9、图10、图11所示。

（1）以钢-混结合段有限元模型为基础，以探究不同等级混凝土对钢-混结合段各部位应力的影响。具体结果如表2。

由表2可知，随着混凝土等级的提高，钢混结合段承压板、钢塔壁、加劲肋的Mises应力逐步减小，混凝土等级的提高可以轻微改善承压式钢-混结合段的应力状况，但其变化幅度极小。因为在钢混结合段内混凝土属于三向受压状态，混凝土强度得到提高，因此在满足钢混结合段以外的混凝土构件安全的基础上，不必过度追求高等级混凝土。

（2）承压板厚度对结合段的应力影响。以钢-混结合段有限元模型为基础，以探究不同厚度承压钢板对钢-混结合段各部位应力的影响，具体结果如表3。

由表3可知随着承压板厚度的增加钢混段承压板的Mises应力减小幅度较大，而钢塔壁和加劲肋的应力变化幅度很小，可以忽略。因此可适当增加承压板厚度以达到减小承压板应力的目的。

（3）钢塔壁厚度对结合段的应力影响。以钢-混结合段有限元模型为基础，以探究不同厚度钢塔壁对钢-混结合段各部位应力的影响，具体结果如表4。

下面分別分析各部分的应力变化趋势：

由表4可知，随着钢塔壁厚度的增加，钢混结合段承压板、加劲肋的Mises应力最大值逐步减小。钢混段承压板的Mises应力减小幅度较小，且具有较大富余值;钢混段钢塔壁的Mises应力减小幅度较大，但是通过筛选不同钢塔壁厚度模型中钢塔壁应力值大于120 MPa的单元，如图12所示。由图12发现钢塔壁绝大部分单元的应力值在120 MPa以下，所以在满足结构安全的情况下钢塔壁无须过厚。由图13可发现加劲肋绝大部分单元的应力值在100 MPa以下，钢塔壁厚度对加劲肋应力分布影响较小。

3.4 总结

（1）混凝土等级的提高可以减小混凝土的最大主拉应力与最大主压应力绝对值、承压板及钢塔壁、加劲肋的Mises应力，轻微改善承压式钢-混结合段的应力状况，但其变化幅度极小，因此在满足构件安全的基础上，不必过度追求高等级混凝土。

（2）随着承压板不断加厚，混凝土下拱圈的最大主拉应力与最大主压应力绝对值、承压板、钢塔壁、加劲肋最大值均减小，可以改善钢-混结合段的应力状况，使钢-混结合段更均匀流畅地传递钢拱塔内力，对混凝土拱脚的受力也产生有利影响[5]。

（3）钢塔壁厚度的增加可以减小混凝土的最大主拉应力与最大主压应力绝对值、承压板及钢塔壁、加劲肋的Mises应力，但是变化幅度较小，增加钢塔壁的厚度只能减小局部应力集中的受力情况，所以通过增加钢塔壁厚度的方式并不经济，在满足构件安全的基础上，不必设置过厚的钢塔壁。

4 结语

分析空间曲线型索塔受力复杂区受力特征，通过比选采用钢混组合结构解决了受巨大水平力和横向弯矩作用下的拱形结构受力难题;并通过对混凝土等级、钢塔壁厚度、承压板厚度等因素分析，优化钢混结合段结构设计参数，计算成果表明各构件处于弹性阶段，满足工程实际需求。在异形桥梁结构设计过程中，可根据桥梁结构特点，选择合适的结构形式，满足桥梁结构受力要求，并根据材料特性进行合适的模拟选型，此方法可为类似桥梁提供参考。此计算结果未考虑疲劳荷载作用，可进一步对该研究结果加入疲劳荷载作用，检验材料的可靠性。

参考文献

[1]李翠霞.武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔设计[J].桥梁建设，

2014（5）：94-98.

[2]崔冰，趙灿辉，董萌，等.南京长江第三大桥主塔钢混结合段设计[J].公路，2009（5）：100-107.

[3]崔斌，曾文彬，韩建南.“心型索塔”斜拉桥纵向水平力传递设计方法研究[J].工程与建设，2019（6）：878-880.

[4]张喜刚，吴文明，刘高.无格室-承压板钢-混凝土结合部力学模型及简化计算方法[J].公路交通科技，2013（10）：

49-53.

[5]张勇.南京长江第三大桥桥塔钢混结合段结构特性研究[D].成都：西南交通大学，2005.