徐瑞豐，李　正，周彥鋒，韓大章

（江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014）

南京青奧跨江景觀橋主塔鋼混結合段設計

徐瑞豐，李正，周彥鋒，韓大章

（江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014）

南京青奧跨江景觀橋為主跨270 m傾斜雙塔空間索面鋼箱梁斜拉橋，橋塔采用上部鋼塔柱、下部混凝土塔柱組合成的橢圓形混合塔，上下塔柱采用設置焊釘及開孔板連接件的有格室后承壓板式結合段連接。為確保結合段設計合理，考慮鋼-混凝土相對滑移和接觸，文章建立全塔實體-板殼空間有限元模型，計算分析塔柱應力、連接件受力等，可為類似工程提供借鑒。

斜拉橋；混合塔；結合段；設計

1　工程概況

南京青奧跨江景觀橋位于青奧軸線中軸，起點位于青年文化體育公園內，終點在江心洲青年森林公園內。主橋采用主跨270 m（橋塔下橫梁處支座間距）雙塔空間索面鋼箱梁斜拉橋，邊跨設置3個橋墩，其跨徑布置為45+42+58+240（橋塔承臺中心間距）+58+42+46.5=531.5 m。如圖1所示。

圖1　主橋橋跨布置（單位：cm）

橋塔形狀為橢圓形，向岸側傾斜35°，塔豎向高82.5 m，塔斜向高102.464 m。塔柱采用六邊形斷面，橋塔順橋向寬度5 m，橫橋向寬度由塔頂?shù)?.2 m漸變至塔中部的4.6 m再漸變至塔根的9.766 m。下塔柱設計成實心混凝土斷面，上塔柱采用鋼箱斷面。橋塔在主梁底設1道鋼結構下橫梁，橫梁采用箱形斷面，在下橫梁下方設置鋼混結合段。橋塔立面圖如圖2所示。

2　橋塔鋼混結合段設計思路

目前橋塔鋼混結合段形式有埋入式、端承壓板式和有格室承壓板式。如圖3所示。

埋入式的方法是將鋼結構根部的一部分埋入混凝土結構中。采用這種方法時，如何使鋼結構的壁板和混凝土充分結合在一起并且能夠使荷載均勻地傳遞是設計的主要問題。常用的方法有在鋼結構壁板上設置剪力釘或者采用開孔板連接件，如南京長江第三大橋［1］和日本鶴見航道橋采用該種構造。

圖2　橋塔立面（單位：mm）

圖3　橋塔鋼混結合段形式

端承壓板式是將鋼結構根部通過承壓板和預埋在混凝土中的大型錨固螺栓或鋼鉸線預應力連接在一起。在這種連接方式中，鋼結構根部的壓力是通過承壓板傳遞到混凝土，而彎距和剪力則是通過錨固螺栓傳遞，大多數(shù)鋼索塔同基礎承臺連接采用這種形式構造，如泰州長江大橋。

有格室承壓板式是利用鋼塔腹板、壁板和加勁板形成鋼格室，在格室中澆筑混凝土，并在格室四周的板件內側布置焊釘連接件，在格室端部布置承壓板，寧波大榭二橋［2］采用了該種構造形式。

圖4　鋼混結合段構造（單位：mm）

埋入式結合段混凝土澆筑質量容易保證，其作用力全通過連接件傳遞，需要較長的結合段，連接件受力較大。端承壓板式結合段構造簡單，應力傳遞直接，截面的剛度變化比較大，由于剛度和強度上的要求，需設置較厚的承壓板，為了能夠均勻地傳遞壓力，承壓板與混凝土承臺之間必須保持密切接觸。有格室承壓板式結合段剛度過渡均勻，應力擴散好，但構造相對復雜。由于本橋下橫梁位置偏下，如果采用埋入式構造，則需要較長的結合段以降低兩端連接件作用力，此時鋼混結合面將會處于最高洪水位區(qū)，對鋼結構的耐久性影響較大。本橋為青奧跨江景觀橋，端承壓板式構造易造成橋塔不連續(xù)感，達不到景觀要求，同時，結合面彎矩影響較軸力大，受力復雜，剛度過渡不宜突變。因此，本橋鋼混結合段采用有格室后承壓板式構造，鋼塔柱與混凝土塔柱之間通過焊釘、開孔板、承壓板及預應力筋連接，滿足剛度過渡、應力傳遞等受力要求，同時獲得了最佳景觀效果。

3　結合段設計要點

鋼塔柱端部設置60 mm厚承壓鋼板，將鋼塔柱作用力通過承壓傳遞至混凝土塔柱，主塔鋼箱內3塊橫橋向加勁板與縱橋向3塊加勁板插入下塔柱混凝土中形成格室，在鋼格室內加勁腹板上開有Φ80 mm圓孔，穿過直徑25 mm鋼筋與進入該孔的混凝土一起形成開孔板連接件［3］，鋼混結合段混凝土采用微膨脹混凝土。

圓孔的水平向間距基本為250 mm，豎向間距為200 mm。為保證結合段格室間混凝土的整體性，特在節(jié)段下半段的腹板上開有寬200 mm，高度1 100 mm的長方孔以便混凝土澆筑時的流動。在節(jié)段壁板上設置了焊釘連接件，焊釘直徑22 mm、長200 mm，與開孔板連接件通過承剪共同傳遞鋼塔柱與混凝土塔柱間作用力。承壓板上通過設置錨箱將施加的預應力傳遞至塔壁，以抵御結合面外荷載產生的部分彎矩。如圖4所示。

4　有限元計算模型

4.1模型選取

幾何模型選取包括承臺在內的整個橋塔，建立三維實體-板殼有限元模型，研究在不利荷載工況下結合段的應力分布和傳力機理。計算模型中橋塔在塔平面內高度方向上包括混凝土節(jié)段（含鋼混結合段）約15.75 m，鋼節(jié)段約86.71 m。

鋼塔用殼單元模擬，混凝土用實體單元模擬，預應力筋用桿單元模擬。焊釘及開孔板連接件用虛擬三維彈簧單元模擬。鋼混交界面處通過接觸單元傳遞法向力，不考慮鋼與混凝土之間的摩擦傳力。根據(jù)以往焊釘及開孔板連接件推出試驗的數(shù)據(jù)，焊釘連接件剪切剛度取為302.4 kN/mm，開孔板連接件剪切剛度取為917 kN/mm。有限元計算模型如圖5所示。

圖5　有限元計算模型

4.2邊界條件及荷載工況

有限元模型中混凝土承臺底部平面施加豎向約束，底部平面內橫橋向一條邊（近邊跨）施加順橋向約束，順橋向一條邊（對稱面內）施加橫橋向約束。在橋塔錨固位置處施加從整體計算模型中提取出的索力，在橫梁相應位置施加主梁支座反力。同時考慮橋塔自重、整體升降溫、混凝土收縮徐變及風載等作用。

根據(jù)對鋼混結合段處最不利工況作用下內力的分析，結合段安全可靠性分析主要考慮橫橋向最大彎矩工況、橫橋向最小彎矩工況、順橋向最大彎矩工況及預應力張拉結束后包括結合段在內的下塔柱受力狀態(tài)。

5　結合段計算結果及分析

5.1鋼結構受力分析

3種工況下，結合段縱橋向彎矩最大工況的主塔結合段鋼結構mises應力最大，如圖6所示，結合段鋼結構應力值變化范圍為1.1~160.97 MPa，應力水平較低，鋼結構上的應力通過連接件逐漸傳遞給結合段的混凝土。其中最大應力位置是在近中跨的鋼壁板處，承壓板上的應力最大值是103.48 MPa，位于格室縱橋向的隔板與承壓板相接部位，預應力筋鋼錨箱腹板與承壓板焊接處以及鋼塔柱的加勁與承壓板相接部位的應力也較大，約為60 MPa，其他部位應力水平較小，小于50 MPa。此處承壓板分擔了沿塔70%的軸向力。

圖6　結合段鋼結構mises應力（單位：kPa）

5.2 混凝土塔柱受力分析

主塔混凝土主壓應力及主拉應力在結合段縱橋向彎矩最大工況下最大，混凝土塔柱主拉應力分布如圖7所示，應力水平較低，在塔柱下部存在約0~3 MPa的較大主拉應力區(qū)域。在結合段范圍內及預應力錨固端附近局部混凝土存在稍大的主拉應力，最大主拉應力約為4.5 MPa。設計中對這些區(qū)域都加強了配筋。建模中未考慮開孔板連接件貫穿孔中的鋼筋及混凝土對周圍混凝土協(xié)同受力作用，因此實際情況混凝土最大主拉應力比計算值要小。

混凝土塔柱主壓應力分布如圖8所示，混凝土最大主壓應力約為18 MPa，位于混凝土承壓面橫橋向內側及順橋向中跨側邊角局部位置，且范圍較小，僅需澆筑密實。下塔柱混凝土主壓應力基本在10 MPa以內，應力分布較為均勻。

5.3焊釘及開孔板連接件受力分析

結合段橫橋向彎矩最大工況下，焊釘及開孔板連接件的剪力最大。邊跨側壁板焊釘連接件作用力如圖9所示。焊釘作用最大剪力為69.94 kN，最大焊釘剪力出現(xiàn)在右上角位置處。焊釘受力分布表現(xiàn)為上下端剪力大于中間部分。

圖7　結合段混凝土主拉應力（單位：kPa）

圖8　結合段混凝土主壓應力（單位：kPa）

圖9　邊跨側壁板焊釘連接件作用力（單位：kN）

縱向隔板連接件作用力如圖10所示，最大剪力為181 kN，位于右下角，底端的開孔板連接件受力較大。根據(jù)試驗及理論計算，直徑22 mm、長200 mm的焊釘連接件的抗剪承載力值為117.3 kN，直徑80 mm、貫穿直徑25 mm鋼筋的開孔板連接件的抗剪承載力值為517.8 kN。

6　結論

橋塔鋼與混凝土結合段是將鋼塔內力傳遞到混凝土塔的關鍵部位。本橋為大跨徑斜拉橋，橋塔為上部鋼塔與下部混凝土塔結合的斜彎混合塔結構。跟以往的直立橋塔結合段不同，斜彎橋塔承受較大雙向彎矩與軸力，受力更為復雜。本項目在設計中對結合段預應力筋錨固方式與合理布置、結合段鋼塔加勁過渡段受力及穩(wěn)定性、結合段時變特性（收縮徐變、溫度）等問題進行了詳細分析和研究。結合段的設計應遵循以下幾點原則：

圖10　縱向隔板連接件作用力（單位：kN）

（1）結合段應連接可靠、且能較順暢地傳遞截面各項內力及適應變形；

（2）結合區(qū)域塔柱結構的剛度過渡應均勻、平順；

（3）結合段鋼結構各板件的厚度應滿足受力及剛度過渡的需要；

（4）結合段的構造形式應充分考慮施工可行性和施工質量；

（5）確保結合段頂部附近鋼結構的穩(wěn)定性；

（6）確保結合段抵抗偶然荷載，特別是附加彎矩的能力。

［1］金安紅.南京三橋鋼塔鋼混結合段設計與制造［J］.鋼結構，2007（2）：75-77.

［2］顧民杰.寧波大榭第二大橋主塔設計關鍵技術［J］.中國市政工程，2012（3）：18-20.

［3］劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京：人民交通出版社.2005.

Design of J oint Section of Hybrid Tower of Nanjing Youth Olympic Landscape River Bridge

Xu Ruifeng, Li Zhen, Zhou Yanfeng, Han Dazhang
（Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company, Nanjing 210005,China）

Nanjing Youth Olympic landscape river bridge was a steel box girder cable-stayed bridge with the spatial cable plane and twin towers, and the main span was 270 meters. The bridge's tower was oval shape, divided into two parts, the upper part using steel tower and the lower part using concrete tower . The upper and lower part of tower combine with the junction set welding studs and PBL connections with geocells and pressure plate. In order to ensure the rational design of joint section, considering steel-concrete relative slip and contacts, this paper established full tower plate-shell dimensional finite element model and calculated and analyzed the stress of tower and the force of connector.

cable-stayed bridge; hybrid tower; joint section; design

U448.27

B

1672-9889（2015）04-0038-04

徐瑞豐（1980-），男，江蘇淮安人，高級工程師，主要從事橋梁設計工作。

（2014-11-03）