劉迎倩

(1.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034)

1 概述

武漢市江漢六橋是第6座跨漢江通道，道路等級為城市主干路Ⅰ級，設計車速為60 km/h，橋梁設計汽車荷載為公路Ⅰ級。主橋為主跨252 m雙塔自錨式懸索橋，標準段橋?qū)?1 m，雙向8車道。橋塔為鋼-混組合框架型結構，從下至上分別由下塔柱、中塔柱、上塔柱及塔頂橫梁4部分組成。其中，中塔柱及塔頂橫梁為鋼結構，其余為混凝土結構。漢陽側(cè)、漢口側(cè)塔高分別為69.624,64.624 m?；炷了捎肅50混凝土，鋼塔柱采用Q345qD鋼。

漢陽側(cè)、漢口側(cè)下塔柱分別高26.15,21.15 m，順橋向、橫橋向?qū)捑鶠?.6 m，采用單箱單室截面。中塔柱高41.25 m，由對稱布置的4個鋼柱及鋼柱間斜撐組成。鋼柱之間中心距為4 m，截面為內(nèi)側(cè)布置板式加勁肋的箱形截面。上塔柱高4.974 m，順橋向、橫橋向?qū)捑鶠?.6 m，采用混凝土外包鋼結構裝飾段，裝飾段底部焊接于中塔柱鋼柱頂端的承壓板上。中塔柱鋼結構下端通過24根預埋預應力粗鋼筋(采用JL32精軋螺紋鋼筋，張拉控制力為561 kN)與下塔柱混凝土結構錨固連接，連接處設置80 mm厚承壓板；上端通過開孔鋼板連接件和50 mm厚承壓板與上塔柱混凝土結構連接。在中塔柱靠近承壓板部位的內(nèi)外側(cè)均設置若干道加勁肋。

鋼-混結合段是將鋼塔柱上的內(nèi)力傳遞到混凝土塔柱中的關鍵構件，存在鋼和混凝土2種材料，幾何構造復雜，截面突變嚴重[1]；上方的荷載(軸力、剪力、彎矩、扭矩)通過預應力、承壓板、剪力鍵等連接形式傳遞到下方的構件上，受力和傳力機理復雜。江漢六橋主橋橋塔存在2處鋼-混結合段，設計和施工更加復雜。故需研究塔柱鋼-混結合段的受力性能以保證橋塔施工的順利實施和成橋的安全運營。

本文以下塔柱為例，對橋塔鋼-混結合段進行數(shù)值模擬和模型試驗，研究鋼-混結合段各部位在施工階段和運營階段的受力性能、應力分布、安全儲備情況及混凝土抗裂安全性，研究結果可為江漢六橋橋塔鋼-混結合段的實施提供技術支持，并為同類橋梁的設計提供參考。

2 鋼-混結合段數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

采用ANSYS軟件建立下塔柱鋼-混結合段的三維有限元模型。模型總長24.65 m，包含混凝土塔柱18.65 m，鋼塔柱6 m。鋼塔柱采用Shell 281單元模擬，結合段附近混凝土采用Solid 185單元模擬，遠離結合面處混凝土采用Solid 187單元模擬。預應力粗鋼筋采用桿單元模擬，鋼筋的張拉過程通過降溫法模擬。鋼塔柱承壓板和混凝土塔柱的連接通過建立接觸單元采用多點約束算法(Multi-Point Constraint，MPC)模擬。在重點關注區(qū)域——鋼-混結合面附近網(wǎng)格劃分得非常細密，兩端非重點關注區(qū)域劃分較粗。混凝土彈性模量取34.5 GPa，泊松比取0.2；鋼材彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3。模型底部混凝土采用固結約束，在4個鋼塔柱上施加荷載，荷載值由整體桿系有限元模型計算得到。由于鋼塔柱采用板殼單元建模，每個鋼柱的加載斷面有60余個節(jié)點，為正確將內(nèi)力施加在相關節(jié)點上，在加力斷面形心處建立主節(jié)點，將該斷面其他節(jié)點作為從節(jié)點，將斷面內(nèi)力施加在主節(jié)點上[2-4]。下塔柱鋼-混結合段有限元模型見圖1。

圖1 下塔柱鋼-混結合段有限元模型

2.2 主要分析工況

自錨式懸索橋在施工過程中由于鞍座兩側(cè)主纜拉力不同，導致橋塔頂端受力不平衡引起水平力。當不平衡力達到一定程度時需要通過頂推鞍座來減小不平衡力，以避免橋塔開裂[5]。鞍座頂推過程是自錨式懸索橋的重要施工工序，對橋塔有較大影響。該橋施工過程中對鞍座共進行5次頂推。每次頂推前橋塔所受軸力和水平不平衡力均不相同。第1次頂推前橋塔上軸力最小而彎矩較大，隨著施工進程的推進，橋塔受力越來越趨向于軸壓狀態(tài)。

分析工況主要包括頂推過程、恒載作用下及恒載與其他荷載組合作用下鋼塔柱最大軸力工況[6]。具體分析工況為：工況1，第1次頂推前；工況2，第2次頂推前；工況3，第3次頂推前；工況4，第4次頂推前；工況5，第5次頂推前；工況6，恒載作用下軸力最大；工況7，荷載組合作用下軸力最大。

2.3 計算結果分析

計算各工況下鋼-混結合段各部位的應力。經(jīng)計算可得：工況1鋼結構部分的最大Mises應力只有152.9 MPa，且主要分布在應力集中位置，大部分位置的等效應力不超過90 MPa，最大主拉應力為100.2 MPa；混凝土的最大主拉應力為2.8 MPa，主要分布在2個受壓力較大的鋼塔柱之間，大于0.5ftk(ftk為混凝土抗拉強度標準值)的范圍深度約為300 mm，這說明主拉應力主要是由于混凝土的泊松變形被約束所引起的；混凝土的最大主壓應力為10.3 MPa，位于承壓板加勁肋下方，數(shù)值和范圍均較小，受壓安全儲備較大。各工況下鋼-混結合段各部位最大應力見表1。

表1 各工況下鋼-混結合段各部位最大應力

注：應力以受拉為正，受壓為負。

由表1可知：①施工過程中，鋼塔柱最大Mises應力為188.8 MPa，出現(xiàn)在第5次頂推前；在最不利荷載組合作用下，鋼塔柱個別應力集中處最大Mises應力為221.1 MPa，小于鋼材屈服強度，滿足《橋梁用結構鋼》(GB/T 714—2008)[7]要求。②各工況下承壓板的最大Mises應力均不大，最不利荷載組合作用下達到最大值60.9 MPa，遠小于鋼材屈服強度。③施工過程中，混凝土塔柱最大主拉應力為3.6 MPa，出現(xiàn)在第5次頂推前；在最不利荷載組合作用下混凝土最大主拉應力為4.2 MPa?；炷林骼瓚^大的位置在鋼柱之間，分布深度較淺，由于該處已布置較多水平鋼筋網(wǎng)，且計算時忽略了錨固面以上混凝土的有利影響，可認為鋼-混結合段的受力性能不會受到影響。施工時，應重點關注該部位的施工質(zhì)量。

3 模型試驗研究

3.1 模型設計

模型的幾何縮尺比取1∶4?；炷了叨热? m，截面尺寸為1.65 m×1.65 m。鋼塔柱高度取1.54 m，單肢塔柱截面外緣尺寸為370 mm×370 mm。預應力筋采用螺桿代替實際橋的精軋螺紋鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)使強度滿足要求。普通鋼筋采用配筋率等效的方式布置[8]。由于鋼塔柱端部需施加荷載，為防止端部局部失穩(wěn)，增加加勁肋數(shù)量將端部截面加強，并設置平臺以放置千斤頂。

3.2 試驗工況

試驗在計算分析工況的基礎上增加2個工況。工況8：4個鋼塔柱的平均軸力與工況7相同，但向一側(cè)偏載，使混凝土塔柱一側(cè)邊緣接近受拉(不包括預應力)；工況9：各鋼塔柱軸力為工況7各鋼塔軸力的1.5倍。試驗荷載根據(jù)模型比例換算得到。

加載各個工況前，先施加預應力。根據(jù)模型比例換算得到每根預應力的張拉控制力為52.6 kN。每個工況均以施加預應力后的狀態(tài)為初始狀態(tài)，測量的應力值為施加荷載后的應力增量。

3.3 試驗加載及測點布置

試驗采用千斤頂在模型鋼塔柱上端加載。其中，工況1有2個荷載為拉力，采用分配梁上方的2個小千斤頂施加；其余荷載均為壓力，采用分配梁下方的4個大千斤頂(加載能力 3 000 kN)加載。

應變測點根據(jù)有限元分析結果布置。鋼結構測點布置在2個鋼塔柱上，混凝土測點布置在模型側(cè)面和頂面。共布置80個鋼結構測點，53個混凝土測點，選取部分典型測點進行分析。其中，C7,C8,C9,C25,C26,C27為混凝土側(cè)面測點，C43,C44,C45為混凝土頂面測點，S37,S38,S39為鋼塔柱測點，S65,S66,S67,S68為加勁肋測點。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 應力

各加載工況下，部分混凝土測點應力見表2，部分鋼結構測點應力見表3。

表2 各工況下部分混凝土測點應力實測值 MPa

表3 各工況下部分鋼結構測點應力實測值 MPa

由表2、表3可知：①工況1下，受拉鋼塔柱下方混凝土側(cè)面測點(C25,C26,C27)豎向受拉，拉應力最大值為0.98 MPa，受壓鋼塔柱下方混凝土側(cè)面測點(C7,C8,C9)豎向受壓，壓應力最大值為2.42 MPa。工況2—工況9，混凝土側(cè)面各測點應力均為壓應力，工況2和工況3壓應力較小，工況4—工況9壓應力較大，工況8下壓應力最大值為6.02 MPa，疊加預應力后為7.60 MPa，工況9下壓應力最大值為5.92 MPa，疊加預應力后為7.74 MPa。②各工況下，混凝土頂面測點應力基本為拉應力，工況1—工況6拉應力較小，基本都小于2 MPa，工況7—工況9拉應力較大，最大值達4.24 MPa，疊加預應力后為5.47 MPa，超過《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[9]給出的混凝土抗拉強度標準值，但試驗過程中均未觀察到裂縫出現(xiàn)。③工況1下，受拉鋼塔柱測點(S25,S26)豎向受拉，拉應力較?。皇軌轰撍鶞y點(S37,S38)豎向受壓，壓應力最大值約70 MPa。工況2—工況9，鋼塔柱各測點應力均為壓應力：受壓鋼塔柱測點工況2下的應力值比工況1下顯著減小，工況3下的應力值比工況2下稍有減小，工況4下應力值大幅增加，工況5比工況4下應力值略有增加，工況6下應力值有小幅減小，工況7應力值繼續(xù)增加，最大為112.77 MPa，工況8和工況9壓應力顯著增加，最大為159.8 MPa；受拉鋼塔柱測點的應力值變化規(guī)律與受壓鋼塔柱相似，但應力值比受壓測點的小很多。④各工況下，加勁肋上部測點(S65,S67)的豎向應力均為壓應力，在工況9時達到最大值119 MPa；加勁肋下部測點(S66,S68)的應力均為拉應力，整個試驗過程中應力值較小。

各工況下，部分測點應力計算值和實測值對比見圖2?？芍夯炷梁弯撍鶞y點的應力計算值與實測值均相差不大，計算結果與試驗結果吻合較好。

圖2 部分測點應力計算值和實測值對比

在各工況加載過程中，同時對預應力筋的變化進行測量。結果表明：工況1受拉鋼塔柱下預應力筋的拉力相應增加，平均增加值1.16 kN，為設計拉力的2.21%；工況7鋼塔柱受到較大的壓力，預應力筋拉力減小，平均減小值4.24 kN，為設計拉力的8.05%；工況9受壓鋼塔柱下預應力筋拉力減小，平均減小值5.41 kN，為設計拉力的10.29%。由此可見，預應力筋拉力在整個加載過程中變化均不大。

3.4.2 荷載-應力曲線

根據(jù)試驗過程中測得的各測點應力值和荷載值可繪制其荷載-應力曲線。工況9加載過程中部分測點的荷載-應力曲線見圖3(其中P表示工況9下各塔柱的加載值)。

圖3 部分測點荷載-應力曲線

由圖3(a)、圖3(b)可知，混凝土應力基本隨荷載呈線性變化，卸載后略有一些殘余應力，C9測點的相對殘余最大，約為7.6%。由圖3(c)可知，鋼塔柱應力基本隨荷載呈線性變化，卸載后殘余應力很小。試驗過程中無肉眼可見裂縫出現(xiàn)，可認為模型尚在彈性階段。工況9的荷載已是荷載組合下最大軸力工況(工況7)的1.5倍，這說明模型具有足夠的安全儲備。

4 結論

1)施工過程中，鋼塔柱最大Mises應力為188.8 MPa，混凝土最大主拉應力為3.6 MPa，出現(xiàn)在第5次頂推前；最不利荷載組合作用下，鋼塔柱最大Mises應力為221.2 MPa，小于材料屈服強度，主拉應力均在210 MPa以下，滿足規(guī)范要求，混凝土最大主拉應力為4.2 MPa，出現(xiàn)在鋼柱之間，分布深度較淺。

2)在施工過程中和荷載組合作用下，實測混凝土最大壓應力為6.44 MPa，最大拉應力為4.27 MPa(均疊加了預應力)，實測鋼塔柱最大壓應力為112.77 MPa，鋼塔柱拉應力較小。在超載工況下(工況8和工況9)，實測混凝土最大壓應力為7.74 MPa，最大拉應力為5.47 MPa(均疊加了預應力)，鋼塔柱最大壓應力159.8 MPa。

3)試驗過程中，各測點應力隨荷載基本呈線性變化，加載時混凝土未出現(xiàn)肉眼可見裂縫，卸載時殘余應力不大，模型基本處于彈性狀態(tài)。

4)各工況混凝土和鋼結構各測點的應力實測值和計算值相差不大。塔柱鋼-混結合段結構受力安全可靠，在給定的荷載作用下具有足夠的安全儲備。

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