韓建南 張海波 吳桐

摘要 環(huán)湖線花山大橋位于高淳區(qū)南側(cè)固城湖中連接兩岸，主橋?yàn)椤皳P(yáng)帆起航”斜拉橋，采用主跨（100+50+100）m的單柱式拱塔鋼箱梁斜拉橋，主塔采用斜靠式 “心”型拱塔結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用圓柱墩，承臺(tái)為矩形承臺(tái)。由于結(jié)構(gòu)造型需求，結(jié)構(gòu)異形化程度較高，空間曲線型索塔受力較復(fù)雜，而索塔作為將橋梁結(jié)構(gòu)傳遞至基礎(chǔ)的重要結(jié)構(gòu)，其受力安全尤為關(guān)鍵，文章以花山特大橋主橋整體分析為基礎(chǔ)，對(duì)相應(yīng)的下拱塔受力復(fù)雜區(qū)進(jìn)行鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)，并對(duì)鋼混結(jié)合段進(jìn)行局部應(yīng)力分析，為類(lèi)似的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 索塔;受力復(fù)雜區(qū);鋼混結(jié)合段;仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào) U448.27;U443.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0109-04

0 引言

伴隨著斜拉橋的發(fā)展，人們對(duì)景觀要求越來(lái)越高，美觀的外形同時(shí)也具有結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)常常難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)造型需要。鋼混組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

而鋼混結(jié)合段作為鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的結(jié)合部位，受力復(fù)雜，限制因素較多，常規(guī)分析較難解釋清楚其復(fù)雜的受力現(xiàn)狀?；ㄉ酱髽蛳鹿叭Φ匿摶旖Y(jié)合段軸線為空間樣條曲線，其受力更加復(fù)雜，工程經(jīng)驗(yàn)尚不豐富，因此結(jié)合該項(xiàng)目情況，對(duì)空間曲線型索塔受力復(fù)雜區(qū)鋼混結(jié)合段進(jìn)行分析，為該結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

花山大橋?yàn)橹骺纾?00+50+100）m的單柱式拱塔鋼箱梁斜拉橋，主塔采用斜靠式 “心”型拱塔結(jié)構(gòu)，主塔基礎(chǔ)采用4個(gè)分體矩形承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下采用9根直徑2.0 m鉆孔灌注樁。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

花山大橋索塔造型奇特，主塔形式按照景觀造型，立面為一側(cè)傾斜狀拱形塔。拱塔分上拱塔及下拱圈兩個(gè)部分，拱軸曲線為樣條曲線（如圖1）。

下拱圈為拱形結(jié)構(gòu)，常規(guī)拱形結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是在自重恒載和外荷載下主要受軸向壓力，彎矩和剪力很小，常見(jiàn)拱軸線一般為圓弧線、拋物線（如圖2）。

花山大橋下拱圈拱軸線為樣條曲線，并且由于花山大橋獨(dú)特的縱向不對(duì)稱(chēng)索塔造型所產(chǎn)生的巨大水平力作用在橫梁上再傳遞到下拱圈，所以花山大橋下拱圈不同于常規(guī)拱形結(jié)構(gòu)，其在巨大的軸力、剪力、彎矩共同作用下受力極為復(fù)雜（如圖3）。

但是橋塔鋼混結(jié)合段是索塔剛度過(guò)渡段，承受著很大的軸力和彎矩，鋼板和混凝土的受力機(jī)理不明確，應(yīng)力復(fù)雜，必須建立鋼混結(jié)合段處局部三維有限元實(shí)體模型，分析其在荷載作用下的受力特性與應(yīng)力分布情況[2]。

2 整體計(jì)算分析

2.1 全橋有限元分析

研究采用有限元軟件Midas/Civil 2020建立花山大橋空間有限元模型，全橋采用空間桿系單元模擬;主梁和橋塔采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用只受拉桁架單元，斜拉索分別與橋塔、主梁采用彈性連接[3]。計(jì)算模型如圖4所示。

2.2 下拱圈混凝土結(jié)構(gòu)與鋼-混組合結(jié)構(gòu)受力對(duì)比

由圖5可知當(dāng)下拱圈采用混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)最大拉應(yīng)力為12.8 MPa，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求值，最大壓應(yīng)力為20.5 MPa，滿足規(guī)范要求。

由圖6可知當(dāng)下拱圈采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)時(shí)最大拉應(yīng)力為134.6 MPa，鋼結(jié)構(gòu)段最大壓應(yīng)力為100.9 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3 受力復(fù)雜區(qū)鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

3.1 下拱圈鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下拱鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)如圖7所示。

該分析主要從混凝土等級(jí)，承壓板及鋼塔壁厚度三個(gè)方面分析其對(duì)鋼混結(jié)合段受力影響，各部分構(gòu)件參數(shù)如表1。

3.2 鋼混結(jié)合段受力分析

采用土木領(lǐng)域?qū)Ｓ玫姆抡娣治鲕浖﨧idas FEA NX建立花山大橋下拱圈鋼混結(jié)合段局部模型，如圖8所示。本次研究的花山大橋橫橋向?yàn)閷?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，模型建立僅選擇38#號(hào)墩左幅下拱圈作為計(jì)算對(duì)象。模型包括混凝土拱塔、鋼混結(jié)合段、塔座、承臺(tái)、承壓鋼板、預(yù)應(yīng)力鋼束等結(jié)構(gòu)。鋼混結(jié)合段具體模型如圖8所示。

模型外力由整體計(jì)算結(jié)果讀取，通過(guò)換算成相應(yīng)的集中力及彎矩作用于下拱圈結(jié)構(gòu)。下拱圈鋼混結(jié)合段受力分析時(shí)不考慮樁土作用，故有限元模型中混凝土承臺(tái)底面樁頂區(qū)域采用固結(jié)約束[4]。

3.3 主要分析結(jié)果與分析

該文主要比較在不同因素影響下的承壓板、鋼塔壁、加勁肋三者的應(yīng)力變化。

鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分析結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。

（1）以鋼-混結(jié)合段有限元模型為基礎(chǔ)，以探究不同等級(jí)混凝土對(duì)鋼-混結(jié)合段各部位應(yīng)力的影響。具體結(jié)果如表2。

由表2可知，隨著混凝土等級(jí)的提高，鋼混結(jié)合段承壓板、鋼塔壁、加勁肋的Mises應(yīng)力逐步減小，混凝土等級(jí)的提高可以輕微改善承壓式鋼-混結(jié)合段的應(yīng)力狀況，但其變化幅度極小。因?yàn)樵阡摶旖Y(jié)合段內(nèi)混凝土屬于三向受壓狀態(tài)，混凝土強(qiáng)度得到提高，因此在滿足鋼混結(jié)合段以外的混凝土構(gòu)件安全的基礎(chǔ)上，不必過(guò)度追求高等級(jí)混凝土。

（2）承壓板厚度對(duì)結(jié)合段的應(yīng)力影響。以鋼-混結(jié)合段有限元模型為基礎(chǔ)，以探究不同厚度承壓鋼板對(duì)鋼-混結(jié)合段各部位應(yīng)力的影響，具體結(jié)果如表3。

由表3可知隨著承壓板厚度的增加鋼混段承壓板的Mises應(yīng)力減小幅度較大，而鋼塔壁和加勁肋的應(yīng)力變化幅度很小，可以忽略。因此可適當(dāng)增加承壓板厚度以達(dá)到減小承壓板應(yīng)力的目的。

（3）鋼塔壁厚度對(duì)結(jié)合段的應(yīng)力影響。以鋼-混結(jié)合段有限元模型為基礎(chǔ)，以探究不同厚度鋼塔壁對(duì)鋼-混結(jié)合段各部位應(yīng)力的影響，具體結(jié)果如表4。

下面分別分析各部分的應(yīng)力變化趨勢(shì)：

由表4可知，隨著鋼塔壁厚度的增加，鋼混結(jié)合段承壓板、加勁肋的Mises應(yīng)力最大值逐步減小。鋼混段承壓板的Mises應(yīng)力減小幅度較小，且具有較大富余值;鋼混段鋼塔壁的Mises應(yīng)力減小幅度較大，但是通過(guò)篩選不同鋼塔壁厚度模型中鋼塔壁應(yīng)力值大于120 MPa的單元，如圖12所示。由圖12發(fā)現(xiàn)鋼塔壁絕大部分單元的應(yīng)力值在120 MPa以下，所以在滿足結(jié)構(gòu)安全的情況下鋼塔壁無(wú)須過(guò)厚。由圖13可發(fā)現(xiàn)加勁肋絕大部分單元的應(yīng)力值在100 MPa以下，鋼塔壁厚度對(duì)加勁肋應(yīng)力分布影響較小。

3.4 總結(jié)

（1）混凝土等級(jí)的提高可以減小混凝土的最大主拉應(yīng)力與最大主壓應(yīng)力絕對(duì)值、承壓板及鋼塔壁、加勁肋的Mises應(yīng)力，輕微改善承壓式鋼-混結(jié)合段的應(yīng)力狀況，但其變化幅度極小，因此在滿足構(gòu)件安全的基礎(chǔ)上，不必過(guò)度追求高等級(jí)混凝土。

（2）隨著承壓板不斷加厚，混凝土下拱圈的最大主拉應(yīng)力與最大主壓應(yīng)力絕對(duì)值、承壓板、鋼塔壁、加勁肋最大值均減小，可以改善鋼-混結(jié)合段的應(yīng)力狀況，使鋼-混結(jié)合段更均勻流暢地傳遞鋼拱塔內(nèi)力，對(duì)混凝土拱腳的受力也產(chǎn)生有利影響[5]。

（3）鋼塔壁厚度的增加可以減小混凝土的最大主拉應(yīng)力與最大主壓應(yīng)力絕對(duì)值、承壓板及鋼塔壁、加勁肋的Mises應(yīng)力，但是變化幅度較小，增加鋼塔壁的厚度只能減小局部應(yīng)力集中的受力情況，所以通過(guò)增加鋼塔壁厚度的方式并不經(jīng)濟(jì)，在滿足構(gòu)件安全的基礎(chǔ)上，不必設(shè)置過(guò)厚的鋼塔壁。

4 結(jié)語(yǔ)

分析空間曲線型索塔受力復(fù)雜區(qū)受力特征，通過(guò)比選采用鋼混組合結(jié)構(gòu)解決了受巨大水平力和橫向彎矩作用下的拱形結(jié)構(gòu)受力難題;并通過(guò)對(duì)混凝土等級(jí)、鋼塔壁厚度、承壓板厚度等因素分析，優(yōu)化鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算成果表明各構(gòu)件處于彈性階段，滿足工程實(shí)際需求。在異形橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，滿足橋梁結(jié)構(gòu)受力要求，并根據(jù)材料特性進(jìn)行合適的模擬選型，此方法可為類(lèi)似橋梁提供參考。此計(jì)算結(jié)果未考慮疲勞荷載作用，可進(jìn)一步對(duì)該研究結(jié)果加入疲勞荷載作用，檢驗(yàn)材料的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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