自錨式懸索橋橋塔鋼-混結(jié)合段受力的試驗(yàn)研究

劉迎倩

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jí)為城市主干路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載為公路Ⅰ級(jí)。主橋?yàn)橹骺?52 m雙塔自錨式懸索橋，標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?1 m，雙向8車道。橋塔為鋼-混組合框架型結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，其余為混凝土結(jié)構(gòu)。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(duì)稱布置的4個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下端通過24根預(yù)埋預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)錨固連接，連接處設(shè)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(jié)構(gòu)連接。在中塔柱靠近承壓板部位的內(nèi)外側(cè)均設(shè)置若干道加勁肋。

鋼-混結(jié)合段是將鋼塔柱上的內(nèi)力傳遞到混凝土塔柱中的關(guān)鍵構(gòu)件，存在鋼和混凝土2種材料，幾何構(gòu)造復(fù)雜，截面突變嚴(yán)重[1]；上方的荷載(軸力、剪力、彎矩、扭矩)通過預(yù)應(yīng)力、承壓板、剪力鍵等連接形式傳遞到下方的構(gòu)件上，受力和傳力機(jī)理復(fù)雜。江漢六橋主橋橋塔存在2處鋼-混結(jié)合段，設(shè)計(jì)和施工更加復(fù)雜。故需研究塔柱鋼-混結(jié)合段的受力性能以保證橋塔施工的順利實(shí)施和成橋的安全運(yùn)營。

本文以下塔柱為例，對(duì)橋塔鋼-混結(jié)合段進(jìn)行數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，研究鋼-混結(jié)合段各部位在施工階段和運(yùn)營階段的受力性能、應(yīng)力分布、安全儲(chǔ)備情況及混凝土抗裂安全性，研究結(jié)果可為江漢六橋橋塔鋼-混結(jié)合段的實(shí)施提供技術(shù)支持，并為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

2 鋼-混結(jié)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(jié)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(jié)合段附近混凝土采用Solid 185單元模擬，遠(yuǎn)離結(jié)合面處混凝土采用Solid 187單元模擬。預(yù)應(yīng)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(diǎn)約束算法(Multi-Point Constraint，MPC)模擬。在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域——鋼-混結(jié)合面附近網(wǎng)格劃分得非常細(xì)密，兩端非重點(diǎn)關(guān)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(jié)約束，在4個(gè)鋼塔柱上施加荷載，荷載值由整體桿系有限元模型計(jì)算得到。由于鋼塔柱采用板殼單元建模，每個(gè)鋼柱的加載斷面有60余個(gè)節(jié)點(diǎn)，為正確將內(nèi)力施加在相關(guān)節(jié)點(diǎn)上，在加力斷面形心處建立主節(jié)點(diǎn)，將該斷面其他節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，將斷面內(nèi)力施加在主節(jié)點(diǎn)上[2-4]。下塔柱鋼-混結(jié)合段有限元模型見圖1。

圖1 下塔柱鋼-混結(jié)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(dǎo)致橋塔頂端受力不平衡引起水平力。當(dāng)不平衡力達(dá)到一定程度時(shí)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(duì)橋塔有較大影響。該橋施工過程中對(duì)鞍座共進(jìn)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(jìn)程的推進(jìn)，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(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算各工況下鋼-混結(jié)合段各部位的應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算可得：工況1鋼結(jié)構(gòu)部分的最大Mises應(yīng)力只有152.9 MPa，且主要分布在應(yīng)力集中位置，大部分位置的等效應(yīng)力不超過90 MPa，最大主拉應(yīng)力為100.2 MPa；混凝土的最大主拉應(yīng)力為2.8 MPa，主要分布在2個(gè)受壓力較大的鋼塔柱之間，大于0.5ftk(ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)的范圍深度約為300 mm，這說明主拉應(yīng)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(yīng)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(chǔ)備較大。各工況下鋼-混結(jié)合段各部位最大應(yīng)力見表1。

表1 各工況下鋼-混結(jié)合段各部位最大應(yīng)力

注：應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)。

由表1可知：①施工過程中，鋼塔柱最大Mises應(yīng)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(gè)別應(yīng)力集中處最大Mises應(yīng)力為221.1 MPa，小于鋼材屈服強(qiáng)度，滿足《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 714—2008)[7]要求。②各工況下承壓板的最大Mises應(yīng)力均不大，最不利荷載組合作用下達(dá)到最大值60.9 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度。③施工過程中，混凝土塔柱最大主拉應(yīng)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(yīng)力為4.2 MPa?；炷林骼瓚?yīng)力較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(jì)算時(shí)忽略了錨固面以上混凝土的有利影響，可認(rèn)為鋼-混結(jié)合段的受力性能不會(huì)受到影響。施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該部位的施工質(zhì)量。

3 模型試驗(yàn)研究

3.1 模型設(shè)計(jì)

模型的幾何縮尺比取1∶4。混凝土塔柱高度取1 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(yù)應(yīng)力筋采用螺桿代替實(shí)際橋的精軋螺紋鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)使強(qiáng)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(qiáng)，并設(shè)置平臺(tái)以放置千斤頂。

3.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在計(jì)算分析工況的基礎(chǔ)上增加2個(gè)工況。工況8：4個(gè)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(yù)應(yīng)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(yàn)荷載根據(jù)模型比例換算得到。

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

3.3 試驗(yàn)加載及測(cè)點(diǎn)布置

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

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)根據(jù)有限元分析結(jié)果布置。鋼結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置在2個(gè)鋼塔柱上，混凝土測(cè)點(diǎn)布置在模型側(cè)面和頂面。共布置80個(gè)鋼結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)，53個(gè)混凝土測(cè)點(diǎn)，選取部分典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。其中，C7,C8,C9,C25,C26,C27為混凝土側(cè)面測(cè)點(diǎn)，C43,C44,C45為混凝土頂面測(cè)點(diǎn)，S37,S38,S39為鋼塔柱測(cè)點(diǎn)，S65,S66,S67,S68為加勁肋測(cè)點(diǎn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 應(yīng)力

各加載工況下，部分混凝土測(cè)點(diǎn)應(yīng)力見表2，部分鋼結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力見表3。

表2 各工況下部分混凝土測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值 MPa

表3 各工況下部分鋼結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)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(cè)點(diǎn)(C25,C26,C27)豎向受拉，拉應(yīng)力最大值為0.98 MPa，受壓鋼塔柱下方混凝土側(cè)面測(cè)點(diǎn)(C7,C8,C9)豎向受壓，壓應(yīng)力最大值為2.42 MPa。工況2—工況9，混凝土側(cè)面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均為壓應(yīng)力，工況2和工況3壓應(yīng)力較小，工況4—工況9壓應(yīng)力較大，工況8下壓應(yīng)力最大值為6.02 MPa，疊加預(yù)應(yīng)力后為7.60 MPa，工況9下壓應(yīng)力最大值為5.92 MPa，疊加預(yù)應(yīng)力后為7.74 MPa。②各工況下，混凝土頂面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，工況1—工況6拉應(yīng)力較小，基本都小于2 MPa，工況7—工況9拉應(yīng)力較大，最大值達(dá)4.24 MPa，疊加預(yù)應(yīng)力后為5.47 MPa，超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[9]給出的混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但試驗(yàn)過程中均未觀察到裂縫出現(xiàn)。③工況1下，受拉鋼塔柱測(cè)點(diǎn)(S25,S26)豎向受拉，拉應(yīng)力較?。皇軌轰撍鶞y(cè)點(diǎn)(S37,S38)豎向受壓，壓應(yīng)力最大值約70 MPa。工況2—工況9，鋼塔柱各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均為壓應(yīng)力：受壓鋼塔柱測(cè)點(diǎn)工況2下的應(yīng)力值比工況1下顯著減小，工況3下的應(yīng)力值比工況2下稍有減小，工況4下應(yīng)力值大幅增加，工況5比工況4下應(yīng)力值略有增加，工況6下應(yīng)力值有小幅減小，工況7應(yīng)力值繼續(xù)增加，最大為112.77 MPa，工況8和工況9壓應(yīng)力顯著增加，最大為159.8 MPa；受拉鋼塔柱測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值變化規(guī)律與受壓鋼塔柱相似，但應(yīng)力值比受壓測(cè)點(diǎn)的小很多。④各工況下，加勁肋上部測(cè)點(diǎn)(S65,S67)的豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，在工況9時(shí)達(dá)到最大值119 MPa；加勁肋下部測(cè)點(diǎn)(S66,S68)的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，整個(gè)試驗(yàn)過程中應(yīng)力值較小。

各工況下，部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖2?？芍夯炷梁弯撍鶞y(cè)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均相差不大，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖2 部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

在各工況加載過程中，同時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的變化進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明：工況1受拉鋼塔柱下預(yù)應(yīng)力筋的拉力相應(yīng)增加，平均增加值1.16 kN，為設(shè)計(jì)拉力的2.21%；工況7鋼塔柱受到較大的壓力，預(yù)應(yīng)力筋拉力減小，平均減小值4.24 kN，為設(shè)計(jì)拉力的8.05%；工況9受壓鋼塔柱下預(yù)應(yīng)力筋拉力減小，平均減小值5.41 kN，為設(shè)計(jì)拉力的10.29%。由此可見，預(yù)應(yīng)力筋拉力在整個(gè)加載過程中變化均不大。

3.4.2 荷載-應(yīng)力曲線

根據(jù)試驗(yàn)過程中測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值和荷載值可繪制其荷載-應(yīng)力曲線。工況9加載過程中部分測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)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(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)力曲線

由圖3(a)、圖3(b)可知，混凝土應(yīng)力基本隨荷載呈線性變化，卸載后略有一些殘余應(yīng)力，C9測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余最大，約為7.6%。由圖3(c)可知，鋼塔柱應(yīng)力基本隨荷載呈線性變化，卸載后殘余應(yīng)力很小。試驗(yàn)過程中無肉眼可見裂縫出現(xiàn)，可認(rèn)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(chǔ)備。

4 結(jié)論

1)施工過程中，鋼塔柱最大Mises應(yīng)力為188.8 MPa，混凝土最大主拉應(yīng)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(yīng)力為221.2 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，主拉應(yīng)力均在210 MPa以下，滿足規(guī)范要求，混凝土最大主拉應(yīng)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(shí)測(cè)混凝土最大壓應(yīng)力為6.44 MPa，最大拉應(yīng)力為4.27 MPa(均疊加了預(yù)應(yīng)力)，實(shí)測(cè)鋼塔柱最大壓應(yīng)力為112.77 MPa，鋼塔柱拉應(yīng)力較小。在超載工況下(工況8和工況9)，實(shí)測(cè)混凝土最大壓應(yīng)力為7.74 MPa，最大拉應(yīng)力為5.47 MPa(均疊加了預(yù)應(yīng)力)，鋼塔柱最大壓應(yīng)力159.8 MPa。

3)試驗(yàn)過程中，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨荷載基本呈線性變化，加載時(shí)混凝土未出現(xiàn)肉眼可見裂縫，卸載時(shí)殘余應(yīng)力不大，模型基本處于彈性狀態(tài)。

4)各工況混凝土和鋼結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值相差不大。塔柱鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)受力安全可靠，在給定的荷載作用下具有足夠的安全儲(chǔ)備。

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