徽水河大橋塔梁結(jié)合段構(gòu)造優(yōu)化研究

馮 鈺

(中鐵二十一局集團(tuán)第三工程有限公司 陜西咸陽 712000)

1 引言

斜拉橋以其合理的結(jié)構(gòu)體系、良好的受力性能、優(yōu)越的跨越能力得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著斜拉橋建造技術(shù)和應(yīng)用范圍的拓展，其在中小跨徑橋梁中的應(yīng)用也不斷增多[1－2]。

鋼板組合梁斜拉橋是斜拉橋常用的主梁結(jié)構(gòu)形式之一，采用鋼板組合梁作為主梁，適于工業(yè)化建造，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好。在跨徑相對較小時，主梁與橋塔之間往往采取固結(jié)連接，塔梁固結(jié)區(qū)域的構(gòu)造給橋梁設(shè)計及施工帶來了一定的難度[3－4]。

組合梁主梁與橋塔的固結(jié)處是影響全橋安全的關(guān)鍵局部，橋塔塔柱、橫梁、組合梁主梁等多個構(gòu)件在此處交匯，其空間受力和局部構(gòu)造均較為復(fù)雜，屬于典型的應(yīng)力擾動區(qū)[5－7]。從剛度相對較小的主梁過渡到剛度較大的橋塔固結(jié)區(qū)，存在明顯的剛度突變，如果局部構(gòu)造不合理，可能會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，影響結(jié)構(gòu)安全，因此基于精細(xì)化分析開展塔梁結(jié)合段構(gòu)造優(yōu)化對于保障結(jié)構(gòu)安全意義重大[8－10]。

由于塔梁固結(jié)區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造和空間受力需求，一般需要配置較多的普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束等，為保證鋼梁與混凝土橋塔之間的連接性能還需要設(shè)置剪力連接件以及其他加勁措施，局部的鋼筋、預(yù)埋件、加勁鋼板等各種構(gòu)造細(xì)節(jié)較多，位置復(fù)雜，傳統(tǒng)的平面設(shè)計往往難以全面考慮，從而在施工時出現(xiàn)空間位置沖突，影響結(jié)合段的順利施工[11－12]。故而從施工便利性角度考慮，也很有必要結(jié)合三維可視化方法對塔梁結(jié)合段的局部構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬和檢查，對復(fù)雜的連接構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化和避讓，改善塔梁固結(jié)區(qū)可施工性，提高結(jié)合段施工質(zhì)量和效率。

本文依托蕪黃高速徽水河大橋，從受力需求和施工便利性的角度對塔梁結(jié)合段的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 依托工程概況

徽水河大橋是安徽省S11蕪湖至黃山高速公路跨越徽水河和G205的控制性工程。橋位處路線采用分離式路基，其中左幅中心樁號為ZK85＋557，右幅中心樁號為YK85＋563。大橋于安徽省旌德縣三溪鎮(zhèn)中跨跨越徽水河，邊跨跨越現(xiàn)有G205國道，橋梁小里程側(cè)為大開挖路塹，大里程側(cè)與太山1號隧道相接，建設(shè)條件較為復(fù)雜。左幅跨徑布置為(48＋80＋40)m，右幅跨徑布置為(48＋80＋40)m＋30 m。主橋采用低塔柔性體系鋼板組合梁斜拉橋，右幅引橋為單跨雙主梁鋼板組合梁橋，橋梁總體布置見圖1。

圖1 左幅總體布置(單位:m)

塔柱采用外傾H型塔柱，1＃橋塔設(shè)置5對拉索，2＃橋塔設(shè)置4對拉索。拉索采用鋼絞線拉索，在橋塔內(nèi)通過夾持型鞍座進(jìn)行錨固，在梁端通過外掛鋼錨箱錨固。

主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2，單幅橋梁總寬度為12.25 m，主梁采用雙邊鋼板組合梁結(jié)構(gòu)。鋼縱梁為工字型斷面，橫向間距為11.75 m，鋼縱梁高度為1.5 m，鋼縱梁上翼緣寬度為0.5 m，下翼緣寬度為0.8 m。鋼縱梁之間通過工字型鋼橫梁連接，在鋼縱梁和鋼橫梁頂部設(shè)置0.25 m厚的預(yù)制鋼筋混凝土橋面，組成雙邊工字型鋼板組合梁。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:cm)

3 基于受力性能的構(gòu)造優(yōu)化分析

3.1 分析方法

采用大型通用有限元計算軟件Ansys建立了塔根3個節(jié)段的局部模型，總長為39 m。鋼梁和混凝土橋面板之間采用共節(jié)點處理，預(yù)應(yīng)力筋單元為LINK8單元，與混凝土單元之間通過約束方程法耦合，預(yù)應(yīng)力荷載采用降溫法施加。局部分析模型見圖3。

圖3 塔梁結(jié)合段局部分析模型

為模擬局部模型邊界條件，橋塔底部按固結(jié)處理，在塔柱頂部、模型左端和右端分別采用BEAM4單元建立剛臂，剛臂處施加從全橋桿系計算模型中提取的對應(yīng)截面內(nèi)力，以使局部模型受力狀態(tài)接近真實情況。

3.2 塔梁結(jié)合段受力性能分析

原結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計方案中，鋼梁與橋塔結(jié)合面設(shè)有橫橋向通長的加勁鋼板，鋼主梁僅腹板穿過橋塔，通過加勁鋼板上布置的預(yù)應(yīng)力鋼束及鋼梁腹板上設(shè)置的剪力釘實現(xiàn)與橋塔連接。

分析結(jié)果見圖4，鋼主梁下緣在塔梁結(jié)合處出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力水平約216 MPa，局部角點應(yīng)力峰值達(dá)到277 MPa。加勁鋼板總體應(yīng)力較小，在31.5～62.2 MPa之間。

圖4 鋼主梁Mises應(yīng)力云圖(單位:MPa)

混凝土橋面板總體縱向應(yīng)力水平在－5.89～3.0 MPa之間。在橋面板與橋塔上橫梁連接處，由于未設(shè)置倒角，應(yīng)力過渡不平順，橋面板上緣出現(xiàn)了約3 MPa的拉應(yīng)力。

3.3 構(gòu)造優(yōu)化及優(yōu)化后效果對比

根據(jù)受力特點對其構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，在橋面板懸臂根部與橋塔連接處增設(shè)(0.5×0.5)m加腋；將橫向通長的加勁鋼板縮減范圍，僅在兩道鋼主梁與橋塔結(jié)合處設(shè)置，寬度均為1.1 m，同時在加勁鋼板與鋼主梁腹板之間增設(shè)水平加勁肋；鋼主梁全斷面穿過塔身。

優(yōu)化后，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了有效控制，固結(jié)區(qū)域鋼梁下緣最大應(yīng)力減小至110 MPa，僅在鋼主梁變高處還有局部集中，應(yīng)力水平在191 MPa內(nèi)。增設(shè)倒角后，橋面板上緣拉應(yīng)力降低到了1.2 MPa，應(yīng)力過渡更為平順，見圖5。優(yōu)化后的塔梁固結(jié)區(qū)受力狀況良好，能滿足橋梁使用安全和耐久的要求。

圖5 優(yōu)化后混凝土橋面板縱向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

優(yōu)化前后關(guān)鍵位置的應(yīng)力變換對比情況見圖6。由圖6可知，鋼梁的平均應(yīng)力和應(yīng)力極值點均有明顯改善，且應(yīng)力均控制在合理的范圍內(nèi)。混凝土橋面板的拉應(yīng)力有大幅改善，其最大拉應(yīng)力控制在混凝的抗拉設(shè)計強度范圍內(nèi)。

圖6 優(yōu)化效果對比

4 基于BIM的可施工性細(xì)節(jié)優(yōu)化

4.1 施工難題與優(yōu)化思路

徽水河大橋橋塔為外傾式塔柱，主梁與橫梁、塔柱在該區(qū)域內(nèi)采用固結(jié)處理，塔柱、橫梁及鋼縱梁連為一體，構(gòu)造非常復(fù)雜，是大橋施工過程的關(guān)鍵節(jié)點，也是施工過程需要解決的重要難題。在結(jié)合段區(qū)域存在明顯的位置沖突包括:鋼梁翼緣與橋塔的豎向主筋出現(xiàn)位置沖突；橫梁的主筋、預(yù)應(yīng)力筋于腹板位置沖突；結(jié)合段內(nèi)縱向精軋螺紋鋼筋與部分橋塔主筋位置重疊；橫梁內(nèi)的橫向預(yù)應(yīng)力及主筋與橋塔主筋位置沖突。這些位置沖突都是影響塔梁結(jié)合段正常施工的難題，且在前期設(shè)計未做充分考慮。

為了提高結(jié)合段施工質(zhì)量，避免發(fā)生傳統(tǒng)施工現(xiàn)場割補現(xiàn)象，施工前采用BIM模型對主要構(gòu)件的空間位置進(jìn)行校驗。并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合受力分析確定避讓原則，對結(jié)合段的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，提高現(xiàn)場施工效率，提升塔梁結(jié)合段的品質(zhì)。

4.2 結(jié)合段施工BIM細(xì)節(jié)模擬及優(yōu)化

結(jié)合受力分析優(yōu)化結(jié)果，對塔梁固結(jié)區(qū)域建立BIM模型，在模型中準(zhǔn)確模擬橋塔的豎向主筋、鋼縱梁、鋼橫梁、橫梁內(nèi)主筋、預(yù)應(yīng)力筋和箍筋，見圖7。通過BIM模擬發(fā)現(xiàn)鋼梁下翼緣與橋塔豎向鋼筋、橫梁主筋與橋塔主筋、預(yù)應(yīng)力管道與鋼梁腹板均出現(xiàn)嚴(yán)重沖突。

圖7 塔梁結(jié)合段模型及施工現(xiàn)場

由于主梁在結(jié)合段范圍的正應(yīng)力通過端板以受壓方式錨固在橫梁中，因此節(jié)段內(nèi)主梁的剛度略有降低，但對其總體受力影響較小。橋塔范圍內(nèi)布置精軋螺紋鋼筋的目的是均勻地將鋼梁與混凝土橫梁壓緊，因此在保障均勻性的前提下，位置可略作調(diào)整。

基于上述原則對結(jié)合段構(gòu)造完成以下優(yōu)化:(1)塔橋主筋與鋼梁下翼緣沖突時，在鋼梁下翼緣開孔，為橋塔主筋安裝預(yù)留空間；(2)調(diào)整橫向預(yù)應(yīng)力避讓橋塔豎向主筋，優(yōu)化其位置，并在優(yōu)化后的位置處對鋼梁腹板開孔，預(yù)留管道位置；(3)保持橫梁主筋連續(xù)，于鋼梁腹板下方橫梁主筋對應(yīng)位置開孔，形成PBL鍵效應(yīng)，提高鋼梁和混凝土的整體性；(4)縱向精軋螺紋鋼筋位置調(diào)整避開橋塔豎向鋼筋，在調(diào)整后位置于鋼梁端板進(jìn)行開孔。

通過優(yōu)化，形成了滿足施工的合理構(gòu)造，確定了鋼梁的開孔位置，保障了開孔質(zhì)量與精度。在現(xiàn)場安裝時只需按照模擬分析得到的工序直接安裝即可，避免了現(xiàn)場出現(xiàn)位置沖突。

5 結(jié)束語

以徽水河大橋為依托，從受力性能需要和施工便利性角度對塔梁結(jié)合段的合理構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化研究，得到以下結(jié)論:

(1)利用Ansys有限元模型分析徽水河大橋塔梁固結(jié)段的受力狀態(tài)，并針對應(yīng)力局部集中的問題提出了合理的優(yōu)化措施，通過增加加勁的方式減低應(yīng)力集中，并降低了混凝土的拉應(yīng)力。

(2)優(yōu)化后的塔梁固結(jié)段的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效控制，固結(jié)區(qū)域鋼梁下緣最大應(yīng)力減小至110 MPa，在變高處最大應(yīng)力控制在191 MPa以下。增設(shè)倒角后，橋面板拉應(yīng)力降低至1.2 MPa，小于混凝土抗拉設(shè)計強度，滿足了橋梁使用安全和耐久性要求。

(3)利用BIM模型對徽水河大橋塔梁結(jié)合段內(nèi)鋼梁、預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋的空間位置進(jìn)行優(yōu)化，以橋塔主筋、橫梁主筋及橫向預(yù)應(yīng)力連續(xù)為原則，通過對重疊位置關(guān)系優(yōu)化，對埋入橫梁和橋塔范圍內(nèi)鋼梁腹板和下翼緣進(jìn)行開孔放樣，形成了施工便利的合理構(gòu)造。

(4)優(yōu)化得到的塔梁結(jié)合段構(gòu)造是一種簡潔合理的構(gòu)造形式，可以在類似斜拉橋中應(yīng)用，基于BIM的優(yōu)化方法可為其他復(fù)雜構(gòu)造可施工性優(yōu)化提供參考。