上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司
摘要：随着斜拉桥的快速发展，对结构的合理性提出了新的要求，钢与混凝土组合结构以其良好的受力性能和经济性，钢结构桥塔采用整体竖转的施工方法进行钢拱塔的低空吊装拼接，可降低钢拱塔结构的高空拼装工作难度，使钢拱塔最终安装精度得到了有效的保证。但是竖转施工工艺对塔根部混凝土的产生了额外弯矩，大大提高了桥塔钢-混凝土结合段的设计难度。以金华金婺大桥（独塔斜拉桥）为工程背景，采用ABAQUS工程有限元模拟软件进行三维有限元模拟计算，优化了桥塔钢-混凝土结合段的内构造设计，使结构荷载能够快速扩散传至混凝土段。
关键词：斜拉桥；拱形桥塔；竖转；钢-混结合段
1.前言
斜拉桥索塔按材料可分为钢筋混凝土索塔、钢索塔、钢-混凝土混合索塔和钢管混凝土索塔等，已建的绝大多数斜拉桥均采用混凝土索塔[1]。近年来，钢-混凝土组合结构索塔在斜拉桥中得到应用，南京长江三桥的桥塔结构为上塔柱采用钢塔，而下塔柱采用混凝土塔的组合形式[2]。．南京长江三桥桥塔钢－混结合段设置在下塔柱与下横梁交汇处，结合段沿桥塔轴线方向高为8.755ｍ[3]钢-混凝土混合索塔上塔柱为钢结构可充分降低结构重量，并满足桥塔在地震作用下的抗力性能，下塔柱采用混凝土结构可充分利用混凝土强大的抗压能力满足斜拉桥索塔的极大竖向压力。竖转施工钢桥塔需要在很短的钢-混凝土结合段内，将钢塔上巨大的轴力与弯矩传递给下混凝土塔柱，因此对结合段的构造形式及剪力键的选用有严格的要求。
2.工程简介及索塔钢-混凝土结合段构造设计
金婺大桥主桥为独塔双索面斜拉桥，主桥跨径组合为85m+143m+37m，梁高2.7m。主桥采用塔墩梁固结体系，主梁断面采用双箱双室纵梁，矩形截面横梁；主塔采用拱形桥塔，外侧为圆弧形的多边异形箱型结构。单个塔腿截面尺寸为宽（横桥向）5m，长（顺桥向）5m，桥面以上钢塔柱高82.4m，桥面以下混凝土塔柱高13.511m，如图1所示。斜拉索为双索面扇形布置，全桥共设置30对索。桥塔钢-混结合段布置在桥面以上高3m范围内，采用前承压板+PBL件的传力模式。钢-混结合段高3m，承压板厚60mm，塔壁厚36mm。承压板以上2m范围内的塔壁加劲板设置为变宽T型加劲板。采用φ60PBL孔，穿孔钢筋为Φ20的HRB400普通钢筋。钢塔与混凝土塔之间的内力传递主要是通过承压板、PBL剪力键以及钢壁面与混凝土之间粘结摩阻三种途径来进行。这三种途径对压应力、拉应力以及剪应力等的传力机理各不相同，承压板及PBL剪力键的传力作用是主要的，而钢壁面与混凝土之间的粘结摩阻有较大的不确定性。
图1.主桥总体布置图
3.钢-混结合段有限元分析
3.1模型
采用通用有限元软件ABAQUS进行三维有限元仿真分析，如图3所示。混凝土结构采用实体单元SOLID65模拟。剪力钉及PBL键内穿孔钢筋采用梁单元BEAM188模拟，钢板采用壳单元SHELL63模拟。在有限元模型底部混凝土施加3个方向的平动约束，以模拟实际结构底部固结的状态。根据圣维南原理，计算区域上下端各取3m左右计算段。
图3.有限元模型
3.2荷载组合
主要考虑结构自重、温度作用、车辆及人行移动荷载、拉索力，选取轴力最大及弯矩最大荷载组合最不利工况进行验算。
3.3计算结果与分析
主要分析钢混结合段的传力分布是否合理，各主要传力构件是否满足设计强度。
1）混凝土段受力分析
钢混结合段混凝土整体受力较为均匀，属于小偏心受压构件，如图4，弯矩垂直方向产生约4.7MPa拉应力，因此在设计中增加了精轧螺纹钢进行预压。在贴近外钢壁处有局部较大压应力11.1MPa,主要由于钢壁与混凝土的相对局部变形引起。绝大部分压应力在2~3MPa之间，应力幅较小。
图4.混凝土主应力云图(单位：MPa)
2）钢塔壁受力分析
钢塔壁最大Mises应力约170MPa，逐渐均匀降至1.15MPa，说明荷载传递较为均衡，无明显断层。钢塔壁最大主应力为220MPa（受压），发生在荷载作用面处两垂直壁交点，主要由于荷载较粗，局部节点出现应力集中。钢塔壁板传递约30%总荷载。
图5.钢塔壁主应力云图(单位：MPa)
4）承压板受力分析
承压板最大Mises应力约108MPa，最小应力约1.64MPa，并且绝大部分应力在1~3MPa之间，受力较为均衡。承压板最大主应力为147MPa（受拉），加劲肋与承压板交接面附近。从承压板受力上，承压板传递约30%总荷载。
图6.承压板Mises应力云图(单位：MPa)图7.承压板主应力云图(单位：MPa)
5）内隔板及加劲板受力分析
内隔板最大Mises应力约136MPa，最小应力约6.19MPa，受力较为均衡，内隔板最大主应力为134.6MPa（受压）。加劲板最大Mises应力约100MPa，最小应力约8MPa，受力较为均衡，加劲板最大主应力为103MPa（受压）。加劲板及隔板传力趋势基本一直，并且最大应力基本出现在靠边缘附近角点。
图10.加劲板Mises应力云图(单位：MPa)图11.加劲板主应力云图(单位：MPa)
由以上钢-混结合段主要受力构件的分析结果可知，所有钢结构板最大应力均小于220MPa，远远低于钢材的屈服强度[4]，满足规范要求。混凝土结构局部有4.7MPa拉应力，可在相应部位增加预应力钢筋减小主拉应力。钢混结合段整体传力较为均衡。
4.钢混结合段优化设计
对于较短的钢混结合段，为了让荷载尽快均匀的专递给混凝土段，基于计算分析，进行如下优化设计：
1）充分利用钢塔的加劲板传力，延长加劲板变厚范围；
2）将精轧螺纹钢锚固在塔梁结合段内部，充分利用梁上空间；
3）密配结合段塔壁的剪力钉，增加荷载扩散能力；
4）钢混结合段的承压板断面应与竖转施工的转铰错开布置，避免过大集中力。
5.结论
１）通过计算可知，钢－混结合段的变形较小，钢箱顶端应力大于钢箱底部应力，竖向应力沿高度方向的分布较为接近线性分布，钢箱所受作用力经承压板和PBL键均匀地传至递混凝土，结构的安全储备较好．这说明拱塔钢混结合段的设计合理．
2）通过对结合段钢箱、加劲肋和横隔板的应力分析可知它们的应力水平较低，大部分在60MPa以内，远远低于钢材的屈服强度[4]，说明钢的安全储备高，工作性能良好．三者的应力水平由大到小依次为：钢箱、加劲肋和横隔板．这说明钢箱和加劲肋为主要的受力和传力构件，横隔板只是为了桥塔的稳定而采取的构造措施．
3）结合段顶端混凝土的局部拉应力较大．这说明钢－混组合结构的顶端由于采用预应力加承压板的连接方式会产生应力集中，应多配钢筋或使用高强混凝土．
4)结合段中钢板和贯穿钢筋的应力，随着远离承压板方向逐渐降低，表明开孔钢板传递竖向荷载的作用明显，承压板传递30%左右的荷载，PBL键及界面粘结力传递30%左右的荷载，钢塔壁传递30%左右的荷载，三者分担作用力的比例合理，在设计荷载作用下显示了较好的结构性能及可靠性。
参考文献：
[1]严国敏.现代斜拉桥[M].成都:西南交通大学出版社,1995:32―52.
[2]张勇.南京长江第三大桥桥塔钢-混凝土结合段结构特性研究[D].成都:西南交通大学,2005.
[3]崔冰，赵灿辉，董萌，等．南京长江第三大桥桥塔钢混结合段设计［J］．公路，2005（5）：100-107.
[4]中华人民共和国建设部．GB50017-2003，钢结构设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2003