斜拉桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部模型试验研究

世界桥梁㊀２０１９年第４７卷第１期(总第１９７期)斜拉桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部模型试验研究吴㊀威１,刘明虎２,刘玉擎３,吴学伟１,陈虎成２(１．湖北省交通投资集团有限公司,湖北武汉４３００７４;２．中交公路规划设计院有限公司,北京１０００８８;３．同济大学桥梁工程系,上海２０００９２)摘㊀要:为研究斜拉桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部的受力性能,以在建的石首长江公路大桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部为对象,开展了１ʒ２缩尺模型试验,分析了索塔锚固区开孔板连接结合部的应力分布㊁裂缝形式及破坏形态等,试验结果表明:采用开孔板连接的结合部的极限承载力较高,大于２倍设计荷载值,最终破坏形态为混凝土塔壁内表面的开裂与剥落.在２．５倍设计荷载作用下钢板最大正应力小于钢材的屈服强度,说明开孔板连接受力性能良好,结构安全可靠,适用性较好.此外,开孔板连接结合部抗裂性能良好,具有较好的耐久性.关键词:斜拉桥;组合结构;索塔锚固结构;应力分析;模型试验;钢牛腿;开孔板连接件;塔壁中图分类号:U ４４８．２７;U ４４１．５文献标志码:A文章编号:１６７１－７７６７(２０１９)０１－００３２－０６收稿日期:２０１８－０９－１４作者简介:吴㊀威(１９７８－),男,高级工程师,２００３年毕业于长沙理工大学交通土建工程专业,工学学士(E Ｇm a i l :７１１８１０９４＠q q．c o m ).１㊀引㊀言斜拉桥是大跨度桥梁的最主要桥型之一,其斜拉索在混凝土桥塔上的锚固方式通常分为混凝土锚块㊁钢锚梁㊁钢锚箱等.其中钢锚梁的锚固方式,是将钢锚梁沿顺桥向置于混凝土桥塔内壁的牛腿上,斜拉索锚固在锚固件上,水平力主要由钢锚梁承担,竖向分力通过牛腿传给塔柱承担[１].钢锚梁在早期应用时多支承在和塔柱一起浇筑的混凝土牛腿上[２].然而,混凝土牛腿易出现应力集中严重的问题,且因其形状凸出塔壁而不利于滑模施工,因此近年来出现了用钢牛腿代替混凝土牛腿的结构形式[３].钢牛腿焊接在一块钢壁板上,吊装定位后与劲性骨架连接,钢壁板既可起到支撑钢牛腿传递荷载的作用,又可作为塔柱施工时的内模板,施工方便;各锚固节段钢壁板上下连通,钢壁板上布置连接件与塔柱连成一体.随着钢－混凝土组合索塔锚固结构的推广和应用,针对该结构的模型试验和理论研究也随之展开.张奇志[４]㊁陈向阳等[５]㊁彭琼[６]对钢－混凝土组合索塔锚固结构进行了足尺或缩尺研究,探究结构的安全性能和承载能力.郑双杰等[７]㊁邵旭东等[８]㊁杨允表等[９]提出了能够用于钢－混凝土组合索塔锚固区组合结构的不同计算方法.然而,上述研究均是针对传统的剪力钉连接的结合部,对于采用开孔板连接的结合部受力机理的试验研究较少.理论和试验研究表明,开孔板连接件在传递以剪力为主的复杂受力情况下具有较明显的性能优势[１０Ｇ１２];港珠澳大桥青州航道桥 中国结 形钢剪刀撑与混凝土桥塔结合开孔板连接件的方式,取得了一定实践经验[１３].基于此,石首长江公路大桥[１４]在索塔锚固结构设计中创造性地采用了开孔板连接的结合部,本文以该结合部为研究对象,开展了１ʒ２缩尺模型试验,以研究其竖向传力机理和破坏形态,并评估其承载能力.２㊀工程概况石首长江公路大桥主桥采用跨径布置为(７５＋７５＋７５＋８２０＋３００＋１００)m 的单侧混合梁斜拉桥(见图１),纵向设阻尼约束的半飘浮结构体系.主梁采用混合梁,分离式双箱断面,全宽３８．５m ,梁高３．８m .桥塔采用收腿的倒 Y形混凝土框架结构,采用C ５０混凝土.南塔总高２３４m ,北塔总高２３２m ,桥面以上高度均为１９８．２m .斜拉索采用空间双索面布置,全桥共布置４ˑ２６对斜拉索.斜拉索采用ϕ７m m 高强度㊁低松弛平行钢丝,锌－５％铝混合稀土合金镀层,标准抗拉强度ȡ１７７０M P a.钢箱梁段标准索距１５m ,混凝土梁段标准索距７．５m .桥塔端标准索距２．５m .斜拉索在塔上的锚固采用钢锚梁方案.第１~３对斜拉索由于与竖向角度较大,直接锚固在塔柱的混凝土底座上;第４~２６对斜拉索锚固在钢锚梁上,每个桥塔设置２３个钢锚梁.每个钢锚梁锚固４２３斜拉桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部模型试验研究㊀㊀吴㊀威,刘明虎,刘玉擎,吴学伟,陈虎成图１㊀石首长江公路大桥主桥桥型布置根斜拉索,两侧锚梁横向通过板件连成整体(见图２),组成钢锚梁的主要构件有:顺桥向拉板㊁锚垫板㊁锚下承压板㊁腹板㊁底板㊁端部承压板㊁加劲肋㊁水平隔板等.斜拉索竖向分力通过锚梁上锚固构件完全地传递至钢牛腿,钢牛腿通过开孔板与混凝土塔柱连接.钢牛腿的壁板标准高度约２５００m m ㊁宽３８５０m m ;开孔板宽度为５５０m m 和２６０m m 两种,标准高度为２２７０m m .斜拉索的大部分横桥向水平分力由钢锚梁横向连接板承受;斜拉索的顺桥向水平分力分为两部分,恒载索力由钢锚梁承担,后期使用荷载索力由钢锚梁与塔壁共同承担.钢锚梁㊁钢牛腿及与塔柱连接板均采用Q ３４５qD 钢.图２㊀钢锚梁及结合部(未显示塔壁混凝土)构造３㊀模型试验方案３．１㊀试件设计选取索力最大的北塔２６号索节段(见图１)进行局部模型试验,考虑到结构对称性,以桥塔上塔柱横桥向中心线为对称,取一半结合部进行研究.因加载条件和场地限制,试件尺寸根据实桥尺寸进行了１ʒ２的等比例缩尺.结合部模型试件如图３所示.钢壁板高度为１２５０m m ,宽度在设计方案基础上考虑对称性要求取为１１２５m m ,厚度为１６m m,图３㊀结合部模型试件开孔板连接件的间距统一调整为１５０m m .根据开孔板单孔竖向抗剪刚度公式[１０]可知,孔中不穿钢筋时,单孔抗剪刚度与孔径成正比,所以未穿钢筋的孔径均变为原桥的一半,即３０m m ;而孔中穿有钢筋的孔尺寸缩减为原来的一半,保持形状不变.为保证荷载作用下钢牛腿具有足够的强度,仅将钢牛腿各板件的长度㊁宽度缩减为设计值的一半,而厚度与设计值保持一致.混凝土塔壁的尺寸拟定为２２００m mˑ２８００m mˑ５００m m ,普通钢筋按配筋率一致进行设计.３．２㊀试验加载节段对应设计索力为９１８２．０５２k N ,竖向分力为６４３３．５７８k N ,根据应力等效原则,试验中施加的１倍荷载为P ＝６４３３．５７８ˑ１/４ʈ１６０８k N ,以此作为试验施加荷载的设计值.试验加载装置如图４所示.利用２个３００t 的千斤顶对结构进行水平向加载,用水平推力来模拟斜拉索经由钢锚梁传递而来的竖向力.由于试验场地的限制,试件不能紧贴反力墙放置,需保证１．２８m 的距离.千斤顶一端通过分配梁㊁挡块和垫板顶３３世界桥梁㊀㊀２０１９,４７(１)在反力墙上,另一端通过分配梁作用在试件钢牛腿上.混凝土塔壁通过地锚锚固在地面上以防止加载时被掀起,同时顶在反力梁上防止在荷载作用下发生滑动.反力梁通过８根ϕ４０m m 精轧螺纹钢与反力墙锚固,从而形成一个自平衡体系.混凝土壁和反力梁底部垫上混凝土垫层来调整加载的高度.图４㊀模型试件加载装置正式加载之前,先以０．４P 进行预加载,以检查加载系统的安全性和可靠性,并调试测试仪器以消除初始非线性影响.正式加载时,按荷载增量０．１P 加载至２．５P .除在２．５P 持荷３０m i n 外,其它各级持荷１５m i n.３．３㊀测点布置由于钢结构具有对称性,仅对钢壁板对称轴一侧开孔板进行测试,开孔板编号如图５所示.试件布置三向应变片共４３个,布置在开孔板上;单向应变片共４６个,布置在钢壁板和普通钢筋上.在开孔板孔洞之间布置４３个应变花以测试开孔板应力分布及主应力方向(见图６).参考开孔板的位置在钢壁板外侧布置３２个单向应变片.参考有限元计算结果在混凝土拉应力较大位置的钢筋上布置８个单向应变片,以判断对应位置混凝土是否开裂;横桥向水平钢筋上共布置６个单向应变片.图５㊀开孔板编号为获得试件在荷载作用下钢壁板与混凝土塔壁的相对滑移及相对脱离的情况,共布置８个位移计.其中,测试相对滑移的位移计共５个,横向对称布置.测试钢板与混凝土拉拔方向相对脱离的位移计共２个,测试荷载作用点位移的位移计１个.图６㊀开孔板测点布置４㊀试验结果及分析４．１㊀破坏形态当荷载增加到约１．９P 时,混凝土表面出现第１条裂缝,位置在钢壁板左边上侧.随着荷载增加,裂缝进一步扩展.当荷载增加至２．１P 时,试件右侧对称位置出现裂缝.随着荷载持续增加,现场可听到响声,混凝土表面裂缝进一步发展㊁连通.当荷载增加到２．５P 时,钢壁板两侧混凝土大面积剥离.继续增加荷载,可以听到闷响.当荷载增加到约２．９P 时,听到连续两声大的响声,试件最终破坏,裂缝整体呈 π字形,如图７所示.图７㊀试件破坏形态４．２㊀钢结构应力４．２．１㊀钢壁板应力在试验过程中,通过采集钢壁板上的测点应力数据,得到钢壁板测点正应力随荷载等级变化情况,图８为钢壁板正应力随荷载等级变化曲线,其中p －１４㊁p －１８和p －２２为上承板上部钢壁板测点,p－１５和p －２３为承压板下部钢壁板测点.由图８可知,由于竖向荷载由钢牛腿的上承板和承压板传递到钢壁板,故上承板上侧钢壁板受拉,而牛腿下侧钢壁板受压.正应力在１．９P 之前基本４３斜拉桥组合索塔锚固区开孔板连接结合部模型试验研究㊀㊀吴㊀威,刘明虎,刘玉擎,吴学伟,陈虎成图８㊀钢壁板正应力随荷载等级变化曲线随荷载等级成线性变化,１．９P 时混凝土开始开裂,此后正应力开始出现非线性变化.在２．５P 时,钢壁板最大正应力为２９７．４M P a.４．２．２㊀开孔板应力开孔板的a －３㊁b －３㊁d －３㊁c －７号测点(见图６)主要测试开孔板高度７５５m m 处的应力分布,均位于钢牛腿上承板位置,该位置是主要传力部位,应力水平较高,相比于其它测点更具代表性,故将试验过程中各板件该位置的测点取出重点分析,对比应力分布情况.图９为不同开孔板７５５m m 处M i s e s 应力随荷载等级变化曲线.图９㊀不同开孔板７７５m m 处M i s e s 应力随荷载等级变化曲线由图９可知,b 板在２．０P 时达到最大M i s e s 应力值,约为２２０M P a ,小于钢板屈服强度,a 板应力最大仅为７５M P a .在１．０P 时,a 板曲线斜率开始增大.b 板在１．５P 时曲线开始出现明显非线性,后在１．６P 时其它板件曲线开始变缓,均早于表观的开裂荷载１．９P .说明表观裂缝由开孔板混凝土榫内积累延伸而来,内部开裂荷载约为１．０P .索力主要由钢牛腿的上承板和承压板传递到钢壁板,经由钢壁板上的开孔板连接件传递到混凝土塔壁.c 板对应于钢牛腿的承压板位置,在荷载传递到混凝土塔壁的过程中起主要连接作用,故单独取出分析.图１０为c 板M i s e s 应力随荷载等级变化曲线.图１０㊀c 板M i s e s 应力随荷载等级变化曲线由图１０可知,c 板在２．３P 时达到最大M i s e s应力值,约为２７５M P a ,远小于钢板的屈服强度,位置出现在远离钢壁板一侧.４．３㊀塔壁普通钢筋应力通过采集试验过程中竖向钢筋上各测点应力数据,获得竖向钢筋正应力随荷载等级的变化情况,图１１为竖向钢筋正应力随荷载等级变化曲线,其中v －１和v －５为上承板位置竖向钢筋测点,v －３和v －７为承压板位置竖向钢筋测点.同根钢筋在竖向分为受拉区和受压区.图１１㊀竖向钢筋正应力随荷载等级变化曲线由图１１可知,受拉区测点v－１和v－５在０．８P 时应力开始出现非线性增加.荷载超过１．７P后,v －１和v －５两测点应变数值突然增大直至溢出,说明测点附近混凝土出现了裂缝.当荷载不超过２．４P 时,受压区测点v －３和v －７压应力线性增加,说明钢壁板底部混凝土处于弹性受压状态.通过采集试验过程中横向钢筋上各测点应力数据,获得其正应力随荷载等级的变化情况,图１２为横向钢筋正应力随荷载等级变化曲线,测点均在上承板位置对应的水平穿孔钢筋上,其中h －１㊁h －３和h －５为塔壁外侧钢筋测点,h －２㊁h －４和h －６为靠近钢牛腿侧钢筋测点.由图１２可知,横向钢筋整体受力水平较低,最大拉应力为６９．０M P a ,最大压应力为７１．６M P a .横向钢筋内表面测点受拉,外表面测点受压,且在荷５３世界桥梁㊀㊀２０１９,４７(１)图１２㊀横向钢筋正应力随荷载等级变化曲线载低于１．４P 时,数值接近,这是由于作用在牛腿顶面的荷载对上部连接件有拉拔作用,穿孔钢筋过孔处会向下弯曲,从而表现为上部受拉,下部受压.４．４㊀钢壁板和混凝土塔壁相对位移通过采集钢壁板和混凝土塔壁测点位移数据,获得钢壁板和混凝土塔壁相对滑移随荷载等级的变化情况,图１３为钢壁板和混凝土塔壁相对滑移随荷载等级变化曲线,其中W Y －３/４㊁W Y －５/６和W Y －７分别对称布置于钢壁板顶部㊁上承板位置和钢壁板底部,对称位置处的２个测点取平均值.图１３㊀钢壁板和混凝土塔壁相对滑移随荷载等级变化曲线由图１３可知,在１．４P 前,钢壁板和混凝土塔壁竖向相对滑移数值较小,在１．４P 后相对滑移开始非线性增加.顶部测点WY－３和WY－４对应位置滑移量在２．８P 时达到约２．５m m ,说明钢壁板顶部边缘处刚度有明显降低,这主要和该处混凝土开裂有关,其它位置滑移最大不超过０．５m m .通过采集钢壁板和混凝土塔壁测点位移数据,获得钢壁板和混凝土塔壁相对脱离随荷载等级的变化情况.图１４为钢壁板和混凝土塔壁相对脱离随荷载等级变化曲线,相对脱离测点WY－８位于钢壁板对称轴顶部.由图１４可知,当荷载小于１．４P 时,脱离量随荷载增加线性增加;当荷载超过１．４P 后,曲线的斜率开始增加,说明钢壁板顶部中心线处结构刚度明显降低,最大脱离量达４．３m m.图１４㊀钢壁板和混凝土塔壁相对脱离随荷载变化曲线５㊀结㊀论(１)斜拉桥组合索塔锚固区采用开孔板连接的结合部,极限承载力超过２倍设计荷载值,具有较高的承载能力.最终破坏形态为混凝土塔壁内表面的开裂与剥落.(２)钢结构板件在约２倍设计荷载值之前应力随荷载等级呈线性变化,在２．５倍设计荷载时最大应力小于钢材的屈服强度,说明结合部受力性能良好,结构安全可靠,在同类大跨径斜拉桥中具有较好的适用性.(３)塔壁表观开裂荷载约为１．９倍结构设计荷载,约为塔壁内部开裂荷载的两倍,说明结合部抗裂性能良好,具有较好的耐久性.参㊀考㊀文㊀献:[１]张喜刚,刘玉擎．组合索塔锚固结构[M ]．北京:人民交通出版社,２０１０．[２]T a y l o r PR ,v a nS e l s tA M ,H o d geW E ,e t a l ．A n n a c i s C a b l e ＧS t a y e dB r i d g e D e s i g n f o rE a r t h qu a k e [J ]．C a n a Ｇd i a n J o u r n a l o fC i v i lE n g i n e e r i n g ,１９８５,１２(３):４７２－４８２．[３]励晓峰,陈何峰,郑本辉．桂林南洲大桥索塔钢锚梁结构受力分析[J ]．建筑结构,２００８(９):１０６－１０７．[４]张奇志．内置式钢锚梁索塔锚固结构试验研究[J ]．铁道建筑,２０１２(１２):１－４．[５]陈向阳,王昌将,白雨东,等．金塘大桥钢牛腿钢锚梁组合结构足尺模型试验研究[J ]．公路,２０１１(８):１－４．[６]彭㊀琼．九江长江公路大桥钢锚梁索塔锚固区受力研究(硕士学位论文)[D ]．南昌:南昌大学,２０１２．[７]郑双杰,刘玉擎,徐海军．组合索塔锚固区钢牛腿－塔壁作用机理分析[J 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g i n e e r i n g,T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i２０００９２,C h i n a)A b s t r a c t:T o s t u d y t h e l o a db e a r i n g b e h a v i o r o f t h ePB Lc o n n e c t i o n p a r t i n t h e c o m p o s i t e c aＧb l eＧp y l o na n c h o r a g ez o n eo fc a b l eＧs t a y e db r i d g e,t h eS h i s h o uC h a n g j i a n g R i v e r H i g h w a y B r i d g e t h a t i su n d e r c o n s t r u c t i o n i s t a k e na s t h e s t u d y o b j e c t,o fw h i c h t h eP B Lc o n n e c t i o n p a r t i n c a b l eＧp y l o na n c h o r a g e z o n e i ss t u d i e d．T h e m o d e l t e s tw a sc a r r i e do u tb a s e do nt h e１ʒ２s c a l eＧd o w n m o d e l,t o a n a l y z e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n,f r a c t u r e p a t t e r n s,a n d f a i l u r em o d e s i n t h eP B Lc o n n e cＧt i o n p a r t i n t h e c a b l eＧp y l o na n c h o r a g e z o n e．T h e r e s u l t s o f t h e t e s t s h o wt h a t t h eP B Lc o n n e c t i o n p a r t o w n s h i g hu l t i m a t e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y,m o r e t h a n t w o t i m e s o f t h e d e s i g n l o a d s,a n d t h e f iＧn a l f a i l u r em o d e s t u r n t ob e t h e c r a c k i n g a n d s p a l l i n g o f i n n e r s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e p y l o nw a l l s．U n d e r t h e a c t i o no f２．５t i m e s o f t h e d e s i g n l o a d s,t h em a x i m u mn o r m a l s t r e s s o f t h e s t e e l p l a t e i s l e s s t h a n t h e y i e l d i n g s t r e n g t ho f t h e s t e e l,p r o v i n g t h a t t h e l o a db e a r i n gp e r f o r m a n c eo f t h eP B L c o n n e c t i o n i s g o o d,t h e s t r u c t u r e i s s a f e a n d r e l i a b l e,a n d t h e P B Lc o n n e c t i o nh a s b e t t e r a p p l i c a b i lＧi t y．M o r e o v e r,t h e a n t iＧc r a c k i n gp e r f o r m a n c e i s g o o d,a l s o p r o v i n g t h a t t h eP B Lc o n n e c t i o n p a r t h a s s o u n dd u r a b i l i t y．K e y w o r d s:c a b l eＧs t a y e db r i d 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