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７．５

m .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４

２

３

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 ３４５q

D 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２２００

m 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１．２８

m 的距离.千斤顶一端通过分配梁㊁

挡块和垫板顶３

３