大跨徑斜拉橋塔墩梁固結處空間受力分析

黃 力， 劉志權， 石雪飛

(同濟大學 橋梁工程系，上海 200092)

1 概述

對于大跨徑混合梁塔梁固結形式斜拉橋，其塔梁固結處的設計與應力計算尤其重要。該部分主塔要承受拉索傳遞的豎向力和由于拉索水平不平衡力造成的彎矩，而主梁要承受巨大的軸力和彎矩，同時承擔由于汽車偏載引起扭矩作用。通常的空間桿系模型計算分析已不能滿足設計要求，必須建立塔梁固結處局部三維有限元實體模型，分析研究其在各種最不利荷載工況下的受力特性與應力分布。

五河淮河大橋為柱式獨塔空間雙索面混合梁斜拉橋，結構體系采用了塔梁固結體系，跨徑布置為246 m +125 m，邊跨和主跨距塔梁中心線18．5 m 采用混凝土主梁，其余部分采用鋼主梁。故塔梁固結位置處于及其復雜的三向受力狀態(tài)，如圖1 所示。本研究中利用大型通用有限元軟件ANSYS，對該區(qū)域建立三維實體模型，分析其在三向荷載作用下的結構狀態(tài)，并對該區(qū)域設計提出合理優(yōu)化建議。

圖1 塔梁固結段主梁示意圖(單位:cm)

2 空間有限元數(shù)值模型

為能與設計對比總體計算結果，先利用Midas 程序建立空間梁單元模型，進行總體計算，提供全橋內力值與各計算最不利工況影響線［1］。另外，為能真實模擬塔梁固結處主梁最外側兩截面和主塔上截面受力情況，按照圣維南原理要求，實際建模中塔梁固結局部實體模型分別向邊跨主梁側延伸13．5 m，向中跨主梁側延伸13．5 m，索塔向上延伸至13．54 m，向下延伸至承臺處，如圖2 所示。

Midas 空間桿系模型考慮了恒載、活載、預應力、沉降、溫度變化作用。計算中根據(jù)規(guī)范對各種荷載工況進行組合，確定局部模型的最不利荷載工況組合，圖3 為Midas 空間桿系模型。

塔梁固結處采用大型通用有限元軟件ANSYS 建立塔梁固結段實體模型，主塔和主梁使用solid45 單元，采用Link8 單元模擬梁體體內、體外及橫向預應力鋼束，剛臂采用beam4 單元，如圖4 所示。

圖2 塔梁固結處局部模型在全橋中實際位置(單位:m)

圖3 Midas 空間桿系模型

3 邊界條件及最不利荷載工況

在進行塔梁固結處實體計算時，索塔下端采用固端約束，實現(xiàn)位移邊界條件。索塔上端和混凝土主梁兩端均采用剛臂約束并形成剛域，再施加空間桿端力，實現(xiàn)力的邊界條件。

先運用Midas 空間桿系模型進行分析，得到塔梁固結處四種最不利荷載組合，以及局部實體模型活載影響線加載位置和荷載空間內力邊界條件［2］。其最不利工況為:(1)最大軸力工況，(2)最大正彎矩工況，(3)最大負彎矩工況，(4)最不利扭矩工況。再在ANSYS 模型中按照上述荷載組合及影響線位置進行活載加載。圖5 為塔梁固結處控制截面扭矩影響線示意圖。

圖4 ANSYS 局部實體模型

圖5 控制截面扭矩影響線示意圖

4 計算結果與分析

通過比較四種最不利工況計算結果，在最大正彎矩工況下塔梁固結處平均應力水平最高。由于篇幅限制，下面僅分析最大正彎矩工況下塔梁固結處空間受力性能［3-4］。

最大正彎矩工況為塔梁固結主梁橫斷面處承受最大活載正彎矩情況，該工況按照汽車荷載在結合面處彎矩影響線加載得到了主梁橫斷面的最大正彎矩工況;溫度效應考慮了梯度溫度效應;通過計算溫度效應得到控制斷面的最大正彎矩工況應疊加整體降溫效應;支座沉降考慮了各種支座組合作用下的對結合段斷面產(chǎn)生最大正彎矩工況組合，但未考慮混凝土收縮徐變效應。

4．1 主梁應力分析

由圖6 可知，主梁第三主應力水平較低，其范圍控制在-16 ～-7 MPa 內，滿足規(guī)范要求。由于邊界剛域效應，在主梁左側端部主梁頂板壓應力失真，壓應力值達到19 MPa。在塔梁固結處主梁內部第三主應力范圍控制在-10 ～-7 MPa 內，應力水平較低。其橫梁兩端由于預應力錨固作用，部分位置出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

4．2 索塔應力分析

圖6 塔梁固結處主梁第三主應力云圖

從塔梁固結處索塔段外部第三主應力圖7 可以看出，索塔屬于全截面受壓狀態(tài)，其外部第三主應力范圍控制在-6 ～-9 MPa 之間，內部第三主應力范圍控制在-3 ～-10 MPa 之間，整體應力水平較低。

圖7 塔梁固結處索塔第三主應力云圖

4．3 橫梁及蓋板應力分析

由應力圖8 可知，橫梁橫橋向應力范圍控制在-9 ～-4 MPa 之間，橫梁上、下緣均處于受壓狀態(tài)。由于縱橋向預應力鋼束均錨固在橫梁上，產(chǎn)生明顯應力集中現(xiàn)象，在局部錨固點處出現(xiàn)了一定拉應力。由邊跨側主梁上蓋板縱橋向應力云圖9 可知，在蓋板的下緣在出現(xiàn)較大縱橋向拉應力，應力范圍在-0．5 ～-1．5 MPa 內，但拉應力出現(xiàn)范圍沿上蓋板高度方向延伸很小。

圖8 橫梁橫橋向應力云圖

圖9 邊跨側主梁上蓋板順橋向應力云圖

5 結論

通過對塔梁固結段四種最不利荷載工況的空間應力計算，整體變形較小，縱橋向應力和橫橋向應力及第三主應力水平較低，滿足規(guī)范要求［5］。說明塔梁固結段結構設計合理，同時根據(jù)計算結果，提出以下幾點建議:

(1)在最大正彎矩工況下，橫梁中間的主梁底板表面有小范圍拉應力出現(xiàn)，應多配鋼筋或采用抗拉性能較好的碳纖維混凝土。

(2)邊跨側主梁上蓋板的下緣表面在四種最不利工況下均有小范圍拉應力?？稍龃笤撎庁Q向倒角，采用抗拉性能較好的碳纖維混凝土。

(3)在扭矩作用下，主跨側橫梁與主梁連接角隅點有較大壓應力，可在該處設置小尺寸倒角。

(4)索塔與主梁相交位置壓應力較大，應多配鋼筋或采用高強度混凝土。

［1］虞廬松，朱東生．部分斜拉橋塔梁墩固結點局部應力分析［J］．橋梁建設，2008(1):54-57．

［2］王曉明，郝憲武，段瑞芳．斜拉橋塔梁固結處的空間應力分析［J］．湖南交通科技，2007，33(1):84-88．

［3］畢桂平，魏紅一，范立礎．鄂黃長江公路大橋斜拉橋主塔應力仿真分析［J］．結構工程師，2001(4):8-12．

［4］曹忠強．異性矮塔斜拉橋塔墩梁固結部位應力分析［J］．交通科技，2010(3):41-44．

［5］交通部公路規(guī)劃設計院．JTJ023—85 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，1985．