中央索面混凝土斜拉橋單箱五室超寬主梁的局部應力分析＊

曾 勇 黃 康 王茂強 譚紅梅

（重慶交通大學 （橋梁）結構工程重點實驗室1） 重慶 400074）

（重慶交通大學土木建筑學院2） 重慶400074） （中交公路規(guī)劃設計院有限公司3） 北京 100088）

隨著人們對橋梁景觀要求的不斷提高，近年來我國設計出一系列造型新穎的混凝土斜拉橋.由于橋梁造型的需要，景觀橋梁結構的構造和受力往往非常復雜，傳力機理不明確、應力集中等問題突出［1］.在傳統(tǒng)的橋梁結構有限元計算分析中，通常采用“魚骨”形模型來模擬主梁，該模型由于簡化模擬了橋面系結構，無法考慮主梁的細部構造（如變截面問題、畸變、橫隔板的作用等）不能真實反映，更不能分析錨板處的局部應力集中效應［2－3］.采用傳統(tǒng)的桿梁模型和設計規(guī)范的簡化計算方法難以準確地分析結構受力［4－5］.

本文以正在施工中的潮連西江大橋為例，采用大型有限元分析軟件Ansys建立空間實體模型對其塔梁段主梁進行了靜力分析，解決了常規(guī)設計中難以分析縱、橫隔板應力分布、錨固區(qū)傳力機理及聯(lián)結系受力等問題.

1 工程背景

潮連西江大橋為50m＋120m＋320m＋120m＋50m的雙塔中央索面預應力混凝土斜拉橋，全長660m，采用半漂浮體系，主梁為雙向（縱向及橫向）預應力混凝土結構.

主梁采用大懸臂單箱5室預應力混凝土主梁，橫隔梁間距6m，在有索區(qū)與斜拉索對應布置.箱梁寬：頂板40.8m，底板寬21.6m.梁高：箱梁中心線處為4.0m.箱梁頂板厚度：中間室的橋面板厚50cm，其他4個室的橋面板厚28cm.箱梁腹板厚度：邊腹板厚25cm，中腹板厚35cm.底板、斜底板厚度：底板及斜底板厚26cm；在靠近索塔無索區(qū)適當加厚.見圖1、圖2.

2 計算模型

2.1 有限元力學模型簡化

首先采用MIDAS／Civil的空間桿系模型對大橋進行整體受力分析計算，再利用Ansys對塔墩梁固結部位建立精細子模型，進行空間有限元分析，得到相關區(qū)域詳細的應力分布情況.這樣離固結部位取了足夠的長度，可以排除圣維南效應對塔墩梁固結部位受力的影響.

圖2 主梁一般構造（單位：cm）

為避免邊界效應影響，同時又便于施加荷載，所取計算模型范圍如下：橫橋向取主梁半橋?qū)挘嚎v橋向以橋塔中心為對稱點，沿兩側各取80.5m（合計161m），建立實體模型，見圖3.

圖3 主梁的局部實體模型

在Ansys模型中考慮斜拉索的錨板的空間位置和縱、橫隔板的人孔，以求更接近實際結構，見圖4.在劃分單元時，在這些應力集中的部位進行局部加密.

圖4 縱、橫隔板的人孔

2.2 邊界條件

在邊跨側梁端約束全部，塔梁相交地方按支座約束（約束豎向和橫橋向）.

2.3 計算載荷

在Ansys建模中，采用8節(jié)點的solid65實體單元建模模擬主梁；采用單向受拉的Link10單元模擬預應力鋼筋，預應力鋼筋的張拉力用初應變考慮，預應力損失按20%考慮；采用Surf154單元模擬二期恒載及橋面鋪裝的自重.拉索的索力按作用在錨板上均布力考慮.車道荷載按《公路橋梁設計通用規(guī)范》施加，按8車道施加荷載，考慮偏載、橫向及縱向折減效應.

2.4 材料特性

主梁C55混凝土的彈性模量E＝3.5×104MPa，泊松比μ＝0.2，密度ρ＝2 600kg／m3.

高強預應力鋼絞線的彈性模量E＝2.06×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3.

2.5 計算工況

每種工況下施加各自對應的中跨側的斜拉索索力，以及對應的中跨側梁端的軸力、剪力、彎矩，以及對應的車道荷載，以及預應力荷載.

分析工況為：塔梁相交段軸力N最大時對應的荷載工況.

3 計算結果

首先采用MIDAS／Civil計算所得的2個工況下計算模型主梁兩端、塔端的軸力、剪力、彎矩，然后轉(zhuǎn)化為分布面力和節(jié)點荷載，施加于端面處.具體的方法是：對于彎矩和軸力，將其轉(zhuǎn)化為分布面力；對于剪力，求出端部每個單元形心處的剪應力T，由于單元劃分很小，可以認為該單元面上的剪應力為單元面形心處的剪應力；最后求出該單元面上承受的剪力，將其平均分配到組成該面的節(jié)點上.

計算梁端的整體豎向位移見圖5，在該工況下梁端最大豎向位移為2cm.

圖5 塔梁段整體豎向位移／m

塔梁段結構的整體主壓應力見圖6.較大的壓應力主要位于支座和截面變化的頂板與腹板處，最大的壓應力達到20.4MPa.原因之一就是此處截面有突變，且靠近根部.由于支座處的應力集中現(xiàn)象和根部的截面突變，塔梁相交處應力較大，且應力分布復雜.此處是配筋和受力分析的關鍵部位.塔梁段結構的整體主拉應力見圖7，較大的拉應力主要位于支座處，最大的拉應力達到2.4MPa，主要是由支座處的應力集中引起的，但是在實際結構中由于此處布置有普通鋼筋，能夠滿足受力要求.

圖6 塔梁相交處主壓應力／Pa

圖7 塔梁相交處主拉應力／Pa

錨塊處的主拉、壓應力見圖8～9.由于錨塊處的拉索錨固的影響，錨下主壓應力較大，同時引起周圍的主壓應力較大.最大的主拉應力是出現(xiàn)在錨固下側與縱隔板相交處，是局部應力集中.

中縱隔板的豎向受力情況見圖10.除去人孔豎向邊附加的應力集中，中縱隔板豎向應力都在容許的范圍內(nèi).人孔的拉應力集中區(qū)域，從左到右逐漸增多.

圖8 第一個錨塊的主壓應力／Pa

圖9 第一個錨塊的主壓應力／Pa

圖10 中縱隔板豎向應力／Pa

中縱隔板的豎向受力情況見圖11.人孔豎向邊附近有應力集中，見圖中深色區(qū)域.此處應力區(qū)域應加強配筋.

圖11 中縱隔板縱向應力／Pa

邊縱隔板的縱向受力情況見圖12.邊縱隔板有部分區(qū)域的應力超過15MPa，圖中深色部分.由于橫隔板的作用，邊縱隔板與橫隔板相交的區(qū)域的剛度有所加強，應力也有所緩和.

圖12 中縱隔板縱向應力／Pa

4 結 論

針對西江大橋的塔梁段的主梁建立了三維實體有限元計算模型，分析了橋塔處主梁的塔梁相交段在軸力N最大的荷載工況下受力情況.從分析計算結果看，主梁基本滿足性能要求.具體結論如下.

1）對于塔梁相交處的主梁，較大的壓應力主要由支座處和截面變化處，在頂板、腹板有部分區(qū)域的壓應力超過了17MPa.原因之一就是此處截面有突變，且靠近根部，受力復雜.此處是配筋和分析的關鍵部位.

2）對于第一個錨塊，由于錨塊處的拉索錨固的影響，錨下應力較大，同時引起周圍的拉、壓應力較大.

3）對于橋塔附近縱隔板的受力情況（中縱隔板），人孔的拉應力集中區(qū)域從左到右逐漸增多.中縱隔板還有大部分的Z方向應力超過規(guī)定值.此處應力區(qū)域應加強配筋.

4）對于橋塔附近縱隔板的受力情況（邊縱隔板），邊縱隔板X和Y方向應力都在容許的范圍內(nèi).由于橫隔板的作用，邊縱隔板與橫隔板相交的區(qū)域的剛度有所加強，應力有所緩和.

5）通過計算發(fā)現(xiàn)，預應力張拉處，拉索錨塊，支座，塔梁相交處，縱、橫隔板的人孔等位置屬于應力集中區(qū)域.此些應力區(qū)域應加強配筋或采取構造措施，減少應力集中，提高結構的安全性.

［1］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（2）：8－12.

［2］上官萍，房貞政，卓衛(wèi)東.塔梁墩固結斜拉橋結構受力分析［J］.福州大學學報：自然科學版，1999（3）：19－22.

［3］張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例［M］.北京：人民交通出版社，2003.

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

［5］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.