鐵路矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)段應(yīng)力分析

張慎清

（常州市鐵路建設(shè)處 常州 213000）

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，是一種新興的橋型結(jié)構(gòu)。由于其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，越來越顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。近年來，由于鐵路的大規(guī)模發(fā)展，也出現(xiàn)了一批造型新穎的鐵路矮塔斜拉橋［1－4］。

本文選取主跨為144 m＋288 m＋144 m的鐵路混凝土矮塔斜拉橋為工程背景。主橋共分145個梁段，根據(jù)梁段所處位置，邊跨依次編號B1～B36，中跨A1～A37，其中0號梁段長19 m，邊跨合龍段B35號梁段2.0 m，中跨合龍段A37號梁段長3.0 m，其他懸臂梁段長分2.5，3.0，3.5，4.0 m 4種。

截面采用單箱雙室截面，直腹板，斜拉索錨固于懸臂板。索塔采用門式橋塔，橋面以上塔高40.0 m，橋面以上塔的高跨比為1／7.2。為適應(yīng)分絲管索鞍，塔柱采用矩形實體截面，順橋向?qū)?.6 m，橫橋向?qū)?.8 m。見圖1。

圖1 總體立面布置示意圖（單位：m）

1 整體計算

采用MIDAS／CIvIl對烏龍江特大橋進(jìn)行整體分析，以便確定局部分析時模型的荷載邊界條件。整體分析模型采用空間桿系結(jié)構(gòu)體系，主梁、墩塔均采用梁單元建立，斜拉索則采用桿單元建立。墩底承臺與地面固結(jié)。整體分析模型采用梁單元362個，節(jié)點373個。其整體模型見圖2。

圖2 MIDAS整體模型

利用MIDAS的移動荷載追蹤功能，求出主力工況及主力＋附加力工況下2個主梁截面出現(xiàn)最大（最?。┹S力和彎矩時的荷載組合。通過綜合比較，選擇出4種較為不利的荷載組合用于局部應(yīng)力分析，分別為：主力作用下主梁最大軸力工況；主力作用下主梁最大彎矩工況；主＋附作用下主梁最大軸力工況；主＋附作用下主梁最大彎矩工況，見表1。

表1 各工況下實體模型外力

2 實體模型的建立

塔、梁、墩固結(jié)處結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，又有大量預(yù)應(yīng)力筋從這個部位穿過，采用一般有限元分析方法難以精確地模擬此處的應(yīng)力分布情況。因此，采用實體單元建立塔梁墩固結(jié)段局部結(jié)構(gòu)的有限元模型，對其進(jìn)行細(xì)部分析以獲取其受力狀態(tài)與力學(xué)行為，為該橋的細(xì)部設(shè)計提供依據(jù)。

塔梁墩固結(jié)段有限元模型由2個部分組成，即混凝土模型以及預(yù)應(yīng)力索模型，通過節(jié)點耦合法將混凝土模型以及預(yù)應(yīng)力索模型連接?；炷聊Ｐ驼w采用Solid45單元劃分六面體單元，局部運用Solid95單元劃分四面體單元；預(yù)應(yīng)力索模型采用Link8單元劃分網(wǎng)格，所建立的固結(jié)段及預(yù)應(yīng)力模型見圖3、圖4。

圖3 塔梁墩固結(jié)段整體模型

圖4 縱向預(yù)應(yīng)力索有限元模型

3 應(yīng)力計算結(jié)果與分析

利用有限元分析軟件ANSYS對所建立的模型進(jìn)行分析，主力工況下固結(jié)段的應(yīng)力分布見圖5～8。

由圖5、圖6可見，塔梁墩固結(jié)段的縱向應(yīng)力水平較低。上塔肢外緣與主梁0號塊交界處存在較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而上塔肢內(nèi)緣與主梁0號塊交界處由于設(shè)置圓弧倒角進(jìn)行過渡，應(yīng)力集中的水平顯著緩解。除此之外，絕大部分結(jié)構(gòu)混凝土的縱向應(yīng)力介于－20.9～0 MPa之間，最大縱向壓應(yīng)力出現(xiàn)在0號塊上翼緣。同時，由于橫向預(yù)應(yīng)力束的作用，塔梁墩固結(jié)段橫向整體受壓，扣除塔與主梁連接處應(yīng)力集中點的影響，橫向壓應(yīng)力水平未超過8.0 MPa，最大值出現(xiàn)在0號塊上翼緣。

圖5 主力縱向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖6 主力橫向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

由于塔柱內(nèi)傾，索力作用下橋塔承受面外彎矩，導(dǎo)致塔柱內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉，塔梁墩固結(jié)段中塔柱的下延部分出現(xiàn)一定程度的主拉應(yīng)力，其值不超過0.825 MPa，見圖7、圖8。

圖7 主力第一主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖8 主力第三主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

主＋附加力應(yīng)力分布見圖9～12。

圖9 主＋附加力工況下縱向應(yīng)力云圖

圖10 主＋附加力橫向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

由圖9、圖10可見，塔梁墩固結(jié)段的縱向應(yīng)力水平較低，上塔肢外緣與主梁0號塊交界處存在較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而上塔肢內(nèi)緣與主梁0號塊交界處由于設(shè)置圓弧倒角進(jìn)行過渡，應(yīng)力集中的水平顯著緩解。

由于塔柱內(nèi)傾，索力作用下橋塔承受面外彎矩，導(dǎo)致塔柱內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉，塔梁墩固結(jié)段中塔柱的下延部分出現(xiàn)一定程度的主拉應(yīng)力，其值不超過0.81 MPa，見圖11、圖12。

圖11 主＋附加力第一主應(yīng)力云圖

圖12 主＋附加力工況下第三主應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

（1）各個荷載工況作用下，塔梁墩固結(jié)段混凝土應(yīng)力分布均勻流暢，除上塔肢外緣與與0號塊頂面的交界處壓應(yīng)力值超過－37 MPa外，結(jié)構(gòu)中沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）主力及主＋附工況下，不計應(yīng)力集中的影響，塔梁墩固結(jié)段混凝土主壓應(yīng)力最大值為－23.5 MPa，出現(xiàn)在上塔肢外緣與與0號塊頂面的交界面附近；受面外彎矩作用，塔柱外側(cè)會出現(xiàn)不超過1.0 MPa的主拉應(yīng)力，橫隔板內(nèi)表面會受到不超過1.8 MPa的主拉應(yīng)力。

（3）各個荷載工況作用下，應(yīng)力集中區(qū)域僅出現(xiàn)在個別位置且在小范圍內(nèi)恢復(fù)到正常應(yīng)力水平。濾去這些區(qū)域的應(yīng)力后塔梁墩固結(jié)段混凝土的應(yīng)力水平未超過規(guī)范給出的材料強(qiáng)度限值。

［1］ 曹忠強(qiáng).異型矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力分析［J］.交通科技，2010（4）：41-44.

［2］ 顧安邦，徐君蘭.矮塔斜拉橋［C］.中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會2001年橋梁學(xué)術(shù)討論會論文集，2001：134.

［3］ 張海文，李亞東.矮塔斜拉橋索鞍混凝土局部應(yīng)力分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009（1）：42-44.

［4］ 丁志威，張俊峰，武修雄，等.斜拉橋索塔與索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析［J］.交通科技，2011（5）：4-6.