某拱形斜塔下塔柱混凝土受力分析

鐘華寶， 何沛祥

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展、橋梁設(shè)計(jì)理論的提升以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，斜拉橋如雨后春筍般出現(xiàn)。由于其較大的跨越能力、奇特的造型以及較強(qiáng)的美感，使得斜拉橋迅速成為大中跨徑橋梁的重要組成部分［1－3］。而異形斜拉橋以其強(qiáng)有力的視覺沖擊更是得到額外的親睞，甚至成為一個(gè)地區(qū)的標(biāo)志性景觀。雖然異形斜拉橋有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其受力復(fù)雜，國內(nèi)外關(guān)于其系統(tǒng)的研究還很少，大多是結(jié)合具體的工程實(shí)例來研究的［4－5］。本文研究的對象選取的是安徽省合肥市某在建拱形斜塔斜拉橋，該橋跨徑布置為80m＋130m，邊跨采用C50混凝土，中跨采用Q345D鋼材。

本文研究的對象為混合梁斜拉橋，主梁沿長度方向采用了鋼材及混凝土兩種材料，即邊跨采用剛度大的混凝土，而中跨采用輕質(zhì)跨越能力大的鋼材［3］。主塔也是由兩種材料組成的混合式主塔。由于其材料不同，又是傾斜的異形塔，因此受力十分復(fù)雜，有必要對主塔單獨(dú)研究。限于篇幅，本文只對主塔的混凝土部分即下塔柱混凝土及塔橫梁進(jìn)行研究。

1 整體有限元模型

為了后續(xù)的研究，首先建立整體有限元模型。采用目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的空間桿系有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 MIDAS建立的全橋有限元模型

主塔底部采用全固結(jié)處理，邊跨及主跨的約束方式按照實(shí)際情況來設(shè)置，在主塔的上－中塔連接處、中－下塔連接處、下塔柱以及混凝土主梁段設(shè)置有372束15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼束，全橋共分30個(gè)施工階段。計(jì)算用的成橋荷載工況如表1所示。

表1 計(jì)算荷載工況

將上述荷載按照規(guī)范規(guī)定的荷載組合方式進(jìn)行組合，得到荷載標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合。

組合1：恒載＋汽車荷載＋人群荷載

組合2：恒載＋汽車荷載＋人群荷載＋支座沉降＋整體升溫＋主梁梯度升溫

組合3：恒載＋汽車荷載＋人群荷載＋支座沉降＋整體降溫＋主梁梯度降溫

組合4：恒載＋汽車荷載＋人群荷載＋支座沉降＋整體升溫＋主梁梯度降溫

組合5：恒載＋汽車荷載＋人群荷載＋支座沉降＋整體降溫＋主梁梯度升溫

其中，恒載包括結(jié)構(gòu)自重、拉索拉力、有效預(yù)應(yīng)力以及后期的二期鋪裝荷載，并考慮鋼束一次、二次以及徐變兩次和收縮兩次。

2 下塔柱混凝土分析

MIDAS較適合于做整體分析，對于本文研究的局部構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，擬采用大型通用有限元軟件ANSYS做更加精細(xì)化的研究。建立下塔柱及橫梁的有限元模型如圖2所示。圖中X向表示橫橋向；Y向表示豎向；Z向表示順橋向。

圖2 ANSYS建立的全橋有限元模型

2.1 荷載及邊界模擬

由于主塔橫梁不僅在豎向受到自重影響，在順橋向還受到邊跨及中跨不平衡索力的水平分力影響，在橫橋向受到主塔的約束，因此處于三向受力狀態(tài)，邊界復(fù)雜及受力十分復(fù)雜［5］。為了能較為合理反應(yīng)這種狀態(tài)以及整體性，建立局部模型時(shí)考慮橫梁兩側(cè)的部分主梁如圖2所示，以研究在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)下應(yīng)力的分布情況。由于建立的是局部模型，因此有必要合理模擬作用在橫梁上的外力以及邊界條件如圖3所示。下塔柱與承臺連接部位仍按固結(jié)處理。

圖3 外力及邊界模擬圖

在MIDAS/CIVIL中調(diào)取相應(yīng)截面的內(nèi)力，作為外荷載加在模型上。具體內(nèi)力如表2所示，位移條件如表3所示。下表中力的單位為KN，彎矩扭矩單位為KN·m，位移單位為m。

表2 荷載標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下選取截面內(nèi)力

表3 荷載標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下選取截面位移條件

2.2 下塔柱混凝土應(yīng)力分布

在此荷載作用及邊界約束下，下塔柱混凝土的應(yīng)力分布如圖4至圖7所示。

圖4 下塔柱混凝土X向應(yīng)力云圖（單位：10－6 MPa）

圖5 下塔柱混凝土Y向應(yīng)力云圖（單位：10－6 MPa）

圖6 下塔柱混凝土Z向應(yīng)力云圖（單位：10－6 MPa）

圖7 下塔柱混凝土MISES應(yīng)力云圖（單位：10－6 MPa）

由圖4可知在上述作用下，下塔柱混凝土X向應(yīng)力大部分集中在－5MPa至－20MPa以內(nèi)，在個(gè)別預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)附近出現(xiàn)最大－25.6MPa的壓應(yīng)力，而在橫梁下緣出現(xiàn)2.5MPa的拉應(yīng)力。出現(xiàn)拉應(yīng)力的原因有如下兩點(diǎn)。

（1）自重影響：橫梁的自重以及塔梁固結(jié)附近主梁的自重都是通過橫梁然后傳遞到主塔上的，自重作用下，主塔的下緣出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力；

（2）不平衡內(nèi)力影響：傾斜的橋塔導(dǎo)致主跨和邊跨與主梁的夾角不一致，邊跨的夾角大因而水平分力較大，而中跨的夾角較小，水平分力相對較小。不平衡的水平分力通過主塔橫梁傳遞給主塔，因此會(huì)在橫梁一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖8 主塔橫梁鋼束布置圖

由于上述兩點(diǎn)原因在橫梁的下緣產(chǎn)生了拉應(yīng)力。在橫梁中部下緣由于預(yù)應(yīng)力鋼束的作用抵消了拉應(yīng)力，如圖8所示，但是在橫梁與主塔連接部位，由于截面積增大很多，此處截面下緣并沒有預(yù)應(yīng)力，因而產(chǎn)生了拉應(yīng)力。

由圖5可知，下塔柱混凝土Y向應(yīng)力大部集中在－21MPa至－5MPa之內(nèi)，在錨固區(qū)出現(xiàn)了微小的拉應(yīng)力，約為0.7MPa。由圖6可知，Z向應(yīng)力集中在－9MPa至－2MPa之內(nèi)，倒Y形下塔柱的左肢壓應(yīng)力較小，局部出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，而右肢則全部處于受壓狀態(tài)，且壓應(yīng)力相較左肢大一些。

3 結(jié)論

由以上分析可見，下塔柱大部分處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力集中在－2MPa至－21MPa之內(nèi)，個(gè)別部位如錨固點(diǎn)附近應(yīng)力異常，但范圍很小，總體滿足要求。主塔橫梁下緣出現(xiàn)2.5MPa的拉應(yīng)力，主要是由于索塔橫橋向彎矩、預(yù)應(yīng)力偏壓作用、前后梁段橫向不均勻剪切共同作用產(chǎn)生的［6－7］。預(yù)應(yīng)力配備在該截面上緣，對拉應(yīng)力無改善作用。

1 徐國平.混合梁斜拉橋［M］.北京：人民交通出版社，2013.

2 林元培.斜拉橋［M］.北京：人民交通出版社，2004.

3 范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2001.

4 江德增.斜塔斜拉橋施工與運(yùn)營過程中的力學(xué)行為研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

5 郝翠.獨(dú)塔斜拉橋預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)應(yīng)力分析［D］.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2010：6

6 《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77－98），人民交通出版社，1998.

7 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60－2004），人民交通出版社，2004.