矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)仿真分析

覃耀柳 李璐杰

摘要：文章以一座在建矮塔斜拉橋?yàn)橐劳泄こ?，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體有限元模型，對塔梁墩固結(jié)區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析，得到其內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律，評價(jià)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和配筋設(shè)計(jì)，并提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋;塔梁墩固結(jié)區(qū);ANSYS 有限元;仿真分析

With an extradosed cablestayed bridge under construction as the relying project，this article uses the largescale general finite element software ANSYS to establish a solid finite element model，conducts the structural simulation analysis of tower beam pier consolidation zone，obtains its internal stress distribution law，evaluates the component and rebar design of this structure，and proposes the optimization recommendations.

Extradosed cablestayed bridge;Tower beam pier consolidation zone;ANSYS finite element;Simulation analysis

0 引言

矮塔斜拉橋造型美觀，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，跨越能力大，在世界范圍內(nèi)逐漸受到青睞。隨著矮塔斜拉橋建設(shè)高潮的興起，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的理論分析尤顯必要。

本文針對所依托的實(shí)際工程，建立全橋空間桿系模型進(jìn)行整體受力分析，塔梁墩采用空間梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，通過剛性連接實(shí)現(xiàn)塔梁墩

固

結(jié)，提取整體分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。然而，整體分析只能反映結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，不能反映構(gòu)件的細(xì)部應(yīng)力分布情況。由于塔梁墩固結(jié)區(qū)構(gòu)造比較復(fù)雜，索塔與主梁、主梁與主墩之間構(gòu)件的剛度變化較大，容易造成局部應(yīng)力集中，而這些現(xiàn)象在整體模型中不能得到全面反映。因此，有必要運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體仿真分析模型，對塔梁墩固結(jié)區(qū)進(jìn)行細(xì)部分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域更真實(shí)、更詳細(xì)的空間應(yīng)力分布規(guī)律，使這些復(fù)雜區(qū)域的構(gòu)造和配筋設(shè)計(jì)更有針對性，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性[1]。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某三跨矮塔斜拉橋，跨徑布置為90 m+165 m+90 m，主橋全長345 m（見圖1）。主橋?yàn)殡p塔單索面，每個(gè)主墩橫橋向設(shè)置一根獨(dú)柱式索塔，塔梁墩固結(jié)。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)箱梁，單箱三室，縱橋向截面高度按1.8次拋物線變化。索塔為帶凹形導(dǎo)角的矩形截面，順橋向變截面，橫橋向等寬。主墩采用雙薄壁墩，承臺群樁基礎(chǔ)。支點(diǎn)處梁高6.2 m，跨中梁高3.2 m。梁頂寬度31 m，梁底寬度22 m。主塔橫橋向?qū)?.5 m，順橋向長塔頂6.0 m，塔底5.0 m，中間4.0 m，梁頂以上塔高22 m。斜拉索采用豎琴式布置，每個(gè)主塔設(shè)置12對斜拉索，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m。斜拉索采用37s15.20鋼絞線，順橋向?qū)ΨQ于主塔錨固在主梁上，通過分絲管索鞍穿過索塔。

1.2 塔梁墩固結(jié)區(qū)構(gòu)造

矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，主梁通過橫梁與主墩、索塔連成一體，構(gòu)造尺寸見圖2～3。

2 有限元模型

2.1 建立有限元模型

本橋有限元模型包括Midas整體分析模型和ANSYS塔梁墩固結(jié)區(qū)局部分析模型。整體模型主要用于結(jié)構(gòu)的整體驗(yàn)算，并為局部分析模型提供位移和力邊界條件;局部分析模型用于對塔梁墩固結(jié)區(qū)進(jìn)行細(xì)部分析研究。

塔梁墩固結(jié)區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)與整個(gè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位都是相互關(guān)聯(lián)的，嚴(yán)格來說，要弄清該區(qū)域的應(yīng)力分布，需將全橋劃分為三維實(shí)體有限元進(jìn)行空間應(yīng)力分析，但這樣求解代價(jià)太大。根據(jù)圣維南原理，塔梁墩固結(jié)區(qū)的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的受力狀態(tài)有關(guān)，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的構(gòu)件對其應(yīng)力分布影響很小，可以忽略不計(jì)。故在進(jìn)行實(shí)體分析時(shí)，僅以塔梁墩固結(jié)區(qū)附近區(qū)域作為研究對象，分析精度是否可以滿足工程需要。

整體分析模型中，塔梁墩以及承臺、樁基均采用空間梁單元模擬，拉索采用空間桁架單元模擬，塔梁墩之間及斜拉索和主梁、主塔之間通過剛性連接耦合。全橋共離散為1 518個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 523個(gè)單元。整體分析模型見圖4。

ANSYS局部分析模型中，模擬出主梁0#～3#塊、10 m高以下塔柱、雙薄壁墩以及在0#～3#塊范圍內(nèi)錨固的縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋。塔梁墩混凝土采用solid45單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用link8單元模擬，采用降溫法模擬預(yù)應(yīng)力筋張拉，不考慮普通鋼筋，雙薄壁墩墩底固結(jié)。在塔頂和主梁端部質(zhì)心位置建立節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用mass21單元模擬，質(zhì)心節(jié)點(diǎn)與塔、梁端面所有節(jié)點(diǎn)之間建立剛性域，從整體模型中提取內(nèi)力或位移邊界條件施加在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)上。同時(shí)，需對實(shí)體模型施加自重及二期恒載。實(shí)體模型共離散為116 068個(gè)節(jié)點(diǎn)，473 949個(gè)單元。塔梁墩固結(jié)區(qū)實(shí)體有限元模型及預(yù)應(yīng)力鋼束模型見下頁圖5、圖6。

2.2 分析工況及內(nèi)力提取

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及相關(guān)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，選取三個(gè)荷載工況進(jìn)行局部分析：

工況1：施工階段最大懸臂。

工況2：運(yùn)營階段主梁最大軸力。

工況3：運(yùn)營階段主梁最大面內(nèi)彎矩。

從整體模型中提取上述工況下的主梁和主塔相應(yīng)截面內(nèi)力，見表1。

2.3 結(jié)果分析

通過對上述三個(gè)工況進(jìn)行局部分析，發(fā)現(xiàn)施工階段最大懸臂狀態(tài)（工況1）下塔梁墩固結(jié)區(qū)受力最不利。限于篇幅，本文僅示出最不利工況下的分析結(jié)果，見圖7～14，應(yīng)力單位為MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

從分析結(jié)果可知，塔梁墩固結(jié)區(qū)域受力最不利工況出現(xiàn)在施工階段最大懸臂狀態(tài)。在該工況下，塔梁墩固結(jié)區(qū)大部分受力較合理，最大主拉應(yīng)力多數(shù)為0～3.5 MPa，主拉應(yīng)力的產(chǎn)生以橫向、豎向拉應(yīng)力為主。順橋向由于預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)置較多，拉應(yīng)力較小，普遍在1 MPa以下。根據(jù)局部分析結(jié)果，建議固結(jié)區(qū)采用鋼纖維混凝土，通過摻入鋼纖維提高混凝土的抗裂性能;同時(shí)，建議固結(jié)區(qū)增加普通鋼筋的設(shè)置密度，尤其是橫向和豎向普通鋼筋，以限制裂縫的發(fā)展。

此外，分析發(fā)現(xiàn)塔梁墩固結(jié)區(qū)中間箱室與墩頂橫梁相交處的主拉應(yīng)力較大，最大主拉應(yīng)力為7.5 MPa，主拉應(yīng)力的產(chǎn)生以橫向和豎向拉應(yīng)力為主。因此，建議加大中間腹板與墩頂橫梁相交處的導(dǎo)角設(shè)置范圍，通過構(gòu)造措施減小腹板與墩頂橫梁之間的剛度差，使腹板內(nèi)力均勻地傳遞給墩頂橫梁，減小應(yīng)力集中。同時(shí)，該區(qū)域的普通鋼筋也應(yīng)適當(dāng)加密，控制裂縫發(fā)展。

3 結(jié)語

矮塔斜拉橋塔梁固結(jié)區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，各構(gòu)件間截面變化大，導(dǎo)致剛度變化大，受力復(fù)雜，容易造成應(yīng)力集中。整體計(jì)算模型只能分析結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，很難求得細(xì)部區(qū)域的應(yīng)力分布情況[2]。本文通過采用ANSYS有限元軟件建立塔梁墩固結(jié)區(qū)實(shí)體仿真分析模型，發(fā)現(xiàn)塔梁墩固結(jié)區(qū)詳細(xì)的應(yīng)力分布規(guī)律，對局部應(yīng)力超限的部位提出構(gòu)造和配筋上的優(yōu)化措施，對設(shè)計(jì)和施工起到很好的指導(dǎo)作用，保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉小軍.矮塔斜拉橋0號塊結(jié)構(gòu)細(xì)部分析研究[J].山西交通科技，2017（4）：70-73.

[2]燕海蛟，安永日.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊空間應(yīng)力分析[J].公路交通技術(shù)，2018，34（2）：37-43.