基于有限元法的斜拉橋塔梁墩固結(jié)處局部應(yīng)力分析

夏振庭， 顏心園， 施文杰

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

斜拉橋主要是由受拉的斜拉索、受壓彎的橋塔、主梁等組成[1]。根據(jù)斜拉橋塔梁之間結(jié)合方式，斜拉橋又可分為剛構(gòu)體系、支承體系、塔梁固結(jié)體系以及漂浮體系。其中剛構(gòu)體系在構(gòu)造上將橋墩、橋塔以及主梁固結(jié)起來，剛度大，受荷后變形小，橋梁整體穩(wěn)定性較高，特別適用于獨塔斜拉橋[2]。墩塔梁固結(jié)段是斜拉橋整體設(shè)計過程中的較為關(guān)鍵部位，由于斜拉橋墩塔梁固結(jié)處空間構(gòu)造較為復(fù)雜，且縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力管道布置集中，鋼筋密集，加上結(jié)構(gòu)受力特征不確定，結(jié)構(gòu)破壞往往又從局部位置開始，所以斜拉橋在做整體受力分析的同時，有必要對其局部應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)研究。目前國內(nèi)學(xué)者對獨塔斜拉橋墩塔梁固結(jié)處受力特征進(jìn)行了一些研究。彭桂瀚等[3]對斜拉橋墩塔梁固結(jié)區(qū)的局部應(yīng)力進(jìn)行了研究； 燕海蛟等[4]對矮塔斜拉橋墩塔梁固結(jié)段受力特征進(jìn)行了研究；祝培林[5]對雙柱式鐵路矮塔斜拉橋的墩塔梁固結(jié)段的縱、橫向應(yīng)力分布以及橫向預(yù)應(yīng)力作用對固結(jié)部位橫向應(yīng)力分布的影響進(jìn)行了研究。 黃力等[6]對大跨徑斜拉橋塔墩梁固結(jié)處空間受力進(jìn)行了研究。

本文以樂山市桐子浩特大橋的墩塔梁固結(jié)段為研究對象，因橋梁規(guī)模大，施工過程復(fù)雜，施工工況多，針對每個施工工況都進(jìn)行墩塔梁固結(jié)段局部分析是行不通的，因此選取成橋工況和最不利荷載工況，對獨塔斜拉橋的墩塔梁固結(jié)段進(jìn)行空間應(yīng)力分析，以確保橋梁安全，為結(jié)構(gòu)合理配置鋼筋提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

樂山市桐子浩特大橋跨江主橋，橋跨布置為(61+119+275)m，為混合梁獨塔斜拉橋，墩塔梁固接體系。主橋跨越河道，滿足岷江規(guī)劃Ⅲ級航道通航標(biāo)準(zhǔn)尺度243.11 m×18 m凈空的要求。橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意圖

2 有限元模型

2.1 節(jié)段模型的選取

為了能真實模擬墩塔梁固結(jié)段的受力性能，并滿足圣維南原理要求[7]，實際建模中結(jié)合段主梁分別向兩側(cè)各延伸15.0 m，跨過橋塔兩側(cè)第一對斜拉索W01和E01，結(jié)合段模型中主梁全長30.0 m。主塔柱向上延伸7.0 m，向下延伸到塔根處，副塔柱向上延伸到鋼混結(jié)合段交界處，如圖2所示。在進(jìn)行有限元計算分析時,固結(jié)模型的塔根處，在主梁和塔柱的截斷面(A、B、C截面)形成剛域，從總體模型提取相應(yīng)斷面的內(nèi)力，通過剛臂施加在模型上，作為荷載邊界條件。

圖2 階段選取示意圖(單位：m)

2.2 局部模型建立

用有限元仿真分析軟件MIDAS/FEA建立空間實體單元模型，如圖3所示。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用程序內(nèi)置的非協(xié)調(diào)性網(wǎng)格[8]植入式鋼筋單元，鋼筋單元的應(yīng)變通過計算母單元的位移可以得到，通過實體單元切割鋼筋單元的方式，自動將鋼筋單元的剛度添加到母單元中，同時可考慮預(yù)應(yīng)力損失的效應(yīng)。

圖3 1/2墩塔梁固結(jié)段局部模型

2.3 荷載及邊界條件

局部模型邊界桿端力的提取是準(zhǔn)確計算的關(guān)鍵，邊界條件是否模擬精確，直接關(guān)系到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。邊界模擬是否準(zhǔn)確，可通過整體模型與局部模型的6個力素的內(nèi)力對比反映出來。從整體模型中直接提取的主力組合下未經(jīng)轉(zhuǎn)換的邊界處桿端力，見表1，將表1 中的邊界外力加載到局部桿系單元模型中。

表1 兩種工況下內(nèi)力值

3 計算結(jié)果及分析

圖4～ 圖7為塔梁墩在成橋工況下的主拉及主壓應(yīng)力云圖。

圖4 墩塔梁固結(jié)段有限元模型(單位：MPa)

圖5 墩塔梁固結(jié)段有限元模型(單位：MPa)

圖6 墩塔梁固結(jié)段有限元模型(單位：MPa)

圖7 墩塔梁固結(jié)段有限元模型(單位：MPa)

由圖4可知，在成橋工況下，主梁頂板橫向壓應(yīng)力范圍大部分控制在-8.0～-1.0 MPa，主梁與塔柱相接處局部出現(xiàn)1.0 MPa左右拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力僅分布在塔柱混凝土表面，主梁與大橫梁連接處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，這是由于主梁截面突然變小的緣故。

由圖5可知，在成橋工況下，主梁頂板橫向壓應(yīng)力范圍控制在-10.0～-1.0 MPa，橋面板整體處于全截面受壓狀態(tài)，主梁與橫梁相接處應(yīng)力比主梁外側(cè)大。

由圖6可知，在成橋工況下，橫梁外部橫橋向應(yīng)力范圍絕大部分控制在-10.0～-1.0 MPa。橫梁處于全截面受壓狀態(tài)，橫梁與主塔相接部位出現(xiàn)19.0MPa左右的壓應(yīng)力，作用范圍較小，且只在混凝土表面，未擴(kuò)展到橫梁內(nèi)部。

由圖7可知，在成橋工況下，塔梁固結(jié)處索塔段外部豎向應(yīng)力范圍基本控制在-12.5～-1.0 MPa，橋塔基本處于全截面受壓狀態(tài)。在局部倒角處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，最大值達(dá)到-18.0 MPa。從圖7中可以看出，在靠近橋塔邊跨側(cè)，主塔柱外側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值在1.0 MPa附近變化，主要出現(xiàn)在混凝土塔柱表面，未擴(kuò)展到橋塔內(nèi)部。

4 結(jié) 論

本文建立桐子浩特大橋墩塔梁固結(jié)處有限元局部結(jié)構(gòu)實體模型，分析了墩塔梁固結(jié)處在成橋狀況下的局部應(yīng)力情況，得出如下主要結(jié)論：

(1)塔梁結(jié)合段主梁頂、底板及主梁內(nèi)部受力狀態(tài)較好，壓應(yīng)力范圍控制在-17.0～-1.0 MPa，主拉應(yīng)力控制在-1.0～1.0 MPa，主拉應(yīng)力是由于兩端張拉縱向預(yù)應(yīng)力束造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。主跨側(cè)主梁端部底板壓應(yīng)力較大，主要是主跨側(cè)主梁有向上變形的趨勢。

(2)塔梁固結(jié)處索塔段內(nèi)、外部應(yīng)力范圍絕大部分控制在-16.0～-1.0 MPa，主塔柱處于全截面受壓狀態(tài)。主塔柱與橫梁連接的局部區(qū)域受力復(fù)雜，靠近邊跨側(cè)，局部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，分布范圍較小，主要集中在混凝土塔柱表面，可能由于建模時未考慮橋塔內(nèi)部空心截面漸變所致。

(3)橫梁內(nèi)、外部壓應(yīng)力范圍控制在-10.0～-1.0 MPa，處于全截面受壓狀態(tài)，橫梁整體應(yīng)力狀態(tài)較好，無突變現(xiàn)象，但在橫梁與主塔柱連接的兩端受力較復(fù)雜，出現(xiàn)了1.0 MPa的拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力作用范圍較小，未擴(kuò)展到橫梁內(nèi)部，考慮為橫梁兩端張拉預(yù)應(yīng)力效應(yīng)所致。