非對(duì)稱獨(dú)塔混合梁斜拉橋的異形索塔不同狀態(tài)力學(xué)性能分析

陽(yáng)佳丁，李濟(jì)川，梅繼洲，周 銳，朱德權(quán)

（1、廣東佛盈匯建工程管理有限公司 廣東佛山 528000；2、中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院 武漢 430050；3、深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳 518000）

0 引言

近年來(lái)，隨著橋梁技術(shù)的快速發(fā)展，獨(dú)塔混合梁體系斜拉橋因其兼具混凝土梁和鋼梁的優(yōu)點(diǎn)和良好的力學(xué)性能，在橋梁工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用［1］，例如1972 年建成的世界上首座獨(dú)塔雙跨混合梁斜拉橋德國(guó)ku-sehumaeher 橋以及2017 年我國(guó)建成的最大主跨跨度為338 m的廣州東沙特大橋。由于索塔結(jié)構(gòu)是獨(dú)塔混合梁斜拉橋的靈魂構(gòu)建，為了使橋梁造型與現(xiàn)代化城市建設(shè)相呼應(yīng)，城市景觀橋梁索塔開(kāi)始向異形化發(fā)展，目前主要有曲線形索塔、折線形索塔、鉆石形索塔和花瓶形索塔等［2］。索塔錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋重要傳力構(gòu)件之一，然而異形索塔的構(gòu)造復(fù)雜，局部區(qū)域的應(yīng)力集中問(wèn)題明顯，是斜拉橋設(shè)計(jì)、施工的重要關(guān)注對(duì)象。

已有一些學(xué)者針對(duì)異形索塔斜拉橋的受力特征進(jìn)行了研究，曾明根等人［3］采用空間有限元模型詳細(xì)模擬索塔中各部分構(gòu)件，計(jì)算索塔中鋼錨箱板件的應(yīng)力和混凝土的應(yīng)力，分析斜拉索索力在索塔錨固區(qū)的傳遞分配關(guān)系；吳萬(wàn)忠等人［4］針對(duì)異形索塔斜拉橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)建立板殼模型，并進(jìn)行空間應(yīng)力分析；楊斐等人［5］對(duì)介紹了混凝土索塔鋼錨箱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)并進(jìn)行了受力分析；孫鵬［6］對(duì)非對(duì)稱獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋靜載試驗(yàn)；張亮亮等人［7］建立了斜拉橋索塔錨固區(qū)的實(shí)體有限元模型，對(duì)比分析了3 種不同工況下錨固區(qū)的受力特點(diǎn)及應(yīng)力分布規(guī)律；李艷鳳等人［8］分析了折線形索塔的力學(xué)特性，并重點(diǎn)研究了索塔折角處的受力；段政等人［9］對(duì)鋼錨箱各構(gòu)件和鋼箱梁腹板單元進(jìn)行局部細(xì)化，對(duì)縱向弧形獨(dú)塔的索塔鋼錨箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行仿真分析；葉建龍等人［10］采用ANSYS 軟件建立鋼錨箱及其對(duì)應(yīng)的主梁邊箱節(jié)段錨固區(qū)的三維實(shí)體有限元模型，分析錨固區(qū)的受力特性，并分析錨固區(qū)關(guān)鍵板件厚度及斜拉索索面傾角調(diào)整的2 步優(yōu)化方法；劉新華等人［11］選取塔頂5 對(duì)斜拉索的錨固區(qū)段為對(duì)象，設(shè)計(jì)制作1∶4 的縮尺模型進(jìn)行靜載試驗(yàn)，并采用MIDAS FEA 軟件建立索塔錨固區(qū)有限元模型，分析錨固區(qū)塔壁和錨塊的應(yīng)力分布。異形索塔結(jié)構(gòu)不能采用傳統(tǒng)的平面桿系模型進(jìn)行分析，必須通過(guò)實(shí)體模型分析其三維應(yīng)力狀態(tài)；且由于不同施工狀態(tài)下索塔錨固區(qū)所受到的荷載不同，導(dǎo)致其局部應(yīng)力狀態(tài)會(huì)有很大程度的差異。因此有必要對(duì)各施工狀態(tài)下斜拉橋及其索塔錨固區(qū)的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分析。

本文以一座獨(dú)塔混合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，其索塔線型采用佛手型的異形結(jié)構(gòu)，分別建立全橋的梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ秃彤愋嗡魉Y(jié)構(gòu)的實(shí)體有限元模型，分析不同施工階段全橋及索塔錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的空間受力和變形分布，研究結(jié)果為異形索塔斜拉橋的設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考價(jià)值。

1 非對(duì)稱獨(dú)塔混合梁斜拉橋

以一座跨徑為200+114=314 m 的非對(duì)稱單塔空間雙索面混合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｔ摌虿捎盟樟汗探Y(jié)體系，主跨采用“PK”斷面鋼箱梁（梁高為3.5 m，寬為38.6 m），邊跨采用“PK”斷面的混凝土雙邊箱梁（梁高為3.14 m，寬為38.6 m），主橋總體布置如圖1 所示。主塔采用“佛手”造型的變截面混凝土塔，塔高125 m，橫梁以上塔柱高102 m，材料為C50 混凝土，內(nèi)部拉索錨固區(qū)為鋼錨梁結(jié)構(gòu)，共15 套鋼錨梁30 對(duì)斜拉索，拉索采用1 860 MPa 鋼絞線。鋼錨梁由鋼板組合而成，其支撐結(jié)構(gòu)為鋼牛腿，由上承板、托架板、塔壁預(yù)埋鋼板、剪力釘和與勁性骨架相連的連接鋼板組成，鋼板材料為Q345qC。

2 不同施工階段下橋塔受力特征

2.1 橋塔自立狀態(tài)

對(duì)于橋塔自立狀態(tài)，混凝土塔柱采用爬模施工，邊跨混凝土主梁采用支架現(xiàn)澆施工，主跨鋼箱梁采用橋面起重機(jī)吊裝施工。此時(shí)橋塔最大位移出現(xiàn)在塔頂，為6.05 mm，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁中點(diǎn)，為1.82 MPa，如圖2所示；橋塔最大橫橋向壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁與塔的交點(diǎn)處，為2.95 MPa，由橫梁自重引起，故橋塔自立狀態(tài)下的主塔應(yīng)力、應(yīng)變最大值都滿足設(shè)計(jì)安全要求。

圖2 橋塔自立狀態(tài)應(yīng)力Fig.2 Stress of a Bridge Tower in a Self-supporting State

2.2 混凝土跨滿堂支架狀態(tài)

對(duì)于混凝土跨滿堂支架狀態(tài)，橋塔最大位移出現(xiàn)在塔頂，為6.023 mm，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁中點(diǎn)，為1.41 MPa，如圖3所示；橋塔最大橫橋向壓應(yīng)力也在橫梁與塔的交點(diǎn)處，為2.72 MPa，故混凝土跨滿堂支架狀態(tài)下的主塔應(yīng)力、應(yīng)變最大值都滿足設(shè)計(jì)安全要求。

圖3 橋塔滿堂支架狀態(tài)應(yīng)力Fig.3 Stress of Bridge Tower in Full Hall Bracket State

2.3 最大懸臂狀態(tài)

橋塔最大懸臂狀態(tài)下，橋梁最大位移出現(xiàn)在主跨的跨中處，為6.223 mm，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主梁主跨左梁端，約為33.1 MPa，如圖4 所示；橋塔最大橫橋向壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁與塔的交點(diǎn)處，為3.98 MPa。橋塔最大懸臂狀態(tài)下主塔的最大應(yīng)力以及拉索的最大應(yīng)力和成橋階段應(yīng)力分布相似，但應(yīng)力大小值小于成橋狀態(tài)下的應(yīng)力，故最大懸臂狀態(tài)下其他的位移和應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，整體橋梁受力較為安全。

圖4 橋塔最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力Fig.4 Stress of the Maximum Cantilever State of the Pylon

3 索塔錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

3.1 橋塔實(shí)體有限元模型

對(duì)異型橋塔采用實(shí)體建模，對(duì)索錨固區(qū)混凝土變截面塔進(jìn)行多段劃分來(lái)模擬曲線，主塔實(shí)體模型選用SOLID95 單元，混凝土塔和鋼錨梁之間用Conta174 和Targe170連接單元模擬剛接，主塔邊界條件為主塔根部底面固接的形式來(lái)模擬，塔身錨固區(qū)節(jié)段頂部設(shè)為自由端，將選取節(jié)段承受的荷載施加到結(jié)構(gòu)上，比如結(jié)構(gòu)自重，節(jié)段以上塔身重量和拉索索力值，節(jié)段底部采用固結(jié)方式模擬，具體的實(shí)體有限元模型和橋塔的變形如圖5所示，在最大懸臂施工階段和成橋階段，主塔的最大變形均出現(xiàn)在塔頂?shù)谝粋€(gè)錨固區(qū)，變形值為7.42 mm。

圖5 索塔錨固區(qū)實(shí)體有限元模型Fig.5 Finite Element Model of Anchorage Zone of Pylon Tower

3.2 錨固區(qū)局部應(yīng)力

在最大懸臂階段工況下拉索拉力作用下，索塔錨固區(qū)混凝土塔應(yīng)力分布規(guī)律為從上到下應(yīng)力增大，如圖6?所示，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在右下角的最后一個(gè)錨固區(qū)的中間位置，為70.1 MPa，建議加強(qiáng)這一區(qū)域的配筋。在成橋階段在最大索拉力的作用下，錨固區(qū)橋塔應(yīng)力分布規(guī)律也為從上到下應(yīng)力增大，順橋向從左到右應(yīng)力增大，橫橋向應(yīng)力對(duì)稱分布，最小應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在左上角的第一個(gè)錨固區(qū)位置，最小應(yīng)力為0.63 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在右下角的最后一個(gè)錨固區(qū)的中間位置，最大應(yīng)力為25.3 MPa，如圖6?所示。在成橋階段最大索拉力的作用下，第一錨固區(qū)鋼板的應(yīng)力如圖6?所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近牛腿區(qū)的下側(cè)鋼板側(cè)，為76.2 MPa。

圖6 不同狀態(tài)的錨固區(qū)應(yīng)力Fig.6 Stress of the Anchored Area in the Bridge State

4 結(jié)論

本文主要針一座非對(duì)稱獨(dú)塔混合梁斜拉橋，分別進(jìn)行了不同施工階段的整體結(jié)構(gòu)受力分析和索塔錨固區(qū)的受力分析，具體結(jié)論如下：

⑴最大懸臂狀態(tài)的橋塔最大位移和應(yīng)力要明顯大于橋塔自立狀態(tài)和滿堂支架狀態(tài)，受力最危險(xiǎn)的區(qū)域在于鋼混結(jié)合錨固區(qū)以及鋼梁左端端部區(qū)域，但不同施工階段的變形與受力仍滿足設(shè)計(jì)要求。

⑵對(duì)于索塔錨固區(qū)，施工階段最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在右下角的最后一個(gè)錨固區(qū)的中間位置，應(yīng)力分布規(guī)律為從上到下應(yīng)力增大，最大應(yīng)力為70.1 MPa；成橋階段工況鋼梁主要的大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近牛腿區(qū)的下側(cè)鋼板側(cè)，應(yīng)力值從兩側(cè)到中間呈減小趨勢(shì)，最大應(yīng)力為76.2 MPa。