矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)實(shí)體分析

曹偉宏，石少華

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都，610061）

0 引 言

矮塔斜拉橋兼有斜拉橋與梁式橋的優(yōu)點(diǎn)，造型美觀、技術(shù)先進(jìn)、造價(jià)低，近幾年在我國(guó)得到了較好的發(fā)展［1－3］。由于采用塔墩梁固結(jié)體系，相比傳統(tǒng)的塔梁固結(jié)形式，其受力更加復(fù)雜，固結(jié)部位除了承受巨大的軸向力和彎矩外，還承受由主梁傳遞的較大的豎向力和扭矩。同時(shí)，塔的剛度與墩的剛度相比于固結(jié)處梁的剛度變化較大，塔墩梁固結(jié)處的構(gòu)造處理尤為關(guān)鍵，因此，通過三維實(shí)體模型對(duì)過人孔周邊、塔梁固結(jié)處及墩梁固結(jié)部位的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，研究塔墩梁固結(jié)部位的受力特性及其應(yīng)力分布規(guī)律，這些關(guān)鍵部位的應(yīng)力情況可以直接反應(yīng)構(gòu)造擬定是否合理及優(yōu)化方向，這一分析對(duì)結(jié)構(gòu)的安全可靠具有重要意義［4－9］。

擬建黃龍帶矮塔斜拉橋位于大廣高速公路D3合同段，上跨黃龍帶水庫，橋梁左幅結(jié)構(gòu)中心線位于R＝1786.5m的圓曲線上；右幅橋梁結(jié)構(gòu)中心位于R＝1809.5m的圓曲線上，橫向單面坡3%。主橋采用（108＋208＋108）m矮塔混凝土斜拉橋，主梁左右分修，在塔墩梁固結(jié)處通過橫梁連成一個(gè)整體，橫梁厚度4.8 m，采用三柱式塔，三柱式橋墩。結(jié)構(gòu)體系采用塔墩梁固結(jié)體系，邊墩處設(shè)置支座。如下圖1所示。

圖1 主塔截面圖

1 有限元模型

本文首先采用MIDAS／CIVIL 2006建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ?，?duì)大橋進(jìn)行整體受力分析計(jì)算，再采用MIDAS／FEA對(duì)塔梁墩固結(jié)部位建立局部實(shí)體模型，進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。建立實(shí)體模型時(shí)，主梁取0號(hào)塊、1號(hào)塊、2號(hào)塊、3號(hào)塊，共計(jì)26m，塔墩取至承臺(tái)位置，塔高取17m，故此取值范圍離固結(jié)部位已取至足夠長(zhǎng)度，可以排除圣維南效應(yīng)對(duì)塔墩梁固結(jié)部位受力的影響。模型中混凝土采用實(shí)體單元中的六面體單元進(jìn)行模擬，橫梁處橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋及主塔部分豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用自動(dòng)網(wǎng)格線直接鋼筋單元方法進(jìn)行模擬。對(duì)于主梁縱向預(yù)應(yīng)力索，本文只模擬出錨固端在主梁0號(hào)塊、1號(hào)塊、2號(hào)塊、3號(hào)塊的部分，其余縱向預(yù)應(yīng)力索的作用通過作用于梁端的受力進(jìn)行模擬［10］。

實(shí)體模型共計(jì)83696個(gè)單元，69911個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2為劃分網(wǎng)格的有限元模型。

圖2 塔墩梁固結(jié)有限元模型

2 邊界和荷載

由于本文研究塔梁墩固結(jié)部位的局部應(yīng)力，故邊界條件采用橋塔底部固結(jié)；荷載為通過MIDAS／CIVIL 2006梁?jiǎn)卧Ｐ椭械玫降囊唤M不利荷載。由于實(shí)體單元無法直接施加荷載，故采取在構(gòu)件需施加荷載的截面形心部位建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)（主節(jié)點(diǎn)），然后跟其他受力節(jié)點(diǎn)耦合，形成剛性區(qū)域，然后直接將彎矩、剪力和軸力施加到主節(jié)點(diǎn)，即形心節(jié)點(diǎn)。這種模擬彎矩的方式將導(dǎo)致梁端應(yīng)力情況發(fā)生變化，在端部截面會(huì)產(chǎn)生明顯端部效應(yīng)，但本文研究?jī)?nèi)容為塔墩梁固結(jié)部位詳細(xì)應(yīng)力，根據(jù)圣維南原理，在彈性體的小部分邊界上，原力系用另一個(gè)靜力等效力系代替，只引起引小部分邊界附近區(qū)域的應(yīng)力發(fā)生變化，離開此區(qū)域較遠(yuǎn)處的應(yīng)力不發(fā)生變化。故該方法采用在預(yù)加力截面施加外力的方式對(duì)塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力影響很小，是可行的。

本文提取了塔頂處及左右幅大小里程3號(hào)截面處恒載＋活載作為不利荷載組合，其具體數(shù)值見表1。

表1 最不利工況內(nèi)力表

號(hào)塊 401 369 1 372 － 14 392 6 913 224 466 22 215右幅主梁岸側(cè)3右幅中側(cè)3號(hào)塊 － 398 551 1 403－19 994 16 377－141 338 －14 450 17m高處塔柱恒＋活載內(nèi)力軸向 剪力 剪力 扭矩 彎矩 彎矩項(xiàng)目（kN） （kN） （kN） （kN＊m） （kN＊m） （kN＊m）邊塔柱 －37 427 － 1 513 －1 059 0 7 849 3 082小里程曲線內(nèi)側(cè)小里程中塔柱 －72 096 － 2 164 －1 747 －1 732 12 901 6 006小里程曲線外側(cè)邊塔柱 －37 203 －630 －1 237 0 8 358 117

3 不利荷載作用下計(jì)算分析結(jié)果

由于斜拉索豎向分力的累積和橋塔的巨大豎向荷載，對(duì)塔梁墩固結(jié)部位的應(yīng)力分布產(chǎn)生了明顯影響，為能夠更加清楚簡(jiǎn)潔地讀取和分析塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力情況，本文鈍化了除0號(hào)塊以外主梁梁段及塔柱和10 m塔墩。本文所有應(yīng)力結(jié)果均從上述鈍化以后的計(jì)算模型中讀取。

圖3 縱向正應(yīng)力分布圖

3.1 縱向正應(yīng)力

由圖3可知，縱向正應(yīng)力介于2.449MPa～ －24.68MPa之間，從圖3可以看出，大于1MPa的區(qū)域很小，位于右幅梁體與橫梁臺(tái)階處；小于－16MPa的區(qū)域很小，位于梁體與橫梁臺(tái)階處；二者迅速衰減至－12.81～0.75MPa之間。

圖4 橫向正應(yīng)力分布圖

3.2 橫向正應(yīng)力

由圖4可知，橫向正應(yīng)力介于－20.56～9.62MPa之間；從圖4可以看出，大于1大于1MPa拉應(yīng)力及小于－16MPa壓應(yīng)力的極值點(diǎn)均出現(xiàn)橫向預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)附近，并且衰減很快，可以忽略，大部分應(yīng)力介于－11.13～2.08MPa之間，滿足規(guī)范要求。

圖5 豎向正應(yīng)力分布圖

3.3 豎向正應(yīng)力

由圖5可知，最大豎向拉應(yīng)力出現(xiàn)在0號(hào)塊橫梁人孔附近，超過2MPa拉應(yīng)力的區(qū)域較小，并且衰減較快，可適當(dāng)調(diào)整構(gòu)造尺寸，并施加豎向預(yù)應(yīng)力來調(diào)整豎向應(yīng)力。

3.4 主拉應(yīng)力

由圖6可知，在橫向預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)與人孔區(qū)域存在較大的主拉應(yīng)力，最大值為11.72MPa（最大值出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)），此值為整個(gè)結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)的最大主拉應(yīng)力，是控制設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。其余超過2 Mpa的區(qū)域基本上出現(xiàn)人孔附近以及梁體與橫隔板的臺(tái)階處。

圖6 主拉應(yīng)力分布圖

圖7 主壓應(yīng)力分布圖

3.5 主壓應(yīng)力

由圖7可知，主壓應(yīng)力出現(xiàn)在梁體與橫隔板臺(tái)階部位及橫向預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)域，其值為－25.90MPa，此值為整個(gè)結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)的最大主壓應(yīng)力，是控制設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要指標(biāo)。該處應(yīng)力很快向周圍過渡到－16.00MPa以內(nèi)，除該局部表面應(yīng)力外，其它部位的應(yīng)力基本符合規(guī)范的要求。

3.6 應(yīng)力結(jié)果分析

上述結(jié)果中極值應(yīng)力大都出現(xiàn)在鋼束錨固處、截面急劇變化處，這些部位由于結(jié)構(gòu)自身剛度突變以及接觸位置有限元法模擬失真，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是這些應(yīng)力分布范圍很小，都呈點(diǎn)狀分布，且極值點(diǎn)周邊應(yīng)力衰減很快。

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)過人孔周邊、塔梁固結(jié)處及墩梁固結(jié)部位的局部詳細(xì)應(yīng)力分析可知，黃龍帶特大橋所采用的塔墩梁固結(jié)體系，總體上是一種受力比較適宜的方案，塔墩梁固結(jié)段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）取消橫梁與梁體不等高區(qū)域，橫梁與梁體等高度設(shè)置。

（2）人孔處可加密鋼筋布置，分散應(yīng)力集中。

（3）增加豎向預(yù)應(yīng)力在橫梁處的布置。

（4）減少受力不利處人孔。

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