大跨度矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)處局部應(yīng)力分析

羅志東，諶　楹

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530022；2.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

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大跨度矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)處局部應(yīng)力分析

羅志東1，諶楹2

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西南寧530022；2.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

文章以某高速公路上一座主跨270m的矮塔斜拉橋?yàn)槔\(yùn)用有限元分析軟件Ansys建立塔梁墩固結(jié)處局部實(shí)體模型，分析塔梁墩固結(jié)處主梁、索塔橋墩以及墩底的應(yīng)力分布情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

大跨度PC矮塔斜拉橋；塔梁墩固結(jié)；局部應(yīng)力分析

0　引言

矮塔斜拉橋亦稱部分斜拉橋，是近20年來出現(xiàn)的一種新橋型，它具有較為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，有非常大的發(fā)展?jié)摿?。它的力學(xué)行為介于斜拉橋和梁橋之間，是塔、梁、墩及斜拉索組成的組合體系橋。根據(jù)塔、梁、墩的不同結(jié)合方式，矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系可分為塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座，塔墩固結(jié)、塔梁分離，塔梁墩固結(jié)等三種形式。本文主要研究塔梁墩固結(jié)體系中固結(jié)處應(yīng)力分布，由于固結(jié)部位不僅承受橋塔傳遞的巨大軸向力和彎矩，還承受主梁傳遞來的較大的豎向力和彎矩。因此，固結(jié)處的受力和構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜。研究塔梁墩固結(jié)部位的受力特點(diǎn)及應(yīng)力分布，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。本文運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS建立塔墩梁固結(jié)部位實(shí)體模型，對(duì)固結(jié)塊進(jìn)行了詳細(xì)的局部應(yīng)力分析。

1　工程概況

本文以某高速公路上一座(145+270+145)m雙塔單索面PC矮塔斜拉橋?yàn)楣こ虒?shí)例，該橋目前為國(guó)內(nèi)最大跨徑PC矮塔斜拉橋。設(shè)計(jì)為雙向4車道，橋?qū)?8.5 m，梁高4.5～11 m，主塔為柱式塔，塔高44.0 m，全橋共設(shè)84根斜拉索，斜拉索梁上間距4 m，主墩采用單箱三室截面，薄壁空心墩，矩形承臺(tái)接2.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主梁為整幅單箱三室直腹板形式，箱梁頂板寬28.5 m，底板寬19.5 m，兩側(cè)翼板懸臂長(zhǎng)4.5 m。頂板頂面設(shè)置2.0%的雙向橫坡，底板水平。箱梁根部梁高11 m，中跨跨中及邊跨現(xiàn)澆梁段梁高4.5 m，梁高及底板厚度均以1.8次拋物線變化。本橋橋型布置圖如圖1所示，塔梁墩固結(jié)處橋梁斷面如圖2所示。

圖1　橋型布置圖

圖2　塔梁墩固結(jié)處橫斷面圖

2　有限元模型的建立

2.1模型選取范圍

為使模型的受力狀況與實(shí)際受力狀況接近，根據(jù)圣維南原理，模型的選取除塔梁墩固結(jié)塊外，主梁往兩側(cè)延升至距索塔30 m范圍(x=-30～+30 m，0#～8#節(jié)段)，索塔取至橋面以上20 m，下部結(jié)構(gòu)取至承臺(tái)底。如圖3所示。本部分計(jì)算主要關(guān)注內(nèi)容為塔梁墩固結(jié)處主梁、索塔橋墩以及墩底的應(yīng)力分布情況。

圖3　有限元實(shí)體模型選取范圍示意圖

2.2有限元模型及網(wǎng)格劃分

利用Ansys14.0軟件根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸建立主梁節(jié)段實(shí)體模型，箱梁混凝土采用Solid185單元模擬，并通過掃略劃分六面體單元，總體單元尺寸0.3 m。有限元模型如圖4所示。

圖4　塔梁墩固結(jié)處幾何模型圖

2.3模型邊界條件

(1)位移邊界條件：對(duì)承臺(tái)底部固結(jié)。

(2)荷載邊界條件：首先采用Midas/Civil 2012軟件建立有限元模型，對(duì)橋梁進(jìn)行整體受力分析計(jì)算，通過提取MIDAS相應(yīng)工況下全橋桿系模型的內(nèi)力結(jié)果，分別施加到相應(yīng)的主梁截面和索塔相應(yīng)截面。通過主梁撓曲和內(nèi)力結(jié)果的比較，使本局部模型和整體模型具有一致的邊界條件。

2.4計(jì)算考慮的荷載

(1)永久作用：持久狀況永久作用，除考慮了主梁、索塔結(jié)構(gòu)的自重、二期恒載、混凝土收縮及徐變作用、預(yù)加力等作用外，還考慮了基礎(chǔ)變位作用。

(2)可變作用：主要包括汽車荷載和溫度作用。其中汽車荷載按公路-Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取值，橫向按6車道加載。

結(jié)構(gòu)溫度荷載包括：

結(jié)構(gòu)整體升溫25 ℃；整體降溫23 ℃；主梁上下緣梯度：正溫差+14 ℃～+5.5 ℃～0.0 ℃；反溫差-7 ℃～-2.75 ℃～0 ℃；索梁溫差±5 ℃。

其中未施加在所建實(shí)體模型上和荷載通過梁端和索塔截面內(nèi)力反應(yīng)到模型中。

2.5計(jì)算荷載組合

根據(jù)Midas全橋計(jì)算結(jié)果，在索塔和主梁截?cái)嘟孛嫔鲜┘酉鄳?yīng)的Ansys模型荷載邊界條件?？紤]到主梁墩底截面和墩底位置是最主要的中心部位，分別是成橋狀態(tài)、主梁墩頂截面最大負(fù)彎矩工況和墩底大彎矩荷載工況。從整體分析模型中截取端部截面的內(nèi)力結(jié)果，見表1。這些內(nèi)力結(jié)果作為荷載邊界條件施加在局部分析模型中。

表1　各計(jì)算工況所取荷載條件數(shù)值表

表1中內(nèi)力為整體模型中單元坐標(biāo)系結(jié)果，方向?yàn)閄順橋向，Y橫橋向，Z豎直向上。其中工況二所取荷載組合為：恒載+最不利移動(dòng)荷載+梯度降溫+負(fù)制動(dòng)力+風(fēng)荷載；工況三所取荷載組合為：恒載+墩底最不利移動(dòng)荷載+整體降溫+梯度降溫+索梁溫差-10 ℃+正制動(dòng)力+風(fēng)荷載。

3　塔梁墩固結(jié)部位應(yīng)力計(jì)算分析

對(duì)三個(gè)工況(成橋階段、主梁最大負(fù)彎矩，墩底最大彎矩)進(jìn)行分析。本文選取工況二局部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳細(xì)分析。

3.1主梁應(yīng)力結(jié)果分析

圖5　主梁縱向應(yīng)力圖(Pa)

圖6　主梁主拉應(yīng)力圖(Pa)

從圖5～6可得出，主梁墩頂最不利工況作用下，主梁縱向應(yīng)力最小值為索塔在主梁內(nèi)的部分，局部拉應(yīng)力1.1 MPa；主梁主拉應(yīng)力最大值發(fā)生在中箱腹板邊寬度的頂板和底板位置，主拉應(yīng)力最大值約為3 MPa。

同時(shí)，主梁頂板縱向壓應(yīng)力最大值發(fā)生在頂板變厚起始位置處，壓應(yīng)力峰值為18.7 MPa，橫向應(yīng)力基本處于受壓狀態(tài)，在溫度梯度作用下橫向最大拉應(yīng)力約為3 MPa。腹板縱向壓應(yīng)力最大值在中箱腹板變寬處內(nèi)側(cè)，壓應(yīng)力峰值為17.1 MPa。腹板豎向拉應(yīng)力最大值在中箱腹板變寬處外側(cè)，約為1 MPa。底板橫向拉應(yīng)力最大值在中箱底板變厚處遠(yuǎn)離橋墩1個(gè)階段位置處，局部拉應(yīng)力峰值為2.1 MPa。除局部應(yīng)力集中可通過構(gòu)造進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)外，主梁各位置處應(yīng)力情況滿足規(guī)范要求。

3.2橫梁應(yīng)力結(jié)果分析

圖7　0#塊中心線截面橫向應(yīng)力圖(Pa)

圖8　0#塊中心線截面豎向應(yīng)力圖(Pa)

從圖7～8可得出，0#塊橫梁受力均勻，傳力明確。橫向基本處于受壓狀態(tài)，局部最大拉應(yīng)力為1.6 MPa，豎向最大拉應(yīng)力為0.9 MPa，滿足要求。

3.3索塔及下構(gòu)結(jié)果分析

圖9　索塔豎向應(yīng)力圖(Pa)

圖10　索塔主拉應(yīng)力圖(Pa)

從圖9～10可得出，工況二作用下索塔和橋墩豎向均處于受壓狀態(tài)，索塔最大豎向應(yīng)力為14.63 MPa，塔梁連接處最大豎向應(yīng)力為13.8 MPa，索塔最大主拉應(yīng)力為0.2 MPa。由于索塔的豎向力傳入，在索塔下部的橋墩上端實(shí)心墩位置處，出現(xiàn)了一定的橫向拉應(yīng)力，局部拉應(yīng)力峰值為3.1 MPa，但范圍很小，可加強(qiáng)構(gòu)造配筋。墩底位置最大主拉應(yīng)力為1.8 MPa，滿足要求。

4　結(jié)語

(1)對(duì)本工程實(shí)例橋梁塔梁墩固結(jié)處局部應(yīng)力分析表明，塔梁墩固結(jié)處主梁、索塔和橋墩結(jié)構(gòu)受力均勻，傳力明確。通過縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力以及橫梁預(yù)應(yīng)力的配置，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力保持在合理范圍內(nèi)。

(2)鑒于本文篇幅所限，僅對(duì)工況二作用下的塔梁墩部位進(jìn)行了應(yīng)力結(jié)果分析。通過對(duì)工況一、工況三應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，除了作用于模型本身的荷載外，工況一至工況三不同工況下荷載邊界條件的施加對(duì)塔梁墩固結(jié)處的局部應(yīng)力影響不大。

(3)主梁縱向壓應(yīng)力最大值為20 MPa左右，塔墩梁固結(jié)處存在一定的應(yīng)力集中，局部應(yīng)力集中處拉應(yīng)力達(dá)到3 MPa，應(yīng)適當(dāng)加密鋼筋。

(4)為改善應(yīng)力集中狀況，對(duì)于頂、底板變厚處及腹板變寬處，應(yīng)設(shè)置倒角或增加配筋。

[1]王伯惠.斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)(上冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]陳小玲.單索面矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)局部應(yīng)力分析[J].交通科技，2012(1)：4-6.

Local Stress Analysis of Large-span Extra-dosed Cable-stayed Bridge at Tower-beam-pier Consolidation Place

LUO Zhi-dong1，CHEN Ying2

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530022；2.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

With an extra-dosed cable-stayed bridge with the main span of 270 m in an expressway as the example，this article established the local physical model at tower-beam-pier consolidation place by using the finite element analysis software Ansys，and analyzed the stress distribution situation of main beam，cable-tower piers and pier bottom at tower-beam-pier consolidation place，thereby providing the basis for the structural design.

Large-span PC extra-dosed cable-stayed bridge；Tower-beam-pier consolidation；Local stress analysis

U448.27

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.021

1673-4874(2016)05-0078-04

2016-04-28

羅志東(1984—)，工程師，研究方向：高速公路項(xiàng)目建設(shè)管理；

諶楹(1982—)，高級(jí)工程師，研究方向：公路橋梁勘察設(shè)計(jì)。