矮塔斜拉橋塔梁同步施工階段塔梁墩固結(jié)部位局部應(yīng)力分析

楊德厚 鄧同生 李順波

(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司 武漢 430050； 2.重慶市交通工程質(zhì)量檢測有限公司 重慶 400060)

斜拉橋施工傳統(tǒng)上均采用先塔后梁的施工工藝[1-2]，新建阿蓬江特大橋為優(yōu)化工期，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點，采用了塔梁同步施工工藝。這種施工工藝上的變化對施工期間塔梁墩固結(jié)部位的應(yīng)力有較大影響，為保證施工期間塔梁墩固結(jié)部位的安全，有必要對塔梁同步施工順序下的矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位進行有限元實體分析，監(jiān)控該部位在各施工階段下應(yīng)力增值，確保整體橋梁結(jié)構(gòu)安全；同時塔梁固結(jié)部位是應(yīng)力集中最嚴(yán)重的地方，需要充分了解該部位的應(yīng)力大小和分布規(guī)律，必要時應(yīng)對其進行結(jié)構(gòu)上的合理優(yōu)化[3-4]，以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1 阿蓬江大橋概況

1.1 橋型參數(shù)

阿蓬江特大橋主橋部分為峽谷超高墩雙塔柱的矮塔斜拉橋，橋跨布置為135 m+240 m+135 m，跨越了水域?qū)挾葹?90 m的“U”形河谷，橋面至溝底最大高度達140 m，橋型總體布置圖見圖1。該橋斜拉索采用雙索面扇形布置，全橋設(shè)置44對斜拉索，梁上拉索水平間距7.0 m，塔部斜拉索豎向間距1.2 m。主塔采用高度為34 m的H形結(jié)構(gòu)混凝土塔柱，塔頂截面尺寸為3 m×7 m，主梁頂部橋塔截面尺寸為3.8 m×7 m，墩頂處橋塔截面尺寸為2.8 m×9.2 m；主塔12 m以上塔柱橫向中心距為10.8 m，并在該處設(shè)置一道0.6 m×2.2 m×7 m(厚×高×寬)的橫梁，橫梁以下逐步加寬于梁體橋面以外形成塔、梁、墩固結(jié)體系。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

1.2 設(shè)計荷載

本橋施工臨時荷載掛籃每套重2 500 kN，合攏吊架重300 kN。整體升、降溫取25 ℃，二期恒載考慮各種路線設(shè)備和附屬設(shè)施重量取170 kN/m。斜拉索只進行一次張拉，成橋后不需要調(diào)整索力，2個主塔斜拉索索力設(shè)計值相同，并且主塔大、小里程設(shè)計索力值相等，14號墩小里程設(shè)計索力見表1。

表1 阿蓬江大橋斜拉索設(shè)計索力值

1.3 塔梁同步施工步驟劃分

大橋主體上部結(jié)構(gòu)采用塔梁同步施工方法，主梁采用懸臂澆筑法施工。

主塔施工一共劃分為10個階段澆筑，邊跨劃分為37個梁段，其中1～33號為懸臂對稱澆筑梁塊，34、35號梁塊在中跨合龍后繼續(xù)懸臂澆筑完成，36號為2 m的邊跨合龍段，37號塊為6.75 m的邊跨現(xiàn)澆段。塔梁同步施工下主梁、主塔實際澆筑段與施工階段劃分見圖2、表2。

圖2 塔梁同步施工澆筑段劃分圖表(單位：m)

表2 阿蓬江大橋塔梁同步施工步驟表

2 有限元模型靜力分析

利用有限元軟件midas Civil和Midas FEA建立塔梁墩固結(jié)部位局部實體分析模型[5]，對橋梁整個塔梁同步施工過程進行模擬，分析重要施工階段的塔梁墩固結(jié)部位的局部應(yīng)力大小及分布規(guī)律。

2.1 全橋桿系模型

桿系模型建立時綜合考慮施工步驟、邊界連接、主梁截面特性、計算精度、局部模型選取范圍等因素，將整個橋梁結(jié)構(gòu)一共劃分為368個單元；梁塔墩均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，整體桿系模型見圖3。

圖3 整體桿系模型簡圖

2.2 局部實體模型

2.2.1計算模型范圍選取與網(wǎng)格劃分

根據(jù)圣維南原理選取合適的實體模型范圍[6]，主梁以0號塊中心位置為對稱點并沿橋縱向向兩側(cè)各取24 m，即取0～6號塊。主塔沿豎向取19 m，主墩取至承臺。

實體單元采用以六面體為主導(dǎo)的自動劃分網(wǎng)格方式進行網(wǎng)格劃分，沿0號塊中心橫截面將實體模型一分為二。主塔、主梁及橋墩向下0～8.5 m范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分尺寸為0.3 m，橋墩向下8.5～29 m范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分尺寸為0.5 m，29 m至墩底網(wǎng)格尺寸為1 m。主梁、主塔及主墩0～8.5 m范圍內(nèi)實體模型的有限元網(wǎng)格圖見圖4。

圖4 計算模型網(wǎng)格劃分圖

2.2.2預(yù)應(yīng)力鋼束模擬

本工程中只有主梁受到豎向和縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋作用，模型中預(yù)應(yīng)力鋼束采用植入式鋼筋單元模擬。將選取模型范圍內(nèi)完整的預(yù)應(yīng)力鋼筋按照實際線形導(dǎo)入實體模型相應(yīng)位置，利用Midas FEA中特有的強化功能進行預(yù)應(yīng)力鋼筋單元劃分并賦予各自的特性值，將預(yù)應(yīng)力添加在預(yù)應(yīng)力鋼筋的始末兩端，模型在計算中會首先將混凝土實體單元節(jié)點和鋼筋單元節(jié)點自動耦合并生成鋼束信息。

本文中預(yù)應(yīng)力鋼筋網(wǎng)格劃分尺寸為0.1 m。

2.2.3材料特性

主梁采用C55混凝土，橋塔與橋墩分別采用C50、C40混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用fpk=1 860 MPa的φs15.2 mm低松弛鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力筋采用直徑32 mm的PSB830螺紋粗鋼筋，模型中各材料特性見表3。

表3 主要材料特性表

2.2.4邊界條件與荷載處理

將主墩底部實體單元節(jié)點全部固結(jié)；然后分別在梁端和塔端截面形心位置建立新節(jié)點并與截面內(nèi)所有節(jié)點建立剛性連接關(guān)系，將整體桿系模型中的桿端內(nèi)力值以集中荷載的形式添加邊界新節(jié)點上[7-8]；預(yù)應(yīng)力荷載則是賦予預(yù)應(yīng)力鋼筋控制力自動計算。

主塔兩側(cè)斜拉索布置形式、大小相同，橫橋向具有一定的傾角，最大懸臂狀態(tài)下索力值順橋向關(guān)于主塔中心對稱；塔端索力縱向分力相互抵消并且忽略主塔斜拉索橫向錯位產(chǎn)生的扭矩，主塔主要承受斜拉索索力豎向分力、橫向分力和橫向分力產(chǎn)生的彎矩；主梁兩端荷載邊界主要由軸向壓力、豎向剪力和縱向彎矩構(gòu)成。最大懸臂狀態(tài)下邊界荷載加載示意見圖5，邊界荷載值見表4。

圖5 最大懸臂狀態(tài)下邊界荷載加載示意圖

表4 邊界荷載匯總表

2.3 空間應(yīng)力分析

以0號塊頂面中心為原點，X代表橋梁縱向，Y代表橋梁橫向，縱向分別取0號塊頂面縱向?qū)ΨQ中心處(x=0 m)、橫隔板縱向中心處(x=3.5 m)、主梁懸臂根部(x=4.6 m)、0號塊端部(x=6 m)；橫向分別取0號塊頂面橫向中心位置(y=0 m)、箱室頂板中心(y=2.7 m)、邊腹板內(nèi)表面(y=5.1 m)、邊腹板外表面(y=6 m)。應(yīng)力計算結(jié)果的符號規(guī)定壓為“-”，拉為“+”。

2.3.1縱向正應(yīng)力分析

最大懸臂狀態(tài)下塔梁墩固結(jié)處整體和局部縱向正應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 最大懸臂狀態(tài)下縱向正應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6中應(yīng)力計算結(jié)果可以得到應(yīng)力大小及分布規(guī)律如下。

1) 由整體應(yīng)力云圖6a)可以看出，主梁基本全截面受壓，沿主梁截面至下而上逐漸增加，在塔梁固結(jié)區(qū)段，主梁頂板縱向正壓應(yīng)力略微降低。塔梁交接處主梁頂板頂面位置發(fā)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，交接處主梁翼緣板的最大壓應(yīng)力達到-38.33 MPa，交接處主塔外表面最大拉應(yīng)力達到2.44 MPa。

2) 實體模型計算結(jié)果可以看出，桿系模型計算結(jié)果與箱室頂板內(nèi)應(yīng)力值較接近，僅能反應(yīng)箱室頂板應(yīng)力情況。主梁頂板其他位置的應(yīng)力值與桿系模型相差較大，受到主塔和橫隔板的影響，沿順橋向分布更復(fù)雜，橫隔板使應(yīng)力變化趨勢有明顯的波動，靠近主塔處的主梁頂板正應(yīng)力明顯降低，越靠近主塔，降低越明顯。

3) 主梁0號塊底板與墩頂面固結(jié)，在錨固區(qū)段，從橫橋方向來看，無論是在橋梁的中心線，還是梁的橫橋向邊緣，應(yīng)力沿順橋向的規(guī)律都一樣，應(yīng)力大小差異也不大。沿順橋方向，在墩梁固結(jié)面區(qū)域，應(yīng)力分布變化較緩慢，呈圓弧形。與桿系模型相比，兩者應(yīng)力計算結(jié)果相差較大，僅從桿系模型結(jié)果來看，主梁底板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，實體模型計算結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)在主梁懸臂根部(墩梁固結(jié)邊緣)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。因此，即使桿系模型中主梁全截面受壓也不能保證實際橋梁結(jié)構(gòu)中主梁絕對受壓，在塔梁墩固結(jié)的局部位置仍有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，甚至混凝土被拉裂，形成貫穿主梁底板的橫向裂縫。

2.3.2橫向正應(yīng)力分析

最大懸臂狀態(tài)下塔梁墩固結(jié)處整體和局部橫向正應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 最大懸臂狀態(tài)下橫向正應(yīng)力(單位：MPa)

由圖7中應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，塔梁墩固結(jié)范圍內(nèi)主塔、主梁、橫隔板的局部位置均出現(xiàn)較大橫向拉應(yīng)力，橫向正應(yīng)力大小及分布規(guī)律如下：

1) 由整體應(yīng)力云圖a)可以看出，塔梁墩固結(jié)部位的主梁腹板、底板和主塔內(nèi)橫向正應(yīng)力較小，應(yīng)力范圍在-2.40～0.31 MPa。在塔梁交接處主梁頂板頂面位置發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，靠近該處的主塔縱向前后表面內(nèi)也出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值達到8.44 MPa。

2) 將塔梁墩固結(jié)部位沿橋梁縱、橫向?qū)ΨQ軸位置剖開，投影得到內(nèi)部橫向正應(yīng)力云圖b)～c)，能清晰的看出塔梁固結(jié)區(qū)段內(nèi)的整個主梁頂板和橫隔板上部、內(nèi)表面出現(xiàn)較大橫向拉應(yīng)力，應(yīng)力范圍在0.31～5.73 MPa，尤其在橫隔板和主梁相交的之處加腋部位發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力達到了7.09 MPa。

3) 主梁0號塊與主塔固結(jié)，在塔梁固結(jié)區(qū)段，從橫橋方向來看，橋梁中心線處主梁頂板應(yīng)力值較小，箱室頂板和主梁邊緣應(yīng)力值較大，越靠近主塔應(yīng)力值越大。沿順橋方向，在固結(jié)范圍內(nèi)，應(yīng)力突然增加。綜合上述結(jié)論，在塔梁固結(jié)區(qū)段，整個主梁頂板和橫隔板上部、內(nèi)表面出現(xiàn)較大橫向拉應(yīng)力，應(yīng)力值遠遠超過了C55混凝土的抗拉強度。

3 有限元計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析

為了了解塔梁同步施工過程中真實的橋梁安全狀態(tài)，對阿蓬江特大橋施工階段主梁0號塊中心和邊緣截面的頂、底板縱向正應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，并將實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果進行對比分析。

3.1 應(yīng)力數(shù)據(jù)對比結(jié)果

施工中通過采集各個施工階段下應(yīng)力計的變形值，利用每個施工階段下相對主梁1號塊澆筑完成時應(yīng)力計的變形增量值對橋梁結(jié)構(gòu)真實受力狀況進行監(jiān)控。部分典型施工階段的實測縱向正應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果對比見圖8。

圖8 各施工階段下主梁頂、底板縱向正應(yīng)力增量對比

由圖8可知：

1) 塔梁墩固結(jié)部位主梁頂、底板的縱向正應(yīng)力值實測數(shù)據(jù)與有限元理論計算結(jié)果基本吻合，驗證了有限元軟件對固結(jié)部位應(yīng)力理論分析的準(zhǔn)確性。同時，各施工階段下塔梁墩固結(jié)部位主梁頂、底板的應(yīng)力增量值均為負(fù)值，應(yīng)力增量變化范圍不大，說明施工過程中該部位受力合理，施工安全可靠。

2) 從應(yīng)力增量的變化趨勢來看，主梁懸臂澆筑階段和二期橋面鋪裝下塔梁墩固結(jié)部位主梁應(yīng)力變化較大，中跨合龍到全橋合龍之間應(yīng)力變化緩慢。因此，在主梁懸臂澆筑階段和二期橋面鋪裝過程中應(yīng)增加現(xiàn)場應(yīng)力測量頻率，確保施工安全。

3) 從不同截面的應(yīng)力增量的變化趨勢來看，在主梁懸臂根部位置(即A-A截面)理論計算值與實測值較接近，墩頂位置處(即B-B截面)桿系模型相對實體模型和實測值相差較大，這可能是由于桿系模型中無法考慮塔梁墩固結(jié)形式對主梁局部應(yīng)力造成的影響，對與主塔和主墩對固結(jié)部位主梁應(yīng)力分布的影響需要進一步研究，確定合理的桿系模型，本文對該問題不做深入研究，但是桿系模型理論計算結(jié)果相對較大，說明在施工監(jiān)控中需要對結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的部位進行實體有限元分析，得到更精確的應(yīng)力計算結(jié)果，保證施工安全。

4 結(jié)論

1) 塔梁同步施工順序下的施工全過程中主梁全截面受壓，主梁截面頂板上緣和底板下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)力值均小于C55混凝土極限抗壓強度。

2) 塔梁固結(jié)區(qū)段，整個主梁頂板和橫隔板上部、內(nèi)表面出現(xiàn)較大橫向拉應(yīng)力，應(yīng)力值超過了C55混凝土極限抗拉強度，應(yīng)在主梁頂板和橫隔板內(nèi)配置橫橋向的預(yù)應(yīng)力筋。

3) 墩固結(jié)部位主梁頂、底板的縱向正應(yīng)力值實測數(shù)據(jù)與有限元理論計算結(jié)果基本吻合， 但是桿系模型理論計算結(jié)果相對較大。因此，在施工監(jiān)控過程中，可首先利用桿系模型計算結(jié)果從宏觀上對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)安全性做出初步判斷，然后對于結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力復(fù)雜的區(qū)域做實體有限元模型進行進一步分析。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件較薄弱，受力較大的區(qū)域或部位加強施工措施，提出施工預(yù)控方案，保證施工安全。